说说Java的Unsafe类

本文主要内容

Unsafe类介绍
Unsafe的主要功能
总结

1、Unsafe类介绍

第一次看到这个类时被它的名字吓到了，居然还有一个类自名Unsafe？读完本文，大家也能发现Unsafe类确实有点不那么安全，它能实现一些不那么常见的功能。

Unsafe类使Java拥有了像C语言的指针一样操作内存空间的能力，同时也带来了指针的问题。过度的使用Unsafe类会使得出错的几率变大，因此Java官方并不建议使用的，官方文档也几乎没有。Oracle正在计划从Java 9中去掉Unsafe类，如果真是如此影响就太大了。

2、Unsafe的主要功能

我们先来看看Unsafe的初始化方法，这是一个单例模式：

private Unsafe() {}
private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();
public static Unsafe getUnsafe() {
    Class cc = sun.reflect.Reflection.getCallerClass(2);
    if (cc.getClassLoader() != null)
        throw new SecurityException("Unsafe");
    return theUnsafe;
}

方法中，限制了它的 ClassLoader，如果这个方法的调用实例不是由Boot ClassLoader加载的，则会报错。可以做一个实验，因为Java源码中的类，除扩展包都是由Boot ClassLoader加载的，如果我们new一个Object对象，查看Object对象的ClassLoader，它一定是null。所以，正常情况下开发者无法直接使用Unsafe ，如果需要使用它，则需要利用反射：

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

从Unsafe的方法入手，发现Unsafe主要有以下几个方面的功能：

操纵对象属性
操纵数组元素
线程挂起与恢复、CAS

我们一项项的分析它。

2.1 操纵对象属性

操纵对象属性，主要落在这个方法上：

public native long objectFieldOffset(Field f);

通过此方法，可以获取对象中某个属性的内存偏移地址，然后可根据偏移地址直接对属性进行修改，属性是否可读都无所谓，都能修改。

Field name = user.getClass().getDeclaredField("name");
long nameOffset = unsafe.objectFieldOffset(name);
unsafe.putObject(user, nameOffset, "jim");

2.2 操作数组元素

操纵数组元素，主要涉及两个接口。

public native int arrayBaseOffset(Class arrayClass);
public native int arrayIndexScale(Class arrayClass);

arrayBaseOffset，获取数组第一个元素的偏移地址。arrayIndexScale，获取数组中元素的增量地址。arrayBaseOffset与arrayIndexScale配合起来使用，就可以定位数组中每个元素在内存中的位置

索引为 i 的元素可以使用如下代码定位：

int baseOffset = unsafe.arrayBaseOffset(array.getClass());
int indexScale = unsafe.arrayIndexScale(array.getClass());
baseOffset + i*indexScale

在ReentrantLock的源码中我又发现了一种新的元素定位方式：

int ssfit = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(indexScale);
(i << ssfit) + baseOffset

查看Integer的源码，发现 numberOfLeadingZeros 方法里注释如下：
floor(log₂(x)) = 31 - numberOfLeadingZeros(x)

如果这是一个int型数组，indexScale 等于4，那么 ssfit 值为2，所以乘以4和向左移2位，结果是一样的。

不过第1种方法比较容易理解。想象下，这是在c语言中，如果已知数组第1个元素指针，每个元素占用的字节数也已知，那么计算其它元素的位置就和第1种方法是一样的。

for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            //unsafe.putInt(array, baseOffset + i*indexScale, i);
            unsafe.putInt(array, (i << ssfit) + baseOffset, i);
        }

所以，通过如上代码就可以更改数组的元素了。

2.3 线程挂起与恢复、CAS

如果我们使用 ReentrantLock 进行多线程开发，当一个线程抢占锁失败时，线程将被挂起，实现线程挂起的正是Unsafe类。

将一个线程进行挂起是通过park方法实现的，调用 park后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中，LockSupport类中有各种版本pack方法，但最终都调用了Unsafe.park()方法。

CAS，一种乐观锁机制，如果对象当前值和期望值一样，那么则将对象的值设置成新值。和悲观锁不一样，它不需要抢占锁，它是一种尝试性的，能有效地提高效率，它的全称是 compareAndSwap ，依赖于硬件的原子操作实现。详细的CAS请参考线程安全一文。

总结

之前也没有想过总结Unsafe类，不过在看 ConcurrentHashMap 源码时，涉及到 ReentrantLock 类，而 ReentrantLock 类中又涉及到了 Unsafe类，所以总结一下，现在全部打通关了，美滋滋。

Unsafe类中，还有一些有意思的方法没有介绍了，比如 allocateInstance，调用此方法可以生成一个新对象，有意思的是，生成新对象时可以避过此对象的构造函数。即使是反射，最后也是要调用对象的构造函数的。所以Unsafe这个能力还是非常有意思的。

多看源码或者说多看代码，不同的代码中体现出的不同思维，真的很能启发人。