【揭秘】JUC并發工具包底層機制探究，Unsafe原來這么強大！

作者：xg 2023-10-05 11:12:06

在程序中過度、不正確使用Unsafe類會使得程序出錯的概率變大，使得Java這種安全的語言變得不再“安全”，因此對Unsafe的使用一定要慎重。java.util.concurrent.atomic包下的原子操作類，基本都是使用Unsafe實現的。

Unsafe介紹

Unsafe是位于sun.misc包下的一個類，主要提供一些用于執行低級別、不安全操作的方法，如直接訪問系統內存資源、自主管理內存資源等，這些方法在提升Java運行效率、增強Java語言底層資源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe類使得Java語言擁有了類似C語言指針一樣操作內存空間的能力，這無疑也增加了程序發生相關指針問題的風險。在程序中過度、不正確使用Unsafe類會使得程序出錯的概率變大，使得Java這種安全的語言變得不再“安全”，因此對Unsafe的使用一定要慎重。java.util.concurrent.atomic包下的原子操作類，基本都是使用Unsafe實現的。

Unsafe提供的API大致可分為內存操作、CAS、Class、對象操作、線程、系統信息獲取、內存屏障、數組操作等幾類。

內存相關

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CAS相關

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java.util.concurrent.atomic包中的原子類基本都用的Unsafe

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
  try {
    valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
  } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
public final int getAndSet(int newValue) {
  return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}

線程相關

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LockSupport類中有應用unpark，park

public static void park(Object blocker) {
  Thread t = Thread.currentThread();
  setBlocker(t, blocker);
  UNSAFE.park(false, 0L);
  setBlocker(t, null);
}

public static void unpark(Thread thread) {
  if (thread != null)
    UNSAFE.unpark(thread);
}

Class相關

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對象操作相關

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系統相關

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內存屏障

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loadFence：保證在這個屏障之前的所有讀操作都已經完成。
storeFence：保證在這個屏障之前的所有寫操作都已經完成。fullFence：保證在這個屏障之前的所有讀寫操作都已經完成。

在java8中有這個StampedLock類，該類中應用了內存屏障功能。

private static final sun.misc.Unsafe U;
static {
  try {
    U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
  } catch (Exception e) {
    throw new Error(e);
  }
}
public boolean validate(long stamp) {
  U.loadFence();
  return (stamp & SBITS) == (state & SBITS);
}

Unsafe.java

public final class Unsafe {


  private static native void registerNatives();
  static {
    registerNatives();
    sun.reflect.Reflection.registerMethodsToFilter(Unsafe.class, "getUnsafe");
  }


  private Unsafe() {}


  private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();
  // ...
}

獲取Unsafe實例

Unsafe類是final且是單例的，并且theUnsafe字段是private；通過如下方法獲取實例。

方法1

Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe") ;
theUnsafe.setAccessible(true) ;
Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null) ;

方法2

private static Unsafe unsafe = null ;


static {
  try {
    Constructor<Unsafe> cons = Unsafe.class.getDeclaredConstructor() ;
    cons.setAccessible(true) ;
    unsafe = cons.newInstance() ;
  } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
  }
}

Unsafe簡單應用

int i = 0 ;


public static void main(String[] args) throws Exception {
  UnsafeDemo d = new UnsafeDemo() ;
  // 獲取Unsafe實例
  Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe") ;
  theUnsafe.setAccessible(true) ;
  Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null) ;
  // 獲取類的實例變量
  Field f = UnsafeDemo.class.getDeclaredField("i") ;
  // 獲取字段相對Java對象的"起始地址"的偏移量
  long fieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(f) ;
  System.out.println(fieldOffset) ;
  // 設置值
  boolean success = unsafe.compareAndSwapInt(d, fieldOffset, 0, 10) ;
  System.out.println(success) ;
  System.out.println(d.i) ;
}

Unsafe對象操作

private static Unsafe unsafe = null ;


static {
try {
    Constructor<Unsafe> cons = Unsafe.class.getDeclaredConstructor() ;
    cons.setAccessible(true) ;
    unsafe = cons.newInstance() ;
  } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
  }
}
public static void allocate() {
  try {
    Person p = (Person)unsafe.allocateInstance(Person.class) ;
    p.setId("s001");
    System.out.println(p.getValue()) ;
    System.out.println(p.getId()) ;
  } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
  }
}

執行結果：

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對象操作2：

private Person p = new Person("1", "張三") ;


public static void main(String[] args) throws Exception {
  UnSafeObjectDemo d = new UnSafeObjectDemo() ;
  Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe") ;
  field.setAccessible(true) ;
  Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null) ;
  Field f = d.getClass().getDeclaredField("p") ;
  long offset = unsafe.objectFieldOffset(f) ;
  System.out.println(offset) ;
  boolean res = unsafe.compareAndSwapObject(d, offset, d.p, new Person("2", "李四")) ;
  System.out.println(res) ;
  System.out.println(d.p.getName()) ;
}

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Unsafe創建對象

當不知道即將使用的對象有何構造函數，或是不想使用現有對象的構造函數創建對象時，可以通過如下方式：

Constructor<Teacher> cons = (Constructor<Teacher>) ReflectionFactory
    .getReflectionFactory()
    .newConstructorForSerialization(Teacher.class, Object.class.getConstructor());
cons.setAccessible(true) ;
Teacher t = cons.newInstance() ;
System.out.println(t) ;

Unsafe簡單實現原子操作類

public class AtomicCount {


  private static Unsafe unsafe ;


  private int value ;
  private static long valueOffset ;


  static {
    try {
      Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe") ;
      theUnsafe.setAccessible(true) ;
      unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null) ;


      Field f = AtomicCount.class.getDeclaredField("value") ;
      valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(f) ;
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }


  public AtomicCount(int value) {
    this.value = value ;
  }


  public final int get() {
    return value;
  }


  public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
  }


}

完畢！！！

責任編輯：武曉燕來源： Spring全家桶實戰案例源碼