前言
unsafe类在jdk 源码的多个类中用到，这个类的提供了一些绕开jvm的更底层功能，基于它的实现可以提高效率。但是，它是一把双刃剑：正如它的名字所预示的那样，它是unsafe的，它所分配的内存需要手动free（不被gc回收）。unsafe类，提供了jni某些功能的简单替代：确保高效性的同时，使事情变得更简单。
这个类是属于sun.* api中的类，并且它不是j2se中真正的一部份，因此你可能找不到任何的官方文档，更可悲的是，它也没有比较好的代码文档。
这篇文章主要是以下文章的整理、翻译。
http://mishadoff.com/blog/java-magic-part-4-sun-dot-misc-dot-unsafe/
1. unsafe api的大部分方法都是native实现，它由105个方法组成，主要包括以下几类：
（1）info相关。主要返回某些低级别的内存信息：addresssize(), pagesize()
（2）objects相关。主要提供object和它的域操纵方法：allocateinstance(),objectfieldoffset()
（3）class相关。主要提供class和它的静态域操纵方法：staticfieldoffset(),defineclass(),defineanonymousclass(),ensureclassinitialized()
（4）arrays相关。数组操纵方法：arraybaseoffset(),arrayindexscale()
（5）synchronization相关。主要提供低级别同步原语（如基于cpu的cas（compare-and-swap）原语）：monitorenter(),trymonitorenter(),monitorexit(),compareandswapint(),putorderedint()
（6）memory相关。直接内存访问方法（绕过jvm堆直接操纵本地内存）：allocatememory(),copymemory(),freememory(),getaddress(),getint(),putint()
2. unsafe类实例的获取
unsafe类设计只提供给jvm信任的启动类加载器所使用，是一个典型的单例模式类。它的实例获取方法如下：
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public static unsafe getunsafe() { class cc = sun.reflect.reflection.getcallerclass(2); if (cc.getclassloader() != null) throw new securityexception("unsafe"); return theunsafe;} |
非启动类加载器直接调用unsafe.getunsafe()方法会抛出securityexception（具体原因涉及jvm类的双亲加载机制）。
解决办法有两个，其一是通过jvm参数-xbootclasspath指定要使用的类为启动类，另外一个办法就是java反射了。
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field f = unsafe.class.getdeclaredfield("theunsafe");f.setaccessible(true);unsafe unsafe = (unsafe) f.get(null); |
通过将private单例实例暴力设置accessible为true，然后通过field的get方法，直接获取一个object强制转换为unsafe。在ide中，这些方法会被标志为error，可以通过以下设置解决：
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preferences -> java -> compiler -> errors/warnings ->deprecated and restricted api -> forbidden reference -> warning |
3. unsafe类“有趣”的应用场景
（1）绕过类初始化方法。当你想要绕过对象构造方法、安全检查器或者没有public的构造方法时，allocateinstance()方法变得非常有用。
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class a { private long a; // not initialized value public a() { this.a = 1; // initialization } public long a() { return this.a; }} |
以下是构造方法、反射方法和allocateinstance()的对照
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a o1 = new a(); // constructoro1.a(); // prints 1 a o2 = a.class.newinstance(); // reflectiono2.a(); // prints 1 a o3 = (a) unsafe.allocateinstance(a.class); // unsafeo3.a(); // prints 0 |
allocateinstance()根本没有进入构造方法，在单例模式时，我们似乎看到了危机。
（2）内存修改
内存修改在c语言中是比较常见的，在java中，可以用它绕过安全检查器。
考虑以下简单准入检查规则：
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class guard { private int access_allowed = 1; public boolean giveaccess() { return 42 == access_allowed; }} |
在正常情况下，giveaccess总会返回false，但事情不总是这样
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guard guard = new guard();guard.giveaccess(); // false, no access // bypassunsafe unsafe = getunsafe();field f = guard.getclass().getdeclaredfield("access_allowed");unsafe.putint(guard, unsafe.objectfieldoffset(f), 42); // memory corruption guard.giveaccess(); // true, access granted |
通过计算内存偏移，并使用putint()方法，类的access_allowed被修改。在已知类结构的时候，数据的偏移总是可以计算出来（与c++中的类中数据的偏移计算是一致的）。
（3）实现类似c语言的sizeof()函数
通过结合java反射和objectfieldoffset()函数实现一个c-like sizeof()函数。
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public static long sizeof(object o) { unsafe u = getunsafe(); hashset fields = new hashset(); class c = o.getclass(); while (c != object.class) { for (field f : c.getdeclaredfields()) { if ((f.getmodifiers() & modifier.static) == 0) { fields.add(f); } } c = c.getsuperclass(); } // get offset long maxsize = 0; for (field f : fields) { long offset = u.objectfieldoffset(f); if (offset > maxsize) { maxsize = offset; } } return ((maxsize/8) + 1) * 8; // padding} |
算法的思路非常清晰：从底层子类开始，依次取出它自己和它的所有超类的非静态域，放置到一个hashset中（重复的只计算一次，java是单继承），然后使用objectfieldoffset()获得一个最大偏移，最后还考虑了对齐。
在32位的jvm中，可以通过读取class文件偏移为12的long来获取size。
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public static long sizeof(object object){ return getunsafe().getaddress( normalize(getunsafe().getint(object, 4l)) + 12l);} |
其中normalize()函数是一个将有符号int转为无符号long的方法
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private static long normalize(int value) { if(value >= 0) return value; return (0l >>> 32) & value;} |
两个sizeof()计算的类的尺寸是一致的。最标准的sizeof()实现是使用java.lang.instrument，但是，它需要指定命令行参数-javaagent。
（4）实现java浅复制
标准的浅复制方案是实现cloneable接口或者自己实现的复制函数，它们都不是多用途的函数。通过结合sizeof()方法，可以实现浅复制。
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static object shallowcopy(object obj) { long size = sizeof(obj); long start = toaddress(obj); long address = getunsafe().allocatememory(size); getunsafe().copymemory(start, address, size); return fromaddress(address);} |
以下的toaddress()和fromaddress()分别将对象转换到它的地址以及相反操作。
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static long toaddress(object obj) { object[] array = new object[] {obj}; long baseoffset = getunsafe().arraybaseoffset(object[].class); return normalize(getunsafe().getint(array, baseoffset));} static object fromaddress(long address) { object[] array = new object[] {null}; long baseoffset = getunsafe().arraybaseoffset(object[].class); getunsafe().putlong(array, baseoffset, address); return array[0];} |
以上的浅复制函数可以应用于任意java对象，它的尺寸是动态计算的。
（5）消去内存中的密码
密码字段存储在string中，但是，string的回收是受到jvm管理的。最安全的做法是，在密码字段使用完之后，将它的值覆盖。
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field stringvalue = string.class.getdeclaredfield("value");stringvalue.setaccessible(true);char[] mem = (char[]) stringvalue.get(password);for (int i=0; i < mem.length; i++) { mem[i] = '?';} |
（6）动态加载类
标准的动态加载类的方法是class.forname()(在编写jdbc程序时，记忆深刻)，使用unsafe也可以动态加载java 的class文件。
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byte[] classcontents = getclasscontent();class c = getunsafe().defineclass( null, classcontents, 0, classcontents.length); c.getmethod("a").invoke(c.newinstance(), null); // 1getclasscontent()方法，将一个class文件，读取到一个byte数组。 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;} |
动态加载、代理、切片等功能中可以应用。
（7）包装受检异常为运行时异常。
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getunsafe().throwexception(new ioexception()); |
当你不希望捕获受检异常时，可以这样做（并不推荐）。
（8）快速序列化
标准的java serializable速度很慢，它还限制类必须有public无参构造函数。externalizable好些，它需要为要序列化的类指定模式。流行的高效序列化库，比如kryo依赖于第三方库，会增加内存的消耗。可以通过getint(),getlong(),getobject()等方法获取类中的域的实际值，将类名称等信息一起持久化到文件。kryo有使用unsafe的尝试，但是没有具体的性能提升的数据。（http://code.google.com/p/kryo/issues/detail?id=75）
（9）在非java堆中分配内存
使用java 的new会在堆中为对象分配内存，并且对象的生命周期内，会被jvm gc管理。
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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; }} |
unsafe分配的内存，不受integer.max_value的限制，并且分配在非堆内存，使用它时，需要非常谨慎：忘记手动回收时，会产生内存泄露；非法的地址访问时，会导致jvm崩溃。在需要分配大的连续区域、实时编程（不能容忍jvm延迟）时，可以使用它。java.nio使用这一技术。
（10）java并发中的应用
通过使用unsafe.compareandswap()可以用来实现高效的无锁数据结构。
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class cascounter implements counter { private volatile long counter = 0; private unsafe unsafe; private long offset; public cascounter() throws exception { unsafe = getunsafe(); offset = unsafe.objectfieldoffset(cascounter.class.getdeclaredfield("counter")); } @override public void increment() { long before = counter; while (!unsafe.compareandswaplong(this, offset, before, before + 1)) { before = counter; } } @override public long getcounter() { return counter; }} |
通过测试，以上数据结构与java的原子变量的效率基本一致，java原子变量也使用unsafe的compareandswap()方法，而这个方法最终会对应到cpu的对应原语，因此，它的效率非常高。这里有一个实现无锁hashmap的方案（http://www.azulsystems.com/about_us/presentations/lock-free-hash ，这个方案的思路是：分析各个状态，创建拷贝，修改拷贝，使用cas原语，自旋锁），在普通的服务器机器（核心<32），使用concurrenthashmap（jdk8以前，默认16路分离锁实现，jdk8中concurrenthashmap已经使用无锁实现）明显已经够用。
总结
以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对服务器之家的支持。
原文链接：https://www.cnblogs.com/suxuan/p/4948608.html
