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神奇的Unsafe,你get了吗

2019.05.05 22:40 615浏览

cover

本文原创地址,我的博客https://jsbintask.cn/2019/05/05/jdk/jdk8-unsafe/(食用效果最佳),转载请注明出处!

简介

Unsafe是jdk提供的一个直接访问操作系统资源的工具类(底层c++实现),它可以直接分配内存,内存复制,copy,提供cpu级别的CAS乐观锁等操作。它的目的是为了增强java语言直接操作底层资源的能力,无疑带来很多方便。但是,使用的同时就得额外小心!它的总体作用如下(图片来源网络):
Unsafe

Unsafe位于sun.misc包下,jdk中的并发编程包juc(java.util.concurrent)基本全部靠Unsafe实现,由此可见其重要性。

基本使用

Unsafe被设计为单例,并且只允许被引导类加载器(BootstrapClassLoader)加载的类使用:
Unsafe
所以我们自己写的类是无法直接通过Unsafe.getUnsafe()获取的。当然,既然是java代码,我们就可以使用一点歪道,比如通过反射直接new一个或者将其内部静态成员变量theUnsafe获取出来:

public static void main(String[] args) throws Exception{
    // method 1
    Class<Unsafe> unsafeClass = Unsafe.class;
    Constructor<Unsafe> constructor = unsafeClass.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe1 = constructor.newInstance();
    System.out.println(unsafe1);

    // method2
    Field theUnsafe = unsafeClass.getDeclaredField("theUnsafe");
    theUnsafe.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe2 = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
    System.out.println(unsafe2);
}

Unsafe
现在我们能够在自己代码里面使用Unsafe了,接下来看下它的使用以及jdk使用操作的。

CAS

CAS译为Compare And Swap,它是乐观锁的一种实现。假设内存值为v,预期值为e,想要更新成得值为u,当且仅当内存值v等于预期值e时,才将v更新为u。 这样可以有效避免多线程环境下的同步问题。

在unsafe中,实现CAS算法通过cpu的原子指令cmpxchg实现,它对应的方法如下:
Unsafe
简单介绍下它使用的参数,var1为内存中要操作的对象,var2为要操作的值的内存地址偏移量,var4为预期值,var5为想要更新成的值。

为了方便理解,举个栗子。类User有一个成员变量name。我们new了一个对象User后,就知道了它在内存中的起始值,而成员变量name在对象中的位置偏移是固定的。这样通过这个起始值和这个偏移量就能够定位到name在内存中的具体位置。

所以我们现在的问题就是如何得出name在对象User中的偏移量,Unsafe自然也提供了相应的方法:
Unsafe
他们分别为获取静态成员变量,成员变量的方法,所以我们可以使用unsafe直接更新内存中的值:

public class UnsafeTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafe.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);

        User user = new User("jsbintask");
        long nameOffset = unsafe.objectFieldOffset(User.class.getDeclaredField("name"));
        unsafe.compareAndSwapObject(user, nameOffset, "jsbintask1", "jsbintask2");
        System.out.println("第一次更新后的值:" + user.getName());
        unsafe.compareAndSwapObject(user, nameOffset, "jsbintask", "jsbintask2");
        System.out.println("第二次更新后的值:" + user.getName());
    }
}

class User {
    private String name;

    public User(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

Unsafe
因为内存中name的值为"jsbintask",而第一次使用compareAndSwapObject方法预期值为"jsbintask1",这显然是不相等的,所以第一次更新失败,第二次我们传入了正确的预期值,更新成功!

如果我们分析juc包下的Atomic开头的原子类就会发现,它内部的原子操作全部来源于unsafe的CAS方法,比如AtomicInteger的getAndIncrement方法,内部直接调用unsafe的getAndAddInt方法,它的实现原理为:cas失败,就循环,直到成功为止,这就是我们所说的自旋锁
Unsafe

内存分配

Unsafe还给我们提供了直接分配内存,释放内存,拷贝内存,内存设置等方法,值得注意的是,这里的内存指的是堆外内存!它是不受jvm内存模型掌控的,所以使用需要及其小心:

//分配内存, 相当于C++的malloc函数
public native long allocateMemory(long bytes);
//释放内存
public native void freeMemory(long address);
//在给定的内存块中设置值
public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);
//内存拷贝
public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset, Object destBase, long destOffset, long bytes);
//为给定地址设置值,忽略修饰限定符的访问限制,与此类似操作还有: putInt,putDouble,putLong,putChar等
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);

我们可以写一段代码验证一下:

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
    theUnsafe.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);

    // 分配 10M的堆外内存
    long _10M_Address = unsafe.allocateMemory(1 * 1024 * 1024 * 10);
    // 将10M内存的 前面1M内存值设置为10
    unsafe.setMemory(_10M_Address, 1 * 1024 * 1024 * 1, (byte) 10);
    // 获取第1M内存的值: 10
    System.out.println(unsafe.getByte(_10M_Address + 1000));
    // 获取第1M内存后的值: 0(没有设置)
    System.out.println(unsafe.getByte(_10M_Address + 1 * 1024 * 1024 * 5));
}

Unsafe
我们分配了10M内存,并且将前1M内存的值设置为了10,取出了内存中的值进行比较,验证了unsafe的方法。

堆外内存不受jvm内存模型掌控,在nio(netty,mina)中大量使用对外内存进行管道传输,copy等,使用它们的好处如下:

  • 对垃圾回收停顿的改善。由于堆外内存是直接受操作系统管理而不是JVM,所以当我们使用堆外内存时,即可保持较小的堆内内存规模。从而在GC时减少回收停顿对于应用的影响。
  • 提升程序I/O操作的性能。通常在I/O通信过程中,会存在堆内内存到堆外内存的数据拷贝操作,对于需要频繁进行内存间数据拷贝且生命周期较短的暂存数据,都建议存储到堆外内存。
    而在jdk中,堆外内存对应的类为DirectByteBuffer,它内部也是通过unsafe分配的内存:
    Unsafe
    这里值得注意的是,对外内存的回收借助了Cleaner这个类。

线程调度

通过Unsafe还可以直接将某个线程挂起,这和调用Object.wait()方法作用是一样的,但是效率确更高!
Unsafe
我们熟知的AQS(AbstractQueuedSynchronizer)内部挂起线程使用了LockSupport方法,而LockSupport内部依旧使用的是Unsafe:
Unsafe
我们同样可以写一段代码验证:

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
    theUnsafe.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);

    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (i == 5) {
                // i == 5时,将当前线程挂起
                unsafe.park(false, 0L);
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " printing i : " + i);
        }
    }, " Thread__Unsafe__1");

    t1.start();

    // 主线程休息三秒
    Thread.sleep(3000L);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " printing i : " + i);
        if (i == 9) {
            // 将线程 t1 唤醒
            unsafe.unpark(t1);
        }
    }

    System.in.read();
}

Unsafe
当线程t1运行到i=5时,被挂起,主线程执行,而主线程运行到i=9时,将t1唤醒,t1继续打印! 在park出debug可以观察t1线程的状态:
Unsafe
Unsafe

数组操作

对于数组,Unsafe提供了特别的方法返回不同类型数组在内存中的偏移量:
Unsafe
arrayBaseOffset方法返回数组在内存中的偏移量,这个值是固定的。arrayIndexScale返回数组中的每一个元素的内存地址换算因子。举个栗子,double数组(注意不是包装类型)每个元素占用8个字节,所以换算因子为8,int类型则为4,通过这两个方法我们就能定位数组中每个元素的内存地址,从而赋值,下面代码演示:

public static void main(String[] args) throws Exception{
    Class<Unsafe> unsafeClass = Unsafe.class;
    Constructor<Unsafe> constructor = unsafeClass.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe = constructor.newInstance();

    Integer[] integers = new Integer[10];
    // 打印数组的原始值
    System.out.println(Arrays.toString(integers));
    // 获取Integer数组在内存中的固定的偏移量
    long arrayBaseOffset = unsafe.arrayBaseOffset(Integer[].class);
    System.out.println(unsafe.arrayIndexScale(Integer[].class));
    System.out.println(unsafe.arrayIndexScale(double[].class));
    // 将数组中第一个元素的更新为100
    unsafe.putObject(integers, arrayBaseOffset, 100);
    // 将数组中第五个元素更新为50  注意 引用类型占用4个字节,所以内存地址 需要 4 * 4 = 16
    unsafe.putObject(integers, arrayBaseOffset + 16, 50);
    // 打印更新后的值
    System.out.println(Arrays.toString(integers));
}

Unsafe
我们通过获取Integer数组的内存偏移量,结合换算因子将第一个元素,第五个元素分别替换为了100,50。验证了我们的说法。

数组的原子操作,juc包也已经提供了相应的工具类,比如AtomicIntegerArray内部就是同过Unsafe的上述方法实现了数组的原子操作。
Unsafe

其它操作

Unsafe还提供了操作系统级别的方法如获取内存页的大小public native int pageSize();,获取系统指针大小public native int addressSize();
jdk8还加入了新的方法,内存屏障,它的目的是为了防止指令重排序(编译器为了优化速度,会在保证单线程不出错的情况下将某些代码的顺序调换,比如先分配内存,或者先返回引用等,这样在多线程环境下就会出错):

//内存屏障,禁止load操作重排序。屏障前的load操作不能被重排序到屏障后,屏障后的load操作不能被重排序到屏障前
public native void loadFence();
//内存屏障,禁止store操作重排序。屏障前的store操作不能被重排序到屏障后,屏障后的store操作不能被重排序到屏障前
public native void storeFence();
//内存屏障,禁止load、store操作重排序
public native void fullFence();

jdk1.8引入的StampedLock就是基于此实现的乐观读写锁.
另外,jdk1.8引入了lambda表达式,它其实会帮我们调用Unsafe的public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> var1, byte[] var2, Object[] var3);方法生成匿名内部类,如下面的代码:

public class UnsafeTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        Function<String, Integer> function = Integer::parseInt;
        System.out.println(function.apply("100"));
    }
}

查看字节码:
Unsafe
发现它调用了LambdaMetafactory.metafactory方法,最终调用了InnerClassLambdaMetafactory的spinInnerClass方法:
Unsafe

总结

通过反射可以获取Unsafe类的实例,他可以帮助我们进行堆外内存操作,内存copy,内存复制,线程挂起,提供了cpu级别的cas原子操作。另外还有lambda的匿名内部类的生成,数组内存操作等。juc包基本全部基于此类实现!

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