Java JDK Unsafe

最近看java.util.concurrent.atomic包,发现其中大量的用到Unsafe这个类。就在网上查了一下这个类到底是来干嘛的.java不能直接访问操作系统底层，而是通过本地方法来访问。Unsafe类提供了硬件级别的原子操作，主要提供了以下功能：

1、内存操作

类中提供的3个本地方法allocateMemory、reallocateMemory、freeMemory分别用于分配内存，扩充内存和释放内存，与C语言中的3个方法对应.

/** 分配内存 */
public native long allocateMemory(long l);
/** 扩充内存 */
public native long reallocateMemory(long l, long l1);
/** 释放内存 */
public native void freeMemory(long l);

2、字段的定位与修改

可以定位对象某字段的内存位置，也可以修改对象的字段值，即使它是私有的；

字段的定位：
JAVA中对象的字段的定位可能通过staticFieldOffset方法实现，该方法返回给定field的内存地址偏移量，这个值对于给定的filed是唯一的且是固定不变的。

getIntVolatile方法获取对象中offset偏移地址对应的整型field的值,支持volatile load语义。

getLong方法获取对象中offset偏移地址对应的long型field的值。
数组元素定位：
1. Unsafe类中有很多以BASE_OFFSET结尾的常量,比如ARRAY_INT_BASE_OFFSET,ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET等,这些常量值是通过arrayBaseOffset()方法得到的.arrayBaseOffset()方法是一个本地方法,可以获取数组第一个元素的偏移地址.
2. Unsafe类中还有很多以INDEX_SCALE结尾的常量,比如 ARRAY_INT__SCALE,
ARRAY_BYTE_INDEX_SCALE等,这些常量值是通过方法得到的.arrayIndexScale方法也是一个本地方法,可以获取数组的转换因子,也就是数组中元素的增量地址.

结论:
将arrayBaseOffset与arrayIndexScale配合使用,可以定位数组中每个元素在内存中的位置。

public final class Unsafe {public static final int ARRAY_INT_BASE_OFFSET;public static final int ARRAY_INT_INDEX_SCALE;public native long staticFieldOffset(Field field);public native int getIntVolatile(Object obj, long l);public native long getLong(Object obj, long l);public native int arrayBaseOffset(Class class1);public native int arrayIndexScale(Class class1);static {ARRAY_INT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset([I);ARRAY_INT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale([I);}
}

下面这个例子演示了简单的修改一个byte[]的数据。
这个例子在eclipse里不能直接编译，要到项目的属性，Java Compiler，Errors/Warnings中Forbidden reference(access rules)中设置为warning。

另外，因为sun.misc.Unsafe包不能直接使用，所有代码里用反射的技巧得到了一个Unsafe的实例。

public class Test {private static int byteArrayBaseOffset;public static void main(String[] args) throws SecurityException,NoSuchFieldException, IllegalArgumentException,IllegalAccessException {Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");theUnsafe.setAccessible(true);Unsafe UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);System.out.println(UNSAFE);byte[] data = new byte[10];System.out.println(Arrays.toString(data));byteArrayBaseOffset = UNSAFE.arrayBaseOffset(byte[].class);System.out.println(byteArrayBaseOffset);UNSAFE.putByte(data, byteArrayBaseOffset, (byte) 1);UNSAFE.putByte(data, byteArrayBaseOffset + 5, (byte) 5);System.out.println(Arrays.toString(data));}
}

运行结果:

sun.misc.Unsafe@6af62373
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
24
[1, 0, 0, 0, 0, 5, 0, 0, 0, 0]

3、挂起与恢复

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。

public class LockSupport {public static void unpark(Thread thread) {if (thread != null)unsafe.unpark(thread);}public static void park(Object blocker) {Thread t = Thread.currentThread();setBlocker(t, blocker);unsafe.park(false, 0L);setBlocker(t, null);}public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {if (nanos > 0) {Thread t = Thread.currentThread();setBlocker(t, blocker);unsafe.park(false, nanos);setBlocker(t, null);}}public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {Thread t = Thread.currentThread();setBlocker(t, blocker);unsafe.park(true, deadline);setBlocker(t, null);}public static void park() {unsafe.park(false, 0L);}public static void parkNanos(long nanos) {if (nanos > 0)unsafe.park(false, nanos);}public static void parkUntil(long deadline) {unsafe.park(true, deadline);}
}

4、CAS操作(乐观锁)

首先介绍一下什么是Compare And Swap(CAS)？简单的说就是比较并交换。
CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。” Java并发包(java.util.concurrent)中大量使用了CAS操作,涉及到并发的地方都调用了sun.misc.Unsafe类方法进行CAS操作。
在Unsafe中是通过compareAndSwapXXX方法实现的。

/**
* 比较obj的offset处内存位置中的值和期望的值，如果相同则更新。此更新是不可中断的。
*
* @param obj 需要更新的对象
* @param offset obj中整型field的偏移量
* @param expect 希望field中存在的值
* @param update 如果期望值expect与field的当前值相同，设置filed的值为这个新值
* @return 如果field的值被更改返回true
*/
public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expect, int update);

转载地址:
源码剖析之sun.misc.Unsafe
Java中Unsafe类详解
JAVA并发编程学习笔记之Unsafe类

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