畅读源码系列之J.U.C（一）：关于Unsafe

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【引言】Unsafe这个名字首先就很诡异，字面上说它是不安全的，为什么不安全？是因为它直接操作内存了么？由于现在好多的java基础类库都有使用到Unsafe（比如J.U.C），所以第一篇我们先来说说这个包外之类。


缘起

  相信做Java开发的同学应该都清楚一个事实，就是Java是不能直接访问操作系统底层的；如果需要访问，一般是通过本地方法来访问。
  而Unsafe类的出现提供了硬件级别的原子操作，Unsafe类使Java拥有了像C语言的指针一样操作内存空间的能力，同时也不可避免的带来了指针的问题。过度的使用Unsafe类会使得出错的几率变大，因此Java官方是不建议使用的。
  既然很多JDK基础库都用到了这个Unsafe，虽然我们自己编码不见得回去用它，但是了解了解它的内部结构想必也没有什么坏处，接下来我们就分别看看它提供了哪些方面的独有功能。

类定义

  首先这个类在sun.misc包下，不属于Java标准；但是它用的地方还真是不少，在提升Java运行效率，增强Java语言底层操作能力方面起了很大的作用。
  一个很明显的特征，Unsafe是单例模式的，看源码一目了然。

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package sun.misc;

import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Modifier;
import java.security.ProtectionDomain;
import sun.reflect.CallerSensitive;
import sun.reflect.Reflection;

public final class Unsafe {

    private static final Unsafe theUnsafe;
    ......
    
    private Unsafe() {
    }

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

内存管理

  Unsafe提供了一系列对内存操作的方法（比如分配、释放内存等）；和C语言有类似的功效了。

  • allocateMemory（分配内存）
  • reallocateMemory（重新分配内存）
  • freeMemory（释放内存 ）
  • copyMemory（拷贝内存）
  • getAddress（获取内存地址）
  • getInt（获取内存地址指向的整数）
  • getIntVolatile（获取内存地址指向的整数，并支持volatile语义）
  • putInt（将整数写入指定内存地址）
  • putIntVolatile（将整数写入指定内存地址，并支持volatile语义）
  • putOrderedInt（将整数写入指定内存地址、有序或者有延迟的方法）
  • ……

非常规的对象实例化

  allocateInstance()方法，提供了不同于new的另一种对象创建方式，使用allocateInstance()方法可以直接生成对象实例，并且也无需调用构造方法和其它初始化方法。（这在对象反序列化的时候会很有用，能够重建和设置final字段，而不需要调用构造方法 – 说实在的这个特性不是太明白)

操作类、对象、变量

  Unsafe提供了staticFieldOffset（静态域偏移）、defineClass（定义类）、defineAnonymousClass（定义匿名类）、ensureClassInitialized（确保类初始化）、objectFieldOffset（对象域偏移）等方法，通过这些方法我们可以获取对象的指针，通过对指针进行偏移，我们不仅可以直接修改指针指向的数据（即使它们是私有的），甚至可以找到JVM已经认定为垃圾、可以进行回收的对象。

数组操作

  Unsafe提供了arrayBaseOffset（获取数组第一个元素的偏移地址）、arrayIndexScale（获取数组中元素的增量地址）等方法。arrayBaseOffset与arrayIndexScale配合起来使用，就可以定位数组中每个元素在内存中的位置。由于Java的数组最大值为Integer.MAX_VALUE，使用Unsafe类的内存分配方法可以实现超大数组。

多线程同步

  Unsafe提供了monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit、compareAndSwapInt、compareAndSwap等方法；有些方法已经deprecated，不建议使用了，需要注意。
  Unsafe类的CAS操作可能是用的最多的，它为Java的锁机制提供了一种新的解决办法，比如AtomicInteger等类都是通过该方法来实现的。compareAndSwap方法是原子的，可以避免繁重的锁机制，提高代码效率。这是一种乐观锁，通常认为在大部分情况下不出现竞态条件，如果操作失败，会不断重试直到成功。

挂起与恢复

  Unsafe提供了park、unpark等方法（实际就是AQS里面使用到了的park和unpark），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。

内存屏障

  Unsafe在Java 8新引入loadFence、storeFence、fullFence等方法，用于定义内存屏障，避免代码重排序。
  loadFence() 表示该方法之前的所有load操作在内存屏障之前完成。同理storeFence()表示该方法之前的所有store操作在内存屏障之前完成。fullFence()表示该方法之前的所有load、store操作在内存屏障之前完成。

------2019 Lin.C ------