JAVA之Unsafe学习笔记

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2022-05-27 05:53 219阅读 0赞

### sun.misc.Unsafe ###

作用：可以用来在任意内存地址位置处读写数据，支持一些CAS原子操作  
Java最初被设计为一种安全的受控环境。尽管如此，HotSpot还是包含了一个后门sun.misc.Unsafe，提供了一些可以直接操控内存和线程的底层操作。Unsafe被JDK广泛应用于java.nio和并发包等实现中，这个不安全的类提供了一个观察HotSpot JVM内部结构并且可以对其进行修改，但是不建议在生产环境中使用

### 获取Unsafe实例 ###

Unsafe对象不能直接通过new Unsafe()或调用Unsafe.getUnsafe()获取，原因如下：

*  不能直接new Unsafe()，原因是Unsafe被设计成单例模式，构造方法是私有的；
 *  不能通过调用Unsafe.getUnsafe()获取，因为getUnsafe被设计成只能从引导类加载器(bootstrap class loader)加载

@CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class var0 = Reflection.getCallerClass();
        if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
            throw new SecurityException("Unsafe");
        } else {
            return theUnsafe;
        }
    }

获取实例

//方法一：我们可以令我们的代码“受信任”。运行程序时，使用bootclasspath选项，指定系统类路径加上你使用的一个Unsafe路径
    java -Xbootclasspath:/usr/jdk1.7.0/jre/lib/rt.jar:. com.mishadoff.magic.UnsafeClient
    
    // 方法二
    static {
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            UNSAFE = (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
        }
    }

注意：忽略你的IDE。比如：eclipse显示”Access restriction…”错误，但如果你运行代码，它将正常运行。如果这个错误提示令人烦恼，可以通过以下设置来避免：  
Preferences -> Java -> Compiler -> Errors/Warnings -> Deprecated and restricted API -> Forbidden reference -> Warning

### 重点API ###

*  **allocateInstance(Class<?> var1)不调用构造方法生成对象**

User instance = (User) UNSAFE.allocateInstance(User.class);

*  **objectFieldOffset(Field var1)返回成员属性在内存中的地址相对于对象内存地址的偏移量**
 *  **putLong，putInt，putDouble，putChar，putObject等方法，直接修改内存数据（可以越过访问权限）**

package com.quancheng;
    
    import sun.misc.Unsafe;
    
    import java.lang.reflect.Field;
    
    public class CollectionApp { 
        private static sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    
        public static void main(String[] args) {
            try {
                User instance = (User) UNSAFE.allocateInstance(User.class);
    
                instance.setName("luoyoub");
                System.err.println("instance:" + instance);
                instance.test();
    
                Field name = instance.getClass().getDeclaredField("name");
                UNSAFE.putObject(instance, UNSAFE.objectFieldOffset(name), "huanghui");
                instance.test();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        static {
            try {
                Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
                field.setAccessible(true);
                UNSAFE = (Unsafe) field.get(null);
            } catch (Exception e) {
            }
        }
    }
    
    class User {
        private String name;
    
        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }
    
        public void test() {
            System.err.println("hello,world" + name);
        }
    }

*  copyMemory：内存数据拷贝
 *  freeMemory：用于释放allocateMemory和reallocateMemory申请的内存
 *  compareAndSwapInt/compareAndSwapLongCAS操作
 *  getLongVolatile/putLongVolatile

### 使用场景 ###

*  **避免初始化**  
    当你想要跳过对象初始化阶段，或绕过构造器的安全检查，或实例化一个没有任何公共构造器的类，allocateInstance方法是非常有用的，使用构造器、反射和unsafe初始化它，将得到不同的结果

public class CollectionApp {
        private static sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    
        public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, InstantiationException {
            A a = new A();
            a.test(); // output ==> 1
    
            A a1 = A.class.newInstance();
            a1.test(); // output ==> 1
    
            A instance = (A) UNSAFE.allocateInstance(A.class);
            instance.test(); // output ==> 0
        }
    
        static {
            try {
                Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
                field.setAccessible(true);
                UNSAFE = (Unsafe) field.get(null);
            } catch (Exception e) {
            }
        }
    }
    class A{
        private long a;
        public A(){
            a = 1;
        }
        public void test(){
            System.err.println("a==>" + a);
        }
    }

*  **内存崩溃(Memory corruption)**

Unsafe可用于绕过安全的常用技术，直接修改内存变量；实际上，反射可以实现相同的功能。但值得关注的是，我们可以修改任何对象，甚至没有这些对象的引用

Guard guard = new Guard();
    guard.giveAccess();   // false, no access
    
    // bypass
    Unsafe unsafe = getUnsafe();
    Field f = guard.getClass().getDeclaredField("ACCESS_ALLOWED");
    unsafe.putInt(guard, unsafe.objectFieldOffset(f), 42); // memory corruption
    
    guard.giveAccess(); // true, access granted

注意：我们不必持有这个对象的引用

*  **浅拷贝(Shallow copy)**
 *  **动态类(Dynamic classes)**  
    我们可以在运行时创建一个类，比如从已编译的.class文件中。将类内容读取为字节数组，并正确地传递给defineClass方法；当你必须动态创建类，而现有代码中有一些代理， 这是很有用的

private static byte[] getClassContent() throws Exception {
        File f = new File("/home/mishadoff/tmp/A.class");
        FileInputStream input = new FileInputStream(f);
        byte[] content = new byte[(int)f.length()];
        input.read(content);
        input.close();
        return content;
    }
    
    byte[] classContents = getClassContent();
    Class c = getUnsafe().defineClass(
                  null, classContents, 0, classContents.length);
    c.getMethod("a").invoke(c.newInstance(), null); // 1

*  **抛出异常(Throw an Exception)**

该方法抛出受检异常，但你的代码不必捕捉或重新抛出它，正如运行时异常一样

getUnsafe().throwException(new IOException());

*  **大数组(Big Arrays)**

正如你所知，Java数组大小的最大值为Integer.MAX\_VALUE。使用直接内存分配，我们创建的数组大小受限于堆大小；实际上，这是堆外内存（off-heap memory）技术，在java.nio包中部分可用；

这种方式的内存分配不在堆上，且不受GC管理，所以必须小心Unsafe.freeMemory()的使用。它也不执行任何边界检查，所以任何非法访问可能会导致JVM崩溃

class SuperArray {
        private final static int BYTE = 1;
    
        private long size;
        private long address;
    
        public SuperArray(long size) {
            this.size = size;
            address = getUnsafe().allocateMemory(size * BYTE);
        }
    
        public void set(long i, byte value) {
            getUnsafe().putByte(address + i * BYTE, value);
        }
    
        public int get(long idx) {
            return getUnsafe().getByte(address + idx * BYTE);
        }
    
        public long size() {
            return size;
        }
    }
    
    
    long SUPER_SIZE = (long)Integer.MAX_VALUE * 2;
    SuperArray array = new SuperArray(SUPER_SIZE);
    System.out.println("Array size:" + array.size()); // 4294967294
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        array.set((long)Integer.MAX_VALUE + i, (byte)3);
        sum += array.get((long)Integer.MAX_VALUE + i);
    }
    System.out.println("Sum of 100 elements:" + sum);  // 300

*  **并发(Concurrency)**

几句关于Unsafe的并发性。compareAndSwap方法是原子的，并且可用来实现高性能的、无锁的数据结构

*  **挂起与恢复**

定义：

public native void unpark(Thread jthread);  
    public native void park(boolean isAbsolute, long time); // isAbsolute参数是指明时间是绝对的，还是相对的

将一个线程进行挂起是通过park方法实现的，调用park后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中，LockSupport类中有各种版本pack方法，但最终都调用了Unsafe.park()方法；

unpark函数为线程提供“许可(permit)”，线程调用park函数则等待“许可”。这个有点像信号量，但是这个“许可”是不能叠加的，“许可”是一次性的；比如线程B连续调用了三次unpark函数，当线程A调用park函数就使用掉这个“许可”，如果线程A再次调用park，则进入等待状态，见下例Example1

Example1:
    // 针对当前线程已经调用过unpark(多次调用unpark的效果和调用一次unpark的效果一样)
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread currThread = Thread.currentThread();
    
        UNSAFE.unpark(currThread);
        UNSAFE.unpark(currThread);
        UNSAFE.unpark(currThread);
    
        UNSAFE.park(false, 0);
        UNSAFE.park(false, 0);
    
        System.out.println("SUCCESS!!!");
    }
    
    // 恢复线程interrupt() && UNSAFE.unpark()运行结果一样
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread currThread = Thread.currentThread();
        new Thread(()->{ try { Thread.sleep(3000); System.err.println("sub thread end"); // currThread.interrupt(); UNSAFE.unpark(currThread); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }).start(); UNSAFE.park(false, 0); System.out.println("SUCCESS!!!"); } // 如果是相对时间也就是isAbsolute为false（注意这里后面的单位纳秒）到期的时候，与Thread.sleep效果相同，具体有什么区别有待深入研究 //相对时间后面的参数单位是纳秒 UNSAFE.park(false, 3000000000l); System.out.println("SUCCESS!!!"); long time = System.currentTimeMillis()+3000; //绝对时间后面的参数单位是毫秒 UNSAFE.park(true, time); System.out.println("SUCCESS!!!");

注意，unpark函数可以先于park调用。比如线程B调用unpark函数，给线程A发了一个“许可”，那么当线程A调用park时，它发现已经有“许可”了，那么它会马上再继续运行。实际上，park函数即使没有“许可”，有时也会无理由地返回，实际上在SUN Jdk中，object.wait()也有可能被假唤醒；

*注意：unpark方法最好不要在调用park前对当前线程调用unpark*

#### Unsafe API ####

sun.misc.Unsafe类包含105个方法。实际上，对各种实体操作有几组重要方法，其中的一些如下：
    Info.仅返回一些低级的内存信息
    addressSize
    pageSize
    
    Objects.提供用于操作对象及其字段的方法
    allocateInstance     ##直接获取对象实例
    objectFieldOffset
    
    Classes.提供用于操作类及其静态字段的方法
    staticFieldOffset
    defineClass
    defineAnonymousClass
    ensureClassInitialized
    
    Arrays.操作数组
    arrayBaseOffset
    arrayIndexScale
    
    Synchronization.低级的同步原语
    monitorEnter
    tryMonitorEnter
    monitorExit
    compareAndSwapInt
    putOrderedInt
    
    Memory.直接内存访问方法
    allocateMemory
    copyMemory
    freeMemory
    getAddress
    getInt
    putInt

### 知识点 ###

*  **Unsafe.park()**当遇到线程终止时，会直接返回(不同于Thread.sleep，Thread.sleep遇到thread.interrupt()会抛异常)

// Thread.sleep会抛异常
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       Thread thread =  new Thread(()->{
            try {
                System.err.println("sub thread start");
                Thread.sleep(10000);
                System.err.println("sub thread end");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
       thread.start();
    
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        thread.interrupt();
        System.out.println("SUCCESS!!!");
    }
    output==>
    sub thread start
    SUCCESS!!!
    java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
        at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
        at com.quancheng.ConcurrentTest.lambda$main$0(ConcurrentTest.java:13)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
    
    Process finished with exit code 0
    
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       Thread thread =  new Thread(()->{
           System.err.println("sub thread start");
           UNSAFE.park(false,0);
           System.err.println("sub thread end");
        });
       thread.start();
    
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        UNSAFE.unpark(thread);
        System.out.println("SUCCESS!!!");
    }
    output==>
    sub thread start
    sub thread end
    SUCCESS!!!
    
    Process finished with exit code 0

*  unpark无法恢复处于sleep中的线程，只能与park配对使用，因为unpark发放的许可只有park能监听到

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> { try { System.err.println("sub thread start"); TimeUnit.SECONDS.sleep(10); System.err.println("sub thread end"); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }); thread.start(); TimeUnit.SECONDS.sleep(3); UNSAFE.unpark(thread); System.out.println("SUCCESS!!!"); }

*  **park和unpark的灵活之处**

上面已经提到，unpark函数可以先于park调用，这个正是它们的灵活之处。

一个线程它有可能在别的线程unPark之前，或者之后，或者同时调用了park，那么因为park的特性，它可以不用担心自己的park的时序问题，否则，如果park必须要在unpark之前，那么给编程带来很大的麻烦！！

”考虑一下，两个线程同步，要如何处理？

在Java5里是用wait/notify/notifyAll来同步的。wait/notify机制有个很蛋疼的地方是，比如线程B要用notify通知线程A，那么线程B要确保线程A已经在wait调用上等待了，否则线程A可能永远都在等待。编程的时候就会很蛋疼。

另外，是调用notify，还是notifyAll？

notify只会唤醒一个线程，如果错误地有两个线程在同一个对象上wait等待，那么又悲剧了。为了安全起见，貌似只能调用notifyAll了“

***park/unpark模型真正解耦了线程之间的同步，线程之间不再需要一个Object或者其它变量来存储状态，不再需要关心对方的状态***

#### 参考资料 ####

*  [http://ifeve.com/sun-misc-unsafe][http_ifeve.com_sun-misc-unsafe]
 *  [https://www.jianshu.com/p/a16d638bc921][https_www.jianshu.com_p_a16d638bc921]
 *  [https://blog.csdn.net/zhxdick/article/details/52003123][https_blog.csdn.net_zhxdick_article_details_52003123]
 *  [http://www.baeldung.com/java-unsafe][http_www.baeldung.com_java-unsafe]
 *  [https://blog.csdn.net/hengyunabc/article/details/28126139][https_blog.csdn.net_hengyunabc_article_details_28126139]

[http_ifeve.com_sun-misc-unsafe]: http://ifeve.com/sun-misc-unsafe/
[https_www.jianshu.com_p_a16d638bc921]: https://www.jianshu.com/p/a16d638bc921
[https_blog.csdn.net_zhxdick_article_details_52003123]: https://blog.csdn.net/zhxdick/article/details/52003123
[http_www.baeldung.com_java-unsafe]: http://www.baeldung.com/java-unsafe
[https_blog.csdn.net_hengyunabc_article_details_28126139]: https://blog.csdn.net/hengyunabc/article/details/28126139