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Unsafe-java的魔法類

Unsafe的介紹

Unsafe的源代碼：http://www.docjar.com/html/api/sun/misc/Unsafe.java.html

Unsafe類全限定名爲sun.misc.Unsafe，顧名思義不是安全的。

一般而言，編寫底層代碼或者影響JVM是很難實現的，當然你可以使用JNI來達到目的，JNI需要和C打交道。

在java平臺通過sun.misc.Unsafe的API，也可以進行底層編碼，比如操作目標對象的地址，直接修改屬性字段所在的地址的值…當然使用這個類比較危險，所以慎用。

Unsafe在原子類中大量使用到了，可以通過compareAndSwapXX方法調用底層操作糸統的原子操作指令，來進行原子操作。

Unsafe對象的獲取

考慮創建Unsafe對象之前，先來看下這個類的源代碼：

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;
        }
    }
    static {
        theUnsafe = new Unsafe();
    }

Unsafe 類有這麼一些特點：

final修飾的
有一個靜態變量也是Unsafe類型的實例theUnsafe
構造器私有
靜態方法getUnsafe()可以獲得一個Unsafe實例對象theUnsafe，但是檢查了類加載器（只有JVM的引導加載器才允許，否則拋出SecurityException異常）
靜態代碼塊實例化了theUnsafe變量

那麼我們要創建Unsafe 的實例對象，怎麼做呢？

針對上面的特點針對性的解決。以下是兩種方案。

追加類到引導類加載器BoostrapClassloader

我們可以利用Unsafe類的靜態方法getUnsafe()，但是這個方法會檢查類加載器是否爲BoostrapClassloader。

所以我們可以將當前類所在路徑追加到BoostrapClassloader的掃描路徑下去。

這裏擴展一點: 得到BoostrapClassloader加載的路徑：
String property = System.getProperty("sun.boot.class.path");
for (String s : property.split(";")) {
    System.out.println(s);
}
輸出：

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\resources.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\rt.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\sunrsasign.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\jsse.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\jce.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\charsets.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\jfr.jar
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\classes

擴展：得到Extend類加載器加載的路徑：
String property2 = System.getProperty("java.ext.dirs");
for (String s : property2.split(";")) {
    System.out.println(s);
}
輸出：

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext
C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

Xbootclasspath擴展

Java 命令行提供瞭如何擴展BoostrapClassloader的簡單方法.

-Xbootclasspath: 新的jar 完全替換jdk的的Java class 搜索路徑，不建議；
-Xbootclasspath/a:追加的jar 追加在jdk的java class搜索路徑後面，很實用（多個jar在unix冒號分隔，windows分號分隔）；
-Xbootclasspath/p:放在前面的jar 放jdk的java class搜索路徑前面，不建議；以免引起不必要的衝突。

所以我們可以通過在IDEA中設置jvm運行時參數（添加VM options）：

-Xbootclasspath/a:D:\framework\concurrent\target\concurrent-1.0-SNAPSHOT.jar

再run即可。注意這裏要打包成jar，才能追加

/*
運行時添加 VM options
-Xbootclasspath/a:D:\framework\concurrent\target\concurrent-1.0-SNAPSHOT.jar
*/
Unsafe unsafe0 = Unsafe.getUnsafe();
System.out.println("-Xbootclasspath/a:添加jar包：" + unsafe0);  // 可以獲得Unsafe實例對象

這種方式太難了…所以我們使用下面的第二種方式。

反射Field獲取Unsafe實例對象【推薦用法】

從Unsafe的特點來看，我們得知，其內部存在一個theUnsafe變量就是Unsafe的一個實例：

private static final Unsafe theUnsafe;

既然構造器不能用，我們就使用反射直接獲取該字段的值：

// 所以，選擇反射獲取
// 因爲內部存在一個單例實例：Unsafe theUnsafe;
Class clazz = Unsafe.class;
Field field = clazz.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe)field.get(null);   // 得到其內部的字段theUnsafe

Unsafe的API

Unsafe提供了大量的API（100多個方法），來操作底層。

主要分爲這麼幾大類：

Info獲得信息

返回一些底層的內存信息。

addressSize：本地指針大小，值一般爲4或者8；存儲在本地塊的原始類型由他們的內容信息決定。
pageSize：返回內存頁大小，字節爲單位，值爲2的n次方

// info
System.out.println(unsafe.pageSize());  // 4096
System.out.println(unsafe.addressSize());  // 8

Objects操作對象

提供操作對象以及它的字段的方法。

allocateInstance：分配一個實例對象，但是不會調用任何的構造器（變量值沒有初始化）
- ```
public native Object allocateInstance(Class cls) 
```

示例，很有意思：

@Data
public class UnsafeDemo {
    private String name = "zs";
    private int age = 18;
}

// 運行以下代碼的結果：
UnsafeDemo unsafeDemo3 = (UnsafeDemo)unsafe.allocateInstance(UnsafeDemo.class);
System.out.println(unsafeDemo3);  // UnsafeDemo(name=null, age=0)
UnsafeDemo unsafeDemo1 = new UnsafeDemo();
System.out.println(unsafeDemo1);   // UnsafeDemo(name=zs, age=18)

objectFieldOffset：獲得某個類的某個字段在內存中的偏移量
- ```
public native long objectFieldOffset(Field f);
```

示例：獲得UnsafeDemo類的age字段在內存中的偏移量

long ageOffset =
                unsafe.objectFieldOffset(UnsafeDemo.class.getDeclaredField("age"));
System.out.println(ageOffset); // 12

Classes操作類對象

提供操作類對象、靜態字段的方法。

staticFieldOffset：獲得靜態字段的偏移量

public native long staticFieldOffset(Field f);

示例：

@Data
public class UnsafeDemo {
    private String name = "zs";
    private int age = 18;
    private static int status = 1;
}

// staticFieldOffset：獲得靜態字段的偏移量
Field status = UnsafeDemo.class.getDeclaredField("status");
long statusOffset = unsafe.staticFieldOffset(status);
System.out.println(statusOffset);  // 104

defineClass ：告知JVM定義一個類，但是不要做安全檢查；默認情況下，類加載器和保護域來自調用者的Class。

public native Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,
									ClassLoader loader,
									ProtectionDomain protectionDomain);

defineAnonymousClass：定義一個不被類加載器、系統感知的類。

/**
* @params hostClass 鏈接的上下文，訪問控制，類加載器
* @params data      字節碼文件的字節數組形式
* @params cpPatches 如果存在非空數據，則替換data中的
  829        */
*/
public native Class defineAnonymousClass(Class hostClass, byte[] data, Object[] cpPatches);

ensureClassInitialized：確保給定的類已經初始化，這通常需要結合獲取類的靜態字段庫。
- ```
public native void ensureClassInitialized(Class c);
```

Arrays操作數組

對數組的封裝。

arrayBaseOffset：數組對象的首元素的偏移量

public native int arrayBaseOffset(Class arrayClass)

示例：

int arrayBaseOffset =
                unsafe.arrayBaseOffset(new byte[]{1, 2, 3}.getClass());
System.out.println(arrayBaseOffset); // 16

arrayIndexScale：尋址因子

public native int arrayIndexScale(Class arrayClass);

Synchronization操作同步字

操作同步的一些底層封裝。

monitorEnter：鎖定對象，必須通過monitorExit釋放鎖。
- ```
public native void monitorEnter(Object o);
```

tryMonitorEnter ：嘗試獲得鎖

public native boolean tryMonitorEnter(Object o);

monitorExit：釋放鎖

public native void monitorExit(Object o);

compareAndSwapInt：CAS也是很實用的一個方法，AtomicInteger、AtomicBoolean等原子類都是通過Unsafe的CAP方法實現原子操作的。

/**
原子操作：修改java變量的值爲x；
如果對象o的偏移量offset（其實就是該對象的某個字段）表示的變量的值，目前是期望值expected，則將其修改爲x，返回true；
如果目前是期望值不是expected，則不操作，返回false。
*/
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                            int expected,
                                            int x);

示例AtomicInteger#incrementAndGet方法的實現邏輯：

java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger#incrementAndGet

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

sun.misc.Unsafe#getAndAddInt

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        // 自旋+CAS
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

putIntVolatile： putInt的Volatile版本

public native void    putIntVolatile(Object o, long offset, int x);

putOrderedInt： putIntVolatile的有序\惰性版本

public native void    putOrderedInt(Object o, long offset, int x);

Memory操作內存

直接訪問內存的方法。

allocateMemory：分配內存空間，並返回偏移量
- ```
public native long allocateMemory(long bytes);
```

copyMemory：複製內存空間

// @since 1.7
public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset,
    Object destBase, long destOffset,
    long bytes);

public void copyMemory(long srcAddress, long destAddress, long bytes) {
	copyMemory(null, srcAddress, null, destAddress, bytes);
}

freeMemory：釋放內存空間

public native void freeMemory(long address);

getAddress: 獲得內存地址，無符號整數long
- ```
public native long getAddress(long address);
```

getInt：獲得指定偏移量的變量值

public native int getInt(Object o, long offset);

putInt：可以修改變量的值

/**
參數一：對象
參數二：字段偏移量
參數三：要設置的值
*/
public native void putInt(Object o, long offset, int x);

示例:

//通過魔法類修改對象實例的屬性值
UnsafeDemo unsafeDemo = new UnsafeDemo();
long ageOffset =
                unsafe.objectFieldOffset(UnsafeDemo.class.getDeclaredField("age"));
unsafe.putInt(unsafeDemo, ageOffset, 30);  // 將字段age的值改爲30

Unsafe實現CAS

案例:AtomicInteger的原子操作

示例AtomicInteger#incrementAndGet方法的實現邏輯：

java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger#incrementAndGet

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

sun.misc.Unsafe#getAndAddInt

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        // 自旋+CAS
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

這裏分享的是常見的一些API，Unsafe還有很多其他類似的方法，不再一一列舉。

Unsafe-java的魔法類-AtomicInteger的原子操作

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Unsafe-java的魔法類

Unsafe的介紹

Unsafe對象的獲取

追加類到引導類加載器BoostrapClassloader

Xbootclasspath擴展

反射Field獲取Unsafe實例對象【推薦用法】

Unsafe的API

Info獲得信息

Objects操作對象

Classes操作類對象

Arrays操作數組

Synchronization操作同步字

Memory操作內存

Unsafe實現CAS

案例:AtomicInteger的原子操作

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