Java Unsafe知识点有哪些

2023-06-25 14:06:34 944人浏览安东尼

摘要

本篇内容介绍了“Java Unsafe知识点有哪些”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！sun.misc.Unsafe作用：可以用来

本篇内容介绍了“Java Unsafe知识点有哪些”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

sun.misc.Unsafe

作用：可以用来在任意内存地址位置处读写数据，支持一些CAS原子操作

Java最初被设计为一种安全的受控环境。尽管如此，HotSpot还是包含了一个后门sun.misc.Unsafe，提供了一些可以直接操控内存和线程的底层操作。Unsafe被jdk广泛应用于java.NIO和并发包等实现中，这个不安全的类提供了一个观察HotSpot JVM内部结构并且可以对其进行修改，但是不建议在生产环境中使用

获取Unsafe实例

Unsafe对象不能直接通过new Unsafe()或调用Unsafe.getUnsafe()获取，原因如下：

不能直接new Unsafe()，原因是Unsafe被设计成单例模式，构造方法是私有的；
不能通过调用Unsafe.getUnsafe()获取，因为getUnsafe被设计成只能从引导类加载器(bootstrap class loader)加载

@CallerSensitivepublic static Unsafe getUnsafe() {    Class var0 = Reflection.getCallerClass();    if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {        throw new SecurityException("Unsafe");    } else {        return theUnsafe;    }}

获取实例

//方法一：我们可以令我们的代码“受信任”。运行程序时，使用bootclasspath选项，指定系统类路径加上你使用的一个Unsafe路径java -Xbootclasspath:/usr/jdk1.7.0/jre/lib/rt.jar:. com.mishadoff.magic.UnsafeClient// 方法二static {    try {        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");        field.setAccessible(true);        UNSAFE = (Unsafe) field.get(null);    } catch (Exception e) {    }}

注意：忽略你的IDE。比如：eclipse显示”Access restriction…”错误，但如果你运行代码，它将正常运行。如果这个错误提示令人烦恼，可以通过以下设置来避免：

Preferences -> Java -> Compiler -> Errors/Warnings -> Deprecated and restricted api -> Forbidden reference -> Warning

重点API

allocateInstance(Class<?> var1)不调用构造方法生成对象

User instance = (User) UNSAFE.allocateInstance(User.class);

objectFieldOffset(Field var1)返回成员属性在内存中的地址相对于对象内存地址的偏移量
putLong，putInt，putDouble，putChar，putObject等方法，直接修改内存数据（可以越过访问权限）

package com.quancheng;import sun.misc.Unsafe;import java.lang.reflect.Field;public class CollectionApp {    private static sun.misc.Unsafe UNSAFE;    public static void main(String[] args) {        try {            User instance = (User) UNSAFE.allocateInstance(User.class);            instance.setName("luoyoub");            System.err.println("instance:" + instance);            instance.test();            Field name = instance.getClass().getDeclaredField("name");            UNSAFE.putObject(instance, UNSAFE.objectFieldOffset(name), "huanghui");            instance.test();        } catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        }    }    static {        try {            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");            field.setAccessible(true);            UNSAFE = (Unsafe) field.get(null);        } catch (Exception e) {        }    }}class User {    private String name;    public void setName(String name) {        this.name = name;    }    public void test() {        System.err.println("hello,world" + name);    }}

copyMemory：内存数据拷贝
freeMemory：用于释放allocateMemory和reallocateMemory申请的内存
compareAndSwapInt/compareAndSwapLonGCAS操作
getLongVolatile/putLongVolatile

使用场景

避免初始化

当你想要跳过对象初始化阶段，或绕过构造器的安全检查，或实例化一个没有任何公共构造器的类，allocateInstance方法是非常有用的，使用构造器、反射和unsafe初始化它，将得到不同的结果

public class CollectionApp {    private static sun.misc.Unsafe UNSAFE;    public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, InstantiationException {        A a = new A();        a.test(); // output ==> 1        A a1 = A.class.newInstance();        a1.test(); // output ==> 1        A instance = (A) UNSAFE.allocateInstance(A.class);        instance.test(); // output ==> 0    }    static {        try {            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");            field.setAccessible(true);            UNSAFE = (Unsafe) field.get(null);        } catch (Exception e) {        }    }}class A{    private long a;    public A(){        a = 1;    }    public void test(){        System.err.println("a==>" + a);    }}

内存崩溃(Memory corruption)

Unsafe可用于绕过安全的常用技术，直接修改内存变量；实际上，反射可以实现相同的功能。但值得关注的是，我们可以修改任何对象，甚至没有这些对象的引用

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 corruptionguard.giveAccess(); // true, access granted

注意：我们不必持有这个对象的引用

浅拷贝(Shallow copy)
动态类(Dynamic classes)

我们可以在运行时创建一个类，比如从已编译的.class文件中。将类内容读取为字节数组，并正确地传递给defineClass方法；当你必须动态创建类，而现有代码中有一些代理，这是很有用的

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;}byte[] classContents = getClassContent();Class c = getUnsafe().defineClass(              null, classContents, 0, classContents.length);c.getMethod("a").invoke(c.newInstance(), null); // 1

抛出异常(Throw an Exception)

该方法抛出受检异常，但你的代码不必捕捉或重新抛出它，正如运行时异常一样

getUnsafe().throwException(new IOException());

大数组(Big Arrays)

正如你所知，Java数组大小的最大值为Integer.MAX_VALUE。使用直接内存分配，我们创建的数组大小受限于堆大小；实际上，这是堆外内存（off-heap memory）技术，在java.nio包中部分可用；

这种方式的内存分配不在堆上，且不受GC管理，所以必须小心Unsafe.freeMemory()的使用。它也不执行任何边界检查，所以任何非法访问可能会导致JVM崩溃

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;    }}long SUPER_SIZE = (long)Integer.MAX_VALUE * 2;SuperArray array = new SuperArray(SUPER_SIZE);System.out.println("Array size:" + array.size()); // 4294967294for (int i = 0; i < 100; i++) {    array.set((long)Integer.MAX_VALUE + i, (byte)3);    sum += array.get((long)Integer.MAX_VALUE + i);}System.out.println("Sum of 100 elements:" + sum);  // 300

并发(Concurrency)

几句关于Unsafe的并发性。compareAndSwap方法是原子的，并且可用来实现高性能的、无锁的数据结构

挂起与恢复

定义：

public native void unpark(Thread jthread);  public native void park(boolean isAbsolute, long time); // isAbsolute参数是指明时间是绝对的，还是相对的

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；

unpark函数为线程提供“许可(permit)”，线程调用park函数则等待“许可”。这个有点像信号量，但是这个“许可”是不能叠加的，“许可”是一次性的；比如线程B连续调用了三次unpark函数，当线程A调用park函数就使用掉这个“许可”，如果线程A再次调用park，则进入等待状态，见下例Example1

Example1:// 针对当前线程已经调用过unpark(多次调用unpark的效果和调用一次unpark的效果一样)public static void main(String[] args) throws InterruptedException {    Thread currThread = Thread.currentThread();    UNSAFE.unpark(currThread);    UNSAFE.unpark(currThread);    UNSAFE.unpark(currThread);    UNSAFE.park(false, 0);    UNSAFE.park(false, 0);    System.out.println("SUCCESS!!!");}// 恢复线程interrupt() && UNSAFE.unpark()运行结果一样public static void main(String[] args) throws InterruptedException {    Thread currThread = Thread.currentThread();    new Thread(()->{        try {            Thread.sleep(3000);            System.err.println("sub thread end");            // currThread.interrupt();            UNSAFE.unpark(currThread);        } catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        }    }).start();    UNSAFE.park(false, 0);    System.out.println("SUCCESS!!!");}// 如果是相对时间也就是isAbsolute为false（注意这里后面的单位纳秒）到期的时候，与Thread.sleep效果相同，具体有什么区别有待深入研究//相对时间后面的参数单位是纳秒UNSAFE.park(false, 3000000000l);System.out.println("SUCCESS!!!");long time = System.currentTimeMillis()+3000;//绝对时间后面的参数单位是毫秒UNSAFE.park(true, time);System.out.println("SUCCESS!!!");

注意，unpark函数可以先于park调用。比如线程B调用unpark函数，给线程A发了一个“许可”，那么当线程A调用park时，它发现已经有“许可”了，那么它会马上再继续运行。实际上，park函数即使没有“许可”，有时也会无理由地返回，实际上在SUN Jdk中，object.wait()也有可能被假唤醒；

注意：unpark方法最好不要在调用park前对当前线程调用unpark

Unsafe API

sun.misc.Unsafe类包含105个方法。实际上，对各种实体操作有几组重要方法，其中的一些如下：Info.仅返回一些低级的内存信息addressSizepageSizeObjects.提供用于操作对象及其字段的方法allocateInstance     ##直接获取对象实例objectFieldOffsetClasses.提供用于操作类及其静态字段的方法staticFieldOffsetdefineClassdefineAnonymousClassensureClassInitializedArrays.操作数组arrayBaseOffsetarrayIndexScaleSynchronization.低级的同步原语monitorEntertryMonitorEntermonitorExitcompareAndSwapIntputOrderedIntMemory.直接内存访问方法allocateMemorycopyMemoryfreeMemorygetAddressgetIntputInt

知识点

Unsafe.park()当遇到线程终止时，会直接返回(不同于Thread.sleep，Thread.sleep遇到thread.interrupt()会抛异常)

// Thread.sleep会抛异常public static void main(String[] args) throws InterruptedException {   Thread thread =  new Thread(()->{        try {            System.err.println("sub thread start");            Thread.sleep(10000);            System.err.println("sub thread end");        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    });   thread.start();    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);    thread.interrupt();    System.out.println("SUCCESS!!!");}output==>sub thread startSUCCESS!!!java.lang.InterruptedException: sleep interrupted    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)    at com.quancheng.ConcurrentTest.lambda$main$0(ConcurrentTest.java:13)    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)Process finished with exit code 0public static void main(String[] args) throws InterruptedException {   Thread thread =  new Thread(()->{       System.err.println("sub thread start");       UNSAFE.park(false,0);       System.err.println("sub thread end");    });   thread.start();    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);    UNSAFE.unpark(thread);    System.out.println("SUCCESS!!!");}output==>sub thread startsub thread endSUCCESS!!!Process finished with exit code 0

unpark无法恢复处于sleep中的线程，只能与park配对使用，因为unpark发放的许可只有park能监听到

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {    Thread thread = new Thread(() -> {        try {            System.err.println("sub thread start");            TimeUnit.SECONDS.sleep(10);            System.err.println("sub thread end");        } catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        }    });    thread.start();    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);    UNSAFE.unpark(thread);    System.out.println("SUCCESS!!!");}