各大框架都在使用的Unsafe類，到底有多神奇？
前言
幾乎每個使用 Java開發(fā)的工具、軟件基礎(chǔ)設(shè)施、高性能開發(fā)庫都在底層使用了sun.misc.Unsafe，比如Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等。
Unsafe類在提升Java運行效率，增強Java語言底層操作能力方面起了很大的作用。但Unsafe類在sun.misc包下，不屬于Java標準。
很早之前，在閱讀并發(fā)編程相關(guān)類的源碼時，看到Unsafe類，產(chǎn)生了一個疑惑：既然是并發(fā)編程中用到的類，為什么命名為Unsafe呢?
深入了解之后才知道，這里的Unsafe并不是說線程安全與否，而是指：該類對于普通的程序員來說是”危險“的，一般應(yīng)用開發(fā)者不會也不應(yīng)該用到此類。
因為Unsafe類功能過于強大，提供了一些可以繞開JVM的更底層功能。它讓Java擁有了像C語言的指針一樣操作內(nèi)存空間的能力，能夠提升效率，但也帶來了指針的問題。官方并不建議使用，也沒提供文檔支持，甚至計劃在高版本中去掉該類。
但對于開發(fā)者來說，了解該類提供的功能更有助于我們學習CAS、并發(fā)編程等相關(guān)的知識，還是非常有必要學習和了解的。
Unsafe的構(gòu)造
Unsafe類是"final"的，不允許繼承，且構(gòu)造函數(shù)是private，使用了單例模式來通過一個靜態(tài)方法getUnsafe()來獲取。
private Unsafe() {
}
@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
Class var0 = Reflection.getCallerClass();
if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
throw new SecurityException("Unsafe");
} else {
return theUnsafe;
}
}在getUnsafe方法中對單例模式中的對象創(chuàng)建做了限制，如果是普通的調(diào)用會拋出一個SecurityException異常。只有由主類加載器加載的類才能調(diào)用這個方法。
那么，如何獲得Unsafe類的對象呢?通常采用反射機制：
public static Unsafe getUnsafe() throws IllegalAccessException {
Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
unsafeField.setAccessible(true);
return (Unsafe) unsafeField.get(null);
}當獲得Unsafe對象之后，就可以”為所欲為“了。下面就來看看，通過Unsafe方法，我們可以做些什么。
Unsafe的主要功能可先從根據(jù)下圖從整體上了解一下Unsafe提供的功能：
Unsafe功能概述
下面挑選重要的功能進行講解。
一、內(nèi)存管理
Unsafe的內(nèi)存管理功能主要包括：普通讀寫、volatile讀寫、有序?qū)懭搿⒅苯硬僮鲀?nèi)存等分配內(nèi)存與釋放內(nèi)存的功能。
普通讀寫
Unsafe可以讀寫一個類的屬性，即便這個屬性是私有的，也可以對這個屬性進行讀寫。
// 獲取內(nèi)存地址指向的整數(shù)
public native int getInt(Object var1, long var2);
// 將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址
public native void putInt(Object var1, long var2, int var4);
getInt用于從對象的指定偏移地址處讀取一個int。putInt用于在對象指定偏移地址處寫入一個int。其他原始類型也提供有對應(yīng)的方法。
另外，Unsafe的getByte、putByte方法提供了直接在一個地址上進行讀寫的功能。
volatile讀寫
普通的讀寫無法保證可見性和有序性，而volatile讀寫就可以保證可見性和有序性。
// 獲取內(nèi)存地址指向的整數(shù)，并支持volatile語義
public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);
// 將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址，并支持volatile語義
public native void putIntVolatile(Object var1, long var2, int var4);
volatile讀寫要保證可見性和有序性，相對普通讀寫更加昂貴。
有序?qū)懭?/h4>
有序?qū)懭胫槐ＷC寫入的有序性，不保證可見性，就是說一個線程的寫入不保證其他線程立馬可見。
// 將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址、有序或者有延遲的方法
public native void putOrderedInt(Object var1, long var2, int var4);
而與volatile寫入相比putOrderedXX寫入代價相對較低，putOrderedXX寫入不保證可見性，但是保證有序性，所謂有序性，就是保證指令不會重排序。
直接操作內(nèi)存
Unsafe提供了直接操作內(nèi)存的能力：
// 分配內(nèi)存
public native long allocateMemory(long var1);
// 重新分配內(nèi)存
public native long reallocateMemory(long var1, long var3);
// 內(nèi)存初始化
public native void setMemory(long var1, long var3, byte var5);
// 內(nèi)存復制
public native void copyMemory(Object var1, long var2, Object var4, long var5, long var7);
// 清除內(nèi)存
public native void freeMemory(long var1);
對應(yīng)操作內(nèi)存，也提供了一些獲取內(nèi)存信息的方法：
// 獲取內(nèi)存地址
public native long getAddress(long var1);
public native int addressSize();
public native int pageSize();
值得注意的是：利用copyMemory方法可以實現(xiàn)一個通用的對象拷貝方法，無需再對每一個對象都實現(xiàn)clone方法，但只能做到對象淺拷貝。
二、非常規(guī)對象實例化
通常，我們通過new或反射來實例化對象，而Unsafe類提供的allocateInstance方法，可以直接生成對象實例，且無需調(diào)用構(gòu)造方法和其他初始化方法。
這在對象反序列化的時候會很有用，能夠重建和設(shè)置final字段，而不需要調(diào)用構(gòu)造方法。
// 直接生成對象實例，不會調(diào)用這個實例的構(gòu)造方法
public native Object allocateInstance(Class<?> var1) throws InstantiationException;
三、類加載
通過以下方法，可以實現(xiàn)類的定義、創(chuàng)建等操作。
// 方法定義一個類，用于動態(tài)地創(chuàng)建類
public native Class<?> defineClass(String var1, byte[] var2, int var3, int var4, ClassLoader var5, ProtectionDomain var6);
// 動態(tài)的創(chuàng)建一個匿名內(nèi)部類
public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> var1, byte[] var2, Object[] var3);
// 判斷是否需要初始化一個類
public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> var1);
// 保證已經(jīng)初始化過一個類
public native void ensureClassInitialized(Class<?> var1);
四、偏移量相關(guān)
Unsafe提供以下方法獲取對象的指針，通過對指針進行偏移，不僅可以直接修改指針指向的數(shù)據(jù)(即使它們是私有的)，甚至可以找到JVM已經(jīng)認定為垃圾、可以進行回收的對象。
// 獲取靜態(tài)屬性Field在對象中的偏移量，讀寫靜態(tài)屬性時必須獲取其偏移量
public native long staticFieldOffset(Field var1);
// 獲取非靜態(tài)屬性Field在對象實例中的偏移量，讀寫對象的非靜態(tài)屬性時會用到這個偏移量
public native long objectFieldOffset(Field var1);
// 返回Field所在的對象
public native Object staticFieldBase(Field var1);
// 返回數(shù)組中第一個元素實際地址相對整個數(shù)組對象的地址的偏移量
public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1);
// 計算數(shù)組中第一個元素所占用的內(nèi)存空間
public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);
五、數(shù)組操作
數(shù)組操作提供了以下方法：
// 獲取數(shù)組第一個元素的偏移地址
public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1);
// 獲取數(shù)組中元素的增量地址
public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);
arrayBaseOffset與arrayIndexScale配合起來使用，就可以定位數(shù)組中每個元素在內(nèi)存中的位置。
由于Java的數(shù)組最大值為Integer.MAX_VALUE，使用Unsafe類的內(nèi)存分配方法可以實現(xiàn)超大數(shù)組。實際上這樣的數(shù)據(jù)就可以認為是C數(shù)組，因此需要注意在合適的時間釋放內(nèi)存。
六、線程調(diào)度
線程調(diào)度相關(guān)方法如下：
// 喚醒線程
public native void unpark(Object var1);
// 掛起線程
public native void park(boolean var1, long var2);
// 用于加鎖，已廢棄
public native void monitorEnter(Object var1);
// 用于加鎖，已廢棄
public native void monitorExit(Object var1);
// 用于加鎖，已廢棄
public native boolean tryMonitorEnter(Object var1);
通過park方法將線程進行掛起， 線程將一直阻塞到超時或中斷條件出現(xiàn)。unpark方法可以終止一個掛起的線程，使其恢復正常。
整個并發(fā)框架中對線程的掛起操作被封裝在LockSupport類中，LockSupport類中有各種版本pack方法，但最終都調(diào)用了Unsafe.park()方法。
七、CAS操作
Unsafe類的CAS操作可能是使用最多的方法。它為Java的鎖機制提供了一種新的解決辦法，比如AtomicInteger等類都是通過該方法來實現(xiàn)的。compareAndSwap方法是原子的，可以避免繁重的鎖機制，提高代碼效率。
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);
CAS一般用于樂觀鎖，它在Java中有廣泛的應(yīng)用，ConcurrentHashMap，ConcurrentLinkedQueue中都有用到CAS來實現(xiàn)樂觀鎖。
八、內(nèi)存屏障
JDK8新引入了用于定義內(nèi)存屏障、避免代碼重排的方法：
// 保證在這個屏障之前的所有讀操作都已經(jīng)完成
public native void loadFence();
// 保證在這個屏障之前的所有寫操作都已經(jīng)完成
public native void storeFence();
// 保證在這個屏障之前的所有讀寫操作都已經(jīng)完成
public native void fullFence();
九、其他
當然，Unsafe類中還提供了大量其他的方法，比如上面提到的CAS操作，以AtomicInteger為例，當我們調(diào)用getAndIncrement、getAndDecrement等方法時，本質(zhì)上調(diào)用的就是Unsafe的getAndAddInt方法。
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
public final int getAndDecrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}在實踐的過程中，如果閱讀其他框架或類庫實現(xiàn)，當發(fā)現(xiàn)用到Unsafe類，可對照該類的整體功能，結(jié)合應(yīng)用場景進行分析，即可大概了解其功能。
小結(jié)
經(jīng)過本文的分析，想必大家在閱讀源碼時，再遇到Unsafe類的調(diào)用，一定大概猜出它是用來干什么的。使用Unsafe類的主要目的大多數(shù)情況下是為了提升運行效率、增強功能。但同時也面臨著出錯、內(nèi)存管理等風險。只有深入了解，且有必要的情況下才建議使用。
