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、軟件基礎設施、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)編程相關類的源碼時，看到Unsafe類，產生了一個疑惑：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，一般應用開發(fā)者不會也不應該用到此類。
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)編程等相關的知識，還是非常有必要學習和了解的。
Unsafe的構造
Unsafe類是"final"的，不允許繼承，且構造函數(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，如果是普通的調用會拋出一個SecurityException異常。只有由主類加載器加載的類才能調用這個方法。
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：
下面挑選重要的功能進行講解。
一、內存管理
Unsafe的內存管理功能主要包括：普通讀寫、volatile讀寫、有序寫入、直接操作內存等分配內存與釋放內存的功能。
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。
有序寫入
有序寫入只保證寫入的有序性，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。
直接操作內存
Unsafe提供了直接操作內存的能力：
//?分配內存
public?native?long?allocateMemory(long?var1);
//?重新分配內存
public?native?long?reallocateMemory(long?var1,?long?var3);
//?內存初始化
public?native?void?setMemory(long?var1,?long?var3,?byte?var5);
//?內存復制
public?native?void?copyMemory(Object?var1,?long?var2,?Object?var4,?long?var5,?long?var7);
//?清除內存
public?native?void?freeMemory(long?var1);
對應操作內存，也提供了一些獲取內存信息的方法：
//?獲取內存地址
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，且無需調用構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，能夠重建和設置final字段，而不需要調用構造方法。
//?直接生成對象實例，不會調用這個實例的構造方法
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);
//?保證已經初始化過一個類
public?native?void?ensureClassInitialized(Class?var1);
四、偏移量相關
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存。
六、線程調度
線程調度相關方法如下：
//?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中有廣泛的應用，ConcurrentHashMap，ConcurrentLinkedQueue中都有用到CAS來實現(xiàn)樂觀鎖。
八、內存屏障
JDK8新引入了用于定義內存屏障、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完成
public?native?void?loadFence();
//?保證在這個屏障之前的所有寫操作都已經完成
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，當我們調用getAndIncrement、getAndDecrement等方法時，本質上調用的就是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，結合應用場景進行分析，即可大概了解其功能。
小結
經過本文的分析，想必大家在閱讀源碼時，再遇到Unsafe類的調用，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。
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