Java魔法類：sun.misc.Unsafe
Unsafe類在jdk 源碼的多個類中用到，這個類的提供了一些繞開JVM的更底層功能，基于它的實(shí)現(xiàn)可以提高效率。但是，它是一把雙刃劍：正如它的名字所預(yù)示的那樣，它是Unsafe的，它所分配的內(nèi)存需要手動free（不被GC回收）。Unsafe類，提供了JNI某些功能的簡單替代：確保高效性的同時，使事情變得更簡單。
這篇文章主要是以下文章的整理、翻譯。
http://mishadoff.com/blog/java-magic-part-4-sun-dot-misc-dot-unsafe/
1. Unsafe API的大部分方法都是native實(shí)現(xiàn)，它由105個方法組成，主要包括以下幾類：
（1）Info相關(guān)。主要返回某些低級別的內(nèi)存信息：addressSize(), pageSize()
（2）Objects相關(guān)。主要提供Object和它的域操縱方法：allocateInstance(),objectFieldOffset()
（3）Class相關(guān)。主要提供Class和它的靜態(tài)域操縱方法：staticFieldOffset(),defineClass(),defineAnonymousClass(),ensureClassInitialized()
（4）Arrays相關(guān)。數(shù)組操縱方法：arrayBaseOffset(),arrayIndexScale()
（5）Synchronization相關(guān)。主要提供低級別同步原語（如基于CPU的CAS（Compare-And-Swap）原語）：monitorEnter(),tryMonitorEnter(),monitorExit(),compareAndSwapInt(),putOrderedInt()
（6）Memory相關(guān)。直接內(nèi)存訪問方法（繞過JVM堆直接操縱本地內(nèi)存）：allocateMemory(),copyMemory(),freeMemory(),getAddress(),getInt(),putInt()
2. Unsafe類實(shí)例的獲取
Unsafe類設(shè)計(jì)只提供給JVM信任的啟動類加載器所使用，是一個典型的單例模式類。它的實(shí)例獲取方法如下：
public static Unsafe getUnsafe() { Class cc = sun.reflect.Reflection.getCallerClass(2); if (cc.getClassLoader() != null) throw new SecurityException("Unsafe"); return theUnsafe; }
非啟動類加載器直接調(diào)用Unsafe.getUnsafe()方法會拋出SecurityException（具體原因涉及JVM類的雙親加載機(jī)制）。
解決辦法有兩個，其一是通過JVM參數(shù)-Xbootclasspath指定要使用的類為啟動類，另外一個辦法就是java反射了。
Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); f.setAccessible(true); Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);
通過將private單例實(shí)例暴力設(shè)置accessible為true，然后通過Field的get方法，直接獲取一個Object強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為Unsafe。在IDE中，這些方法會被標(biāo)志為Error，可以通過以下設(shè)置解決：
Preferences -> Java -> Compiler -> Errors/Warnings ->
Deprecated and restricted API -> Forbidden reference -> Warning
3. Unsafe類“有趣”的應(yīng)用場景
（1）繞過類初始化方法。當(dāng)你想要繞過對象構(gòu)造方法、安全檢查器或者沒有public的構(gòu)造方法時，allocateInstance()方法變得非常有用。
class A { private long a; // not initialized value public A() { this.a = 1; // initialization } public long a() { return this.a; } }
以下是構(gòu)造方法、反射方法和allocateInstance()的對照
A o1 = new A(); // constructor o1.a(); // prints 1 A o2 = A.class.newInstance(); // reflection o2.a(); // prints 1 A o3 = (A) unsafe.allocateInstance(A.class); // unsafe o3.a(); // prints 0
allocateInstance()根本沒有進(jìn)入構(gòu)造方法，在單例模式時，我們似乎看到了危機(jī)。
（2）內(nèi)存修改
內(nèi)存修改在c語言中是比較常見的，在Java中，可以用它繞過安全檢查器。
考慮以下簡單準(zhǔn)入檢查規(guī)則：
class Guard { private int ACCESS_ALLOWED = 1; public boolean giveAccess() { return 42 == ACCESS_ALLOWED; } }
在正常情況下，giveAccess總會返回false，但事情不總是這樣
Guard guard = new Guard(); guard.giveAccess(); // false, no access // bypass Unsafe unsafe = getUnsafe(); Field f = guard.getClass().getDeclaredField("ACCESS_ALLOWED"); unsafe.putInt(guard, unsafe.objectFieldOffset(f), 42); // memory corruption guard.giveAccess(); // true, access granted
通過計(jì)算內(nèi)存偏移，并使用putInt()方法，類的ACCESS_ALLOWED被修改。在已知類結(jié)構(gòu)的時候，數(shù)據(jù)的偏移總是可以計(jì)算出來（與c++中的類中數(shù)據(jù)的偏移計(jì)算是一致的）。
（3）實(shí)現(xiàn)類似C語言的sizeOf()函數(shù)
通過結(jié)合Java反射和objectFieldOffset()函數(shù)實(shí)現(xiàn)一個C-like sizeOf()函數(shù)。
public static long sizeOf(Object o) { Unsafe u = getUnsafe(); HashSet fields = new HashSet(); Class c = o.getClass(); while (c != Object.class) { for (Field f : c.getDeclaredFields()) { if ((f.getModifiers() & Modifier.STATIC) == 0) { fields.add(f); } } c = c.getSuperclass(); } // get offset long maxSize = 0; for (Field f : fields) { long offset = u.objectFieldOffset(f); if (offset > maxSize) { maxSize = offset; } } return ((maxSize/8) + 1) * 8; // padding }
算法的思路非常清晰：從底層子類開始，依次取出它自己和它的所有超類的非靜態(tài)域，放置到一個HashSet中（重復(fù)的只計(jì)算一次，Java是單繼承），然后使用objectFieldOffset()獲得一個最大偏移，最后還考慮了對齊。
在32位的JVM中，可以通過讀取class文件偏移為12的long來獲取size。
public static long sizeOf(Object object){ return getUnsafe().getAddress( normalize(getUnsafe().getInt(object, 4L)) + 12L); }
其中normalize()函數(shù)是一個將有符號int轉(zhuǎn)為無符號long的方法
private static long normalize(int value) { if(value >= 0) return value; return (0L >>> 32) & value; }
兩個sizeOf()計(jì)算的類的尺寸是一致的。最標(biāo)準(zhǔn)的sizeOf()實(shí)現(xiàn)是使用java.lang.instrument，但是，它需要指定命令行參數(shù)-javaagent。
（4）實(shí)現(xiàn)Java淺復(fù)制
標(biāo)準(zhǔn)的淺復(fù)制方案是實(shí)現(xiàn)Cloneable接口或者自己實(shí)現(xiàn)的復(fù)制函數(shù)，它們都不是多用途的函數(shù)。通過結(jié)合sizeOf()方法，可以實(shí)現(xiàn)淺復(fù)制。
static Object shallowCopy(Object obj) { long size = sizeOf(obj); long start = toAddress(obj); long address = getUnsafe().allocateMemory(size); getUnsafe().copyMemory(start, address, size); return fromAddress(address); }
以下的toAddress()和fromAddress()分別將對象轉(zhuǎn)換到它的地址以及相反操作。
static long toAddress(Object obj) { Object[] array = new Object[] {obj}; long baseOffset = getUnsafe().arrayBaseOffset(Object[].class); return normalize(getUnsafe().getInt(array, baseOffset)); } static Object fromAddress(long address) { Object[] array = new Object[] {null}; long baseOffset = getUnsafe().arrayBaseOffset(Object[].class); getUnsafe().putLong(array, baseOffset, address); return array[0]; }
以上的淺復(fù)制函數(shù)可以應(yīng)用于任意java對象，它的尺寸是動態(tài)計(jì)算的。
（5）消去內(nèi)存中的密碼
密碼字段存儲在String中，但是，String的回收是受到JVM管理的。最安全的做法是，在密碼字段使用完之后，將它的值覆蓋。
Field stringValue = String.class.getDeclaredField("value"); stringValue.setAccessible(true); char[] mem = (char[]) stringValue.get(password); for (int i=0; i < mem.length; i++) { mem[i] = '?'; }
（6）動態(tài)加載類
標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)加載類的方法是Class.forName()(在編寫jdbc程序時，記憶深刻)，使用Unsafe也可以動態(tài)加載java 的class文件。
byte[] classContents = getClassContent(); Class c = getUnsafe().defineClass( null, classContents, 0, classContents.length); c.getMethod("a").invoke(c.newInstance(), null); // 1 getClassContent()方法，將一個class文件，讀取到一個byte數(shù)組。 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; }
動態(tài)加載、代理、切片等功能中可以應(yīng)用。
（7）包裝受檢異常為運(yùn)行時異常。
getUnsafe().throwException(new IOException());
當(dāng)你不希望捕獲受檢異常時，可以這樣做（并不推薦）。
（8）快速序列化
標(biāo)準(zhǔn)的java Serializable速度很慢，它還限制類必須有public無參構(gòu)造函數(shù)。Externalizable好些，它需要為要序列化的類指定模式。流行的高效序列化庫，比如kryo依賴于第三方庫，會增加內(nèi)存的消耗。可以通過getInt(),getLong(),getObject()等方法獲取類中的域的實(shí)際值，將類名稱等信息一起持久化到文件。kryo有使用Unsafe的嘗試，但是沒有具體的性能提升的數(shù)據(jù)。（http://code.google.com/p/kryo/issues/detail?id=75）
（9）在非Java堆中分配內(nèi)存
使用java 的new會在堆中為對象分配內(nèi)存，并且對象的生命周期內(nèi)，會被JVM GC管理。
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; } }
Unsafe分配的內(nèi)存，不受Integer.MAX_VALUE的限制，并且分配在非堆內(nèi)存，使用它時，需要非常謹(jǐn)慎：忘記手動回收時，會產(chǎn)生內(nèi)存泄露；非法的地址訪問時，會導(dǎo)致JVM崩潰。在需要分配大的連續(xù)區(qū)域、實(shí)時編程（不能容忍JVM延遲）時，可以使用它。java.nio使用這一技術(shù)。
（10）Java并發(fā)中的應(yīng)用
通過使用Unsafe.compareAndSwap()可以用來實(shí)現(xiàn)高效的無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
class CASCounter implements Counter { private volatile long counter = 0; private Unsafe unsafe; private long offset; public CASCounter() throws Exception { unsafe = getUnsafe(); offset = unsafe.objectFieldOffset(CASCounter.class.getDeclaredField("counter")); } @Override public void increment() { long before = counter; while (!unsafe.compareAndSwapLong(this, offset, before, before + 1)) { before = counter; } } @Override public long getCounter() { return counter; } }
通過測試，以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與java的原子變量的效率基本一致，Java原子變量也使用Unsafe的compareAndSwap()方法，而這個方法最終會對應(yīng)到cpu的對應(yīng)原語，因此，它的效率非常高。這里有一個實(shí)現(xiàn)無鎖HashMap的方案（http://www.azulsystems.com/about_us/presentations/lock-free-hash ，這個方案的思路是：分析各個狀態(tài)，創(chuàng)建拷貝，修改拷貝，使用CAS原語，自旋鎖），在普通的服務(wù)器機(jī)器（核心<32），使用ConcurrentHashMap（JDK8以前，默認(rèn)16路分離鎖實(shí)現(xiàn)，JDK8中ConcurrentHashMap已經(jīng)使用無鎖實(shí)現(xiàn)）明顯已經(jīng)夠用。
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