JUC基石——Unsafe类
前言
我们经常在JUC包下的ConcurrentHashMap、Atomic开头的原子操作类、AQS以及LockSupport里面看到Unsafe类的身影,这个Unsafe类究竟是干什么的,本文可以带着读者一探究竟。
Java和C++、C语言的一个重要区别,就是Java中我们无法直接操作一块内存区域,而在C++、C中却可以自己申请内存和释放内存。Unsafe类的设计,为我们提供了手动管理内存的能力。
如同它的名字一样,它被认定为不安全的。直接操纵内存,意味着实例化出来的对象不会受到JVM的管理,不会被GC,需要手动进行回收,容易出现内存泄露的问题。因此,官方并不建议我们在自己的应用程序中使用该类。
构造方法
public final class Unsafe {private static final Unsafe theUnsafe;private Unsafe() {}@CallerSensitivepublic static Unsafe getUnsafe() {Class var0 = Reflection.getCallerClass();if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {throw new SecurityException("Unsafe");} else {return theUnsafe;}}//其他方法
}
可以看得出来,该类被final修饰,不允许被继承。构造方法是私有的,在外部不可被实例化。(关于final更多的作用,可以移步这篇文章关键词final的作用)
但在内部提供了一个获取单例的getUnsafe()方法,不过该方法做了限制。如果是普通调用的话,它会抛出一个SecurityException异常。只有由系统类加载器(BootStrap classLoader)加载的类才可以调用这个类中的方法。
如果var0由系统类加载器加载的话,那么var0.getClassLoader()会返回null,VM.isSystemDomainLoader(null)则直接返回true,此时便不会抛出SecurityException异常。
当然,也不是无法获取到Unsafe类的实例,我们在文章最后会通过反射来获取。
获取偏移量
public native long staticFieldOffset(Field var1);public native long objectFieldOffset(Field var1);
- staticFieldOffset用于获取某一个静态属性在对象地址中的偏移量
- objectFieldOffset用于获取某一个非静态属性在对象实例地址中的偏移量
偏移量这个名词在Unsafe类中十分重要,该类中80%的方法都需要依赖这个偏移量。
分配、释放内存等
//分配内存public native long allocateMemory(long var1);//扩展或重新分配内存public native long reallocateMemory(long var1, long var3);//内存初始化public native void setMemory(Object var1, long var2, long var4, byte var6);//内存复制public native void copyMemory(Object var1, long var2, Object var4, long var5, long var7);//释放内存public native void freeMemory(long var1);//创建对象实例并返回该实例public native Object allocateInstance(Class<?> var1) throws InstantiationException;
其中allocateMemory()、reallocateMemory()、freeMemory()分别用于分配内存,扩展或重新分配内存和释放内存,与C语言中 malloc()、realloc()、free()对应。
allocateInstance()方法会通过Class对象创建一个类的实例,且不需要调用其构造函数、初始化代码、JVM安全检查等等。
普通读写
public native int getInt(long var1);public native void putInt(long var1, int var3);
- getInt() 在指定内存地址var1处读取一个int
- putInt() 在指定内存地址var1处写入一个新int类型的数据var3
普通的读写,无法保证有序性与可见性。关于可见性,可以先移步到我的另外一篇文章多线程之内存可见性
volatile读写
public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);public native void putIntVolatile(Object var1, long var2, int var4);
- getIntVolatile 在对象var1的指定偏移处var2读取一个int
- putIntVolatie 在对象var1的指定偏移处var2写入一个int类型的数据var4
volatie能够保证有序性以及可见性,volatie保证有序性的一个实例,可以参考我的另外一篇文章浅说Synchronized中使用synchronized与volatie实现单例模式中双重检验锁的部分。
CAS操作
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
以compareAndSwapInt为例,在对象var1指定偏移量var2处读取一个int值real,如果var4=real,则用var5更新这个real,并返回true,否则返回false。
CAS用于实现乐观锁,每次更新时,都假设不会有其他线程并发修改,而只是在修改的时候判断该值是否被修改过。如果符合预期的值,则直接更新它,否则进入忙循环中,一直判断是否符合期望。在循环次数少便可以直接更新值的情况下,CAS机制比悲观锁拥有更好的性能。当然,如果循环次数过多,也是会白白浪费CPU资源。
synchronized就是一中悲观锁的实现,关于synchronized原理,可以移步我的另外一篇文章Synchronized的优化
关于CAS机制的详细介绍,我会另开篇幅。
线程调度
public native void park(boolean var1, long var2);public native void unpark(Object var1);
- park() 用于阻塞当前线程,如果var1=true,则var2的单位为毫秒,否则为纳秒。
- unpark() 用于恢复一个之前被park的线程var1
LockSupport里面的park()与unpark()方法内部正是通过以上两个本地方法来实现的。
内存屏障
public native void loadFence();public native void storeFence();public native void fullFence();
- loadFence 保证在这个屏障之前,所有的读操作全部完成。这里的load对应于从局部变量表中读取某个位置上的元素到栈顶
- storeFence 保证在这个屏障之前,所有的写操作全部完成。这里的store对应于从栈顶出栈某个元素保存到局部变量表的某个位置上
- fullFence 保证在这个屏障之前,所有的读写操作全部完成,相当于load+store
反射获取Unsafe实例
package com.yang.testUnsafe;import sun.misc.Unsafe;import java.lang.reflect.Field;public class Main {static class Student {private String name;private int age;public Student() {System.out.println("通过构造方法");}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public int getAge() {return age;}public void setAge(int age) {this.age = age;}}public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException, InstantiationException {//1.获取Unsafe类的实例//但无法通过Unsafe.getUnsafe(),由于Main类不是系统类加载器加载,因此会抛出SecurityException异常//Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");theUnsafe.setAccessible(true);Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);//2.为Student对象分配内存//该方法不需要调用构造方法Student student = (Student) unsafe.allocateInstance(Student.class);//3.获取student实例中age属性的偏移量Field age = student.getClass().getDeclaredField("age");long ageOffset = unsafe.objectFieldOffset(age);//4.利用CAS操作,当age=0时,将age变为1boolean casResult = unsafe.compareAndSwapInt(student, ageOffset, 0, 1);System.out.println(casResult);//输出trueSystem.out.println(student.getAge());//输出1}
}
总结
使用Unsafe类直接操纵内存,意味着速度更快,效率更高,但也更加危险。之前盛传Unsafe类将在Java9中移除,一时间风波四起,具体的文章可以参考这篇Java 9中将移除 Sun.misc.Unsafe(译)。
但其实Java9出现之后,只是对其进行了改进和优化,不过依然是不推荐开发者使用Unsafe类。
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