JavaUnsafeの使用方法

少し前に、JUCのソースコードを見たので、安全でない操作がたくさんあるので、見てみました。まとめてメモを書いてください。

Unsafeは、ハードウェアリソースを直接操作するのに役立ちます。もちろん、java jitを使用して実行されます。安全ではないため、公式には推奨されません。たとえば、unsafeを使用して超大規模な配列を作成しますが、この配列はjvmです。管理されていません。自分で操作することしかできず、簡単に操作でき、リソースのリサイクルに役立ちません。

さて、以下のコードを見てみましょう、

安全でないインスタンスを取得する

1.安全でなくなる

//1.最简单的使用方式是基于反射获取Unsafe实例
Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);

2.安全でなくなる

private static Unsafe unsafe = null;
private static Field getUnsafe = null;
 
static {
    try {
        getUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        getUnsafe.setAccessible(true);
        unsafe = (Unsafe) getUnsafe.get(null);
    } catch (NoSuchFieldException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (IllegalAccessException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

unfaseの許可が含まれているため、満足している限り、unfaseインスタンスを取得できます。したがって、このメソッドを使用して取得することしかできません。そうしないと、異常になります。

理由：

Unsafeクラスは最終的なものであり、継承を許可しません。
コンストラクターはプライベートであり、newInstanceを使用して取得することはできません
。ps：ソースコードのgetUnsafeは静的関数ですが、クラスローダーがBootstrap ClassLoaderでない場合、SecurityExceptionが発生することがわかるため、このメソッドを使用してインスタンスを取得することはできません。スローされます。

private Unsafe() {}

    private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();

    @CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
        if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader()))
            throw new SecurityException("Unsafe");
        return theUnsafe;
    }

操作方法：

/**
 * 操作数组:
 * 可以获取数组的在内容中的基本偏移量（arrayBaseOffset），获取数组内元素的间隔（比例），
 * 根据数组对象和偏移量获取元素值（getObject），设置数组元素值（putObject），示例如下。
 */
String[] strings = new String[]{"1", "2", "3"};
long i = unsafe.arrayBaseOffset(String[].class);
System.out.println("string[] base offset is :" + i);
 
//every index scale
long scale = unsafe.arrayIndexScale(String[].class);
System.out.println("string[] index scale is " + scale);
 
//print first string in strings[]
System.out.println("first element is :" + unsafe.getObject(strings, i));
 
//set 100 to first string
unsafe.putObject(strings, i + scale * 0, "100");
 
//print first string in strings[] again
System.out.println("after set ,first element is :" + unsafe.getObject(strings, i + scale * 0));

/**
 * 对象操作
 * 实例化Data
 *
 * 可以通过类的class对象创建类对象（allocateInstance），获取对象属性的偏移量（objectFieldOffset）
 * ，通过偏移量设置对象的值（putObject）
 *
 * 对象的反序列化
 * 当使用框架反序列化或者构建对象时，会假设从已存在的对象中重建，你期望使用反射来调用类的设置函数，
 * 或者更准确一点是能直接设置内部字段甚至是final字段的函数。问题是你想创建一个对象的实例，
 * 但你实际上又不需要构造函数，因为它可能会使问题更加困难而且会有副作用。
 *
 */
//调用allocateInstance函数避免了在我们不需要构造函数的时候却调用它
Data data = (Data) unsafe.allocateInstance(Data.class);
data.setId(1L);
data.setName("unsafe");
System.out.println(data);
 
//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
Field nameField = Data.class.getDeclaredField("name");
long fieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(nameField);
//putLong，putInt，putDouble，putChar，putObject等方法，直接修改内存数据（可以越过访问权限）
unsafe.putObject(data,fieldOffset,"这是新的值");
System.out.println(data.getName());
 
 
/**
 * 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
 */
File file = new File("C:\\workspace\\idea2\\disruptor\\target\\classes\\com\\onyx\\distruptor\\test\\Data.class");
FileInputStream input = new FileInputStream(file);
byte[] content = new byte[(int)file.length()];
input.read(content);
Class c = unsafe.defineClass(null, content, 0, content.length,null,null);
c.getMethod("getId").invoke(c.newInstance(), null);
 
 
 
/**
 * 内存操作
 * 可以在Java内存区域中分配内存（allocateMemory），设置内存（setMemory，用于初始化），
 * 在指定的内存位置中设置值（putInt\putBoolean\putDouble等基本类型）
 */
//分配一个8byte的内存
long address = unsafe.allocateMemory(8L);
//初始化内存填充1
unsafe.setMemory(address, 8L, (byte) 1);
//测试输出
System.out.println("add byte to memory:" + unsafe.getInt(address));
//设置0-3 4个byte为0x7fffffff
unsafe.putInt(address, 0x7fffffff);
//设置4-7 4个byte为0x80000000
unsafe.putInt(address + 4, 0x80000000);
//int占用4byte
System.out.println("add byte to memory:" + unsafe.getInt(address));
System.out.println("add byte to memory:" + unsafe.getInt(address + 4));

/**
 * CAS操作
 * Compare And Swap（比较并交换），当需要改变的值为期望的值时，那么就替换它为新的值，是原子
 * （不可在分割）的操作。很多并发框架底层都用到了CAS操作，CAS操作优势是无锁，可以减少线程切换耗费
 * 的时间，但CAS经常失败运行容易引起性能问题，也存在ABA问题。在Unsafe中包含compareAndSwapObject、
 * compareAndSwapInt、compareAndSwapLong三个方法，compareAndSwapInt的简单示例如下。
 */
Data data = new Data();
data.setId(1L);
Field id = data.getClass().getDeclaredField("id");
long l = unsafe.objectFieldOffset(id);
id.setAccessible(true);
//比较并交换，比如id的值如果是所期望的值1，那么就替换为2，否则不做处理
unsafe.compareAndSwapLong(data,1L,1L,2L);
System.out.println(data.getId());

/**
 * 常量获取
 *
 * 可以获取地址大小（addressSize），页大小（pageSize），基本类型数组的偏移量
 * （Unsafe.ARRAY_INT_BASE_OFFSET\Unsafe.ARRAY_BOOLEAN_BASE_OFFSET等）、
 * 基本类型数组内元素的间隔（Unsafe.ARRAY_INT_INDEX_SCALE\Unsafe.ARRAY_BOOLEAN_INDEX_SCALE等）
 */
//get os address size
System.out.println("address size is :" + unsafe.addressSize());
//get os page size
System.out.println("page size is :" + unsafe.pageSize());
//int array base offset
System.out.println("unsafe array int base offset:" + Unsafe.ARRAY_INT_BASE_OFFSET);
 
 
 
/**
 * 线程许可
 * 许可线程通过（park），或者让线程等待许可(unpark)，
 */
Thread packThread = new Thread(() -> {
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    //纳秒，相对时间park
    unsafe.park(false,3000000000L);
    //毫秒，绝对时间park
    //unsafe.park(true,System.currentTimeMillis()+3000);
 
    System.out.println("main thread end,cost :"+(System.currentTimeMillis()-startTime)+"ms");
});
packThread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
//注释掉下一行后，线程3秒数后进行输出,否则在1秒后输出
unsafe.unpark(packThread);

/**
 * 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
 */
public class SuperArray {
 
    private static Unsafe unsafe = null;
    private static Field getUnsafe = null;
 
    static {
        try {
            getUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            getUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) getUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
 
    private final static int BYTE = 1;
 
    private long size;
    private long address;
 
    public SuperArray(long size) {
        this.size = size;
        address = unsafe.allocateMemory(size * BYTE);
    }
 
    public void set(long i, byte value) {
        unsafe.putByte(address + i * BYTE, value);
    }
 
    public int get(long idx) {
        return unsafe.getByte(address + idx * BYTE);
    }
 
    public long size() {
        return size;
    }
 
 
    public static void main(String[] args) {
        long SUPER_SIZE = (long)Integer.MAX_VALUE * 2;
        SuperArray array = new SuperArray(SUPER_SIZE);
        System.out.println("Array size:" + array.size()); // 4294967294
        int sum=0;
        for (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);
    }
 
 
 
}

安全でないインスタンスを取得する

操作方法：

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