摘要：典型應(yīng)用鎖和同步器框架的核心類，就是通過調(diào)用和實現(xiàn)線程的阻塞和喚醒的，而的方法實際是調(diào)用的方式來實現(xiàn)。

Unsafe是位于sun.misc包下的一個類，主要提供一些用于執(zhí)行低級別、不安全操作的方法，如直接訪問系統(tǒng)內(nèi)存資源、自主管理內(nèi)存資源等，這些方法在提升Java運(yùn)行效率、增強(qiáng)Java語言底層資源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe類使Java語言擁有了類似C語言指針一樣操作內(nèi)存空間的能力，這無疑也增加了程序發(fā)生相關(guān)指針問題的風(fēng)險。在程序中過度、不正確使用Unsafe類會使得程序出錯的概率變大，使得Java這種安全的語言變得不再“安全”，因此對Unsafe的使用一定要慎重。

注：本文對sun.misc.Unsafe公共API功能及相關(guān)應(yīng)用場景進(jìn)行介紹。

如下Unsafe源碼所示，Unsafe類為一單例實現(xiàn)，提供靜態(tài)方法getUnsafe獲取Unsafe實例，當(dāng)且僅當(dāng)調(diào)用getUnsafe方法的類為引導(dǎo)類加載器所加載時才合法，否則拋出SecurityException異常。

public final class Unsafe {
  // 單例對象
  private static final Unsafe theUnsafe;

  private Unsafe() {
  }
  @CallerSensitive
  public static Unsafe getUnsafe() {
    Class var0 = Reflection.getCallerClass();
    // 僅在引導(dǎo)類加載器`BootstrapClassLoader`加載時才合法
    if(!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {    
      throw new SecurityException("Unsafe");
    } else {
      return theUnsafe;
    }
  }
}

那如若想使用這個類，該如何獲取其實例？有如下兩個可行方案。

其一，從getUnsafe方法的使用限制條件出發(fā)，通過Java命令行命令-Xbootclasspath/a把調(diào)用Unsafe相關(guān)方法的類A所在jar包路徑追加到默認(rèn)的bootstrap路徑中，使得A被引導(dǎo)類加載器加載，從而通過Unsafe.getUnsafe方法安全的獲取Unsafe實例。

java -Xbootclasspath/a: ${path}   // 其中path為調(diào)用Unsafe相關(guān)方法的類所在jar包路徑 

其二，通過反射獲取單例對象theUnsafe。

private static Unsafe reflectGetUnsafe() {
    try {
      Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
      field.setAccessible(true);
      return (Unsafe) field.get(null);
    } catch (Exception e) {
      log.error(e.getMessage(), e);
      return null;
    }
}

如上圖所示，Unsafe提供的API大致可分為內(nèi)存操作、CAS、Class相關(guān)、對象操作、線程調(diào)度、系統(tǒng)信息獲取、內(nèi)存屏障、數(shù)組操作等幾類，下面將對其相關(guān)方法和應(yīng)用場景進(jìn)行詳細(xì)介紹。

這部分主要包含堆外內(nèi)存的分配、拷貝、釋放、給定地址值操作等方法。

//分配內(nèi)存, 相當(dāng)于C++的malloc函數(shù)
public native long allocateMemory(long bytes);
//擴(kuò)充內(nèi)存
public native long reallocateMemory(long address, long bytes);
//釋放內(nèi)存
public native void freeMemory(long address);
//在給定的內(nèi)存塊中設(shè)置值
public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);
//內(nèi)存拷貝
public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset, Object destBase, long destOffset, long bytes);
//獲取給定地址值，忽略修飾限定符的訪問限制。與此類似操作還有: getInt，getDouble，getLong，getChar等
public native Object getObject(Object o, long offset);
//為給定地址設(shè)置值，忽略修飾限定符的訪問限制，與此類似操作還有: putInt,putDouble，putLong，putChar等
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);
//獲取給定地址的byte類型的值（當(dāng)且僅當(dāng)該內(nèi)存地址為allocateMemory分配時，此方法結(jié)果為確定的）
public native byte getByte(long address);
//為給定地址設(shè)置byte類型的值（當(dāng)且僅當(dāng)該內(nèi)存地址為allocateMemory分配時，此方法結(jié)果才是確定的）
public native void putByte(long address, byte x);

通常，我們在Java中創(chuàng)建的對象都處于堆內(nèi)內(nèi)存（heap）中，堆內(nèi)內(nèi)存是由JVM所管控的Java進(jìn)程內(nèi)存，并且它們遵循JVM的內(nèi)存管理機(jī)制，JVM會采用垃圾回收機(jī)制統(tǒng)一管理堆內(nèi)存。與之相對的是堆外內(nèi)存，存在于JVM管控之外的內(nèi)存區(qū)域，Java中對堆外內(nèi)存的操作，依賴于Unsafe提供的操作堆外內(nèi)存的native方法。

對垃圾回收停頓的改善。由于堆外內(nèi)存是直接受操作系統(tǒng)管理而不是JVM，所以當(dāng)我們使用堆外內(nèi)存時，即可保持較小的堆內(nèi)內(nèi)存規(guī)模。從而在GC時減少回收停頓對于應(yīng)用的影響。

提升程序I/O操作的性能。通常在I/O通信過程中，會存在堆內(nèi)內(nèi)存到堆外內(nèi)存的數(shù)據(jù)拷貝操作，對于需要頻繁進(jìn)行內(nèi)存間數(shù)據(jù)拷貝且生命周期較短的暫存數(shù)據(jù)，都建議存儲到堆外內(nèi)存。

DirectByteBuffer是Java用于實現(xiàn)堆外內(nèi)存的一個重要類，通常用在通信過程中做緩沖池，如在Netty、MINA等NIO框架中應(yīng)用廣泛。DirectByteBuffer對于堆外內(nèi)存的創(chuàng)建、使用、銷毀等邏輯均由Unsafe提供的堆外內(nèi)存API來實現(xiàn)。

下圖為DirectByteBuffer構(gòu)造函數(shù)，創(chuàng)建DirectByteBuffer的時候，通過Unsafe.allocateMemory分配內(nèi)存、Unsafe.setMemory進(jìn)行內(nèi)存初始化，而后構(gòu)建Cleaner對象用于跟蹤DirectByteBuffer對象的垃圾回收，以實現(xiàn)當(dāng)DirectByteBuffer被垃圾回收時，分配的堆外內(nèi)存一起被釋放。

那么如何通過構(gòu)建垃圾回收追蹤對象Cleaner實現(xiàn)堆外內(nèi)存釋放呢？

Cleaner繼承自Java四大引用類型之一的虛引用PhantomReference（眾所周知，無法通過虛引用獲取與之關(guān)聯(lián)的對象實例，且當(dāng)對象僅被虛引用引用時，在任何發(fā)生GC的時候，其均可被回收），通常PhantomReference與引用隊列ReferenceQueue結(jié)合使用，可以實現(xiàn)虛引用關(guān)聯(lián)對象被垃圾回收時能夠進(jìn)行系統(tǒng)通知、資源清理等功能。如下圖所示，當(dāng)某個被Cleaner引用的對象將被回收時，JVM垃圾收集器會將此對象的引用放入到對象引用中的pending鏈表中，等待Reference-Handler進(jìn)行相關(guān)處理。其中，Reference-Handler為一個擁有最高優(yōu)先級的守護(hù)線程，會循環(huán)不斷的處理pending鏈表中的對象引用，執(zhí)行Cleaner的clean方法進(jìn)行相關(guān)清理工作。

所以當(dāng)DirectByteBuffer僅被Cleaner引用（即為虛引用）時，其可以在任意GC時段被回收。當(dāng)DirectByteBuffer實例對象被回收時，在Reference-Handler線程操作中，會調(diào)用Cleaner的clean方法根據(jù)創(chuàng)建Cleaner時傳入的Deallocator來進(jìn)行堆外內(nèi)存的釋放。

如下源代碼釋義所示，這部分主要為CAS相關(guān)操作的方法。

/**
    *  CAS
  * @param o         包含要修改field的對象
  * @param offset    對象中某field的偏移量
  * @param expected  期望值
  * @param update    更新值
  * @return          true | false
  */
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,  Object expected, Object update);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected,int update);
  
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long update);

什么是CAS? 即比較并替換，實現(xiàn)并發(fā)算法時常用到的一種技術(shù)。CAS操作包含三個操作數(shù)——內(nèi)存位置、預(yù)期原值及新值。執(zhí)行CAS操作的時候，將內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值比較，如果相匹配，那么處理器會自動將該位置值更新為新值，否則，處理器不做任何操作。我們都知道，CAS是一條CPU的原子指令（cmpxchg指令），不會造成所謂的數(shù)據(jù)不一致問題，Unsafe提供的CAS方法（如compareAndSwapXXX）底層實現(xiàn)即為CPU指令cmpxchg。

CAS在java.util.concurrent.atomic相關(guān)類、Java AQS、CurrentHashMap等實現(xiàn)上有非常廣泛的應(yīng)用。如下圖所示，AtomicInteger的實現(xiàn)中，靜態(tài)字段valueOffset即為字段value的內(nèi)存偏移地址，valueOffset的值在AtomicInteger初始化時，在靜態(tài)代碼塊中通過Unsafe的objectFieldOffset方法獲取。在AtomicInteger中提供的線程安全方法中，通過字段valueOffset的值可以定位到AtomicInteger對象中value的內(nèi)存地址，從而可以根據(jù)CAS實現(xiàn)對value字段的原子操作。

下圖為某個AtomicInteger對象自增操作前后的內(nèi)存示意圖，對象的基地址baseAddress="0x110000"，通過baseAddress+valueOffset得到value的內(nèi)存地址valueAddress="0x11000c"；然后通過CAS進(jìn)行原子性的更新操作，成功則返回，否則繼續(xù)重試，直到更新成功為止。

這部分，包括線程掛起、恢復(fù)、鎖機(jī)制等方法。

//取消阻塞線程
public native void unpark(Object thread);
//阻塞線程
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
//獲得對象鎖（可重入鎖）
@Deprecated
public native void monitorEnter(Object o);
//釋放對象鎖
@Deprecated
public native void monitorExit(Object o);
//嘗試獲取對象鎖
@Deprecated
public native boolean tryMonitorEnter(Object o);

如上源碼說明中，方法park、unpark即可實現(xiàn)線程的掛起與恢復(fù)，將一個線程進(jìn)行掛起是通過park方法實現(xiàn)的，調(diào)用park方法后，線程將一直阻塞直到超時或者中斷等條件出現(xiàn)；unpark可以終止一個掛起的線程，使其恢復(fù)正常。

Java鎖和同步器框架的核心類AbstractQueuedSynchronizer，就是通過調(diào)用LockSupport.park()和LockSupport.unpark()實現(xiàn)線程的阻塞和喚醒的，而LockSupport的park、unpark方法實際是調(diào)用Unsafe的park、unpark方式來實現(xiàn)。

此部分主要提供Class和它的靜態(tài)字段的操作相關(guān)方法，包含靜態(tài)字段內(nèi)存定位、定義類、定義匿名類、檢驗&確保初始化等。

//獲取給定靜態(tài)字段的內(nèi)存地址偏移量，這個值對于給定的字段是唯一且固定不變的
public native long staticFieldOffset(Field f);
//獲取一個靜態(tài)類中給定字段的對象指針
public native Object staticFieldBase(Field f);
//判斷是否需要初始化一個類，通常在獲取一個類的靜態(tài)屬性的時候（因為一個類如果沒初始化，它的靜態(tài)屬性也不會初始化）使用。 當(dāng)且僅當(dāng)ensureClassInitialized方法不生效時返回false。
public native boolean shouldBeInitialized(Class c);
//檢測給定的類是否已經(jīng)初始化。通常在獲取一個類的靜態(tài)屬性的時候（因為一個類如果沒初始化，它的靜態(tài)屬性也不會初始化）使用。
public native void ensureClassInitialized(Class c);
//定義一個類，此方法會跳過JVM的所有安全檢查，默認(rèn)情況下，ClassLoader（類加載器）和ProtectionDomain（保護(hù)域）實例來源于調(diào)用者
public native Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len, ClassLoader loader, ProtectionDomain protectionDomain);
//定義一個匿名類
public native Class defineAnonymousClass(Class hostClass, byte[] data, Object[] cpPatches);

從Java 8開始，JDK使用invokedynamic及VM Anonymous Class結(jié)合來實現(xiàn)Java語言層面上的Lambda表達(dá)式。

invokedynamic： invokedynamic是Java 7為了實現(xiàn)在JVM上運(yùn)行動態(tài)語言而引入的一條新的虛擬機(jī)指令，它可以實現(xiàn)在運(yùn)行期動態(tài)解析出調(diào)用點限定符所引用的方法，然后再執(zhí)行該方法，invokedynamic指令的分派邏輯是由用戶設(shè)定的引導(dǎo)方法決定。

VM Anonymous Class：可以看做是一種模板機(jī)制，針對于程序動態(tài)生成很多結(jié)構(gòu)相同、僅若干常量不同的類時，可以先創(chuàng)建包含常量占位符的模板類，而后通過Unsafe.defineAnonymousClass方法定義具體類時填充模板的占位符生成具體的匿名類。生成的匿名類不顯式掛在任何ClassLoader下面，只要當(dāng)該類沒有存在的實例對象、且沒有強(qiáng)引用來引用該類的Class對象時，該類就會被GC回收。故而VM Anonymous Class相比于Java語言層面的匿名內(nèi)部類無需通過ClassClassLoader進(jìn)行類加載且更易回收。

在Lambda表達(dá)式實現(xiàn)中，通過invokedynamic指令調(diào)用引導(dǎo)方法生成調(diào)用點，在此過程中，會通過ASM動態(tài)生成字節(jié)碼，而后利用Unsafe的defineAnonymousClass方法定義實現(xiàn)相應(yīng)的函數(shù)式接口的匿名類，然后再實例化此匿名類，并返回與此匿名類中函數(shù)式方法的方法句柄關(guān)聯(lián)的調(diào)用點；而后可以通過此調(diào)用點實現(xiàn)調(diào)用相應(yīng)Lambda表達(dá)式定義邏輯的功能。下面以如下圖所示的Test類來舉例說明。

Test類編譯后的class文件反編譯后的結(jié)果如下圖一所示（刪除了對本文說明無意義的部分），我們可以從中看到main方法的指令實現(xiàn)、invokedynamic指令調(diào)用的引導(dǎo)方法BootstrapMethods、及靜態(tài)方法lambda$main$0（實現(xiàn)了Lambda表達(dá)式中字符串打印邏輯）等。在引導(dǎo)方法執(zhí)行過程中，會通過Unsafe.defineAnonymousClass生成如下圖二所示的實現(xiàn)Consumer接口的匿名類。其中，accept方法通過調(diào)用Test類中的靜態(tài)方法lambda$main$0來實現(xiàn)Lambda表達(dá)式中定義的邏輯。而后執(zhí)行語句consumer.accept（"lambda"）其實就是調(diào)用下圖二所示的匿名類的accept方法。

此部分主要包含對象成員屬性相關(guān)操作及非常規(guī)的對象實例化方式等相關(guān)方法。

//返回對象成員屬性在內(nèi)存地址相對于此對象的內(nèi)存地址的偏移量
public native long objectFieldOffset(Field f);
//獲得給定對象的指定地址偏移量的值，與此類似操作還有：getInt，getDouble，getLong，getChar等
public native Object getObject(Object o, long offset);
//給定對象的指定地址偏移量設(shè)值，與此類似操作還有：putInt，putDouble，putLong，putChar等
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);
//從對象的指定偏移量處獲取變量的引用，使用volatile的加載語義
public native Object getObjectVolatile(Object o, long offset);
//存儲變量的引用到對象的指定的偏移量處，使用volatile的存儲語義
public native void putObjectVolatile(Object o, long offset, Object x);
//有序、延遲版本的putObjectVolatile方法，不保證值的改變被其他線程立即看到。只有在field被volatile修飾符修飾時有效
public native void putOrderedObject(Object o, long offset, Object x);
//繞過構(gòu)造方法、初始化代碼來創(chuàng)建對象
public native Object allocateInstance(Class cls) throws InstantiationException;

常規(guī)對象實例化方式：我們通常所用到的創(chuàng)建對象的方式，從本質(zhì)上來講，都是通過new機(jī)制來實現(xiàn)對象的創(chuàng)建。但是，new機(jī)制有個特點就是當(dāng)類只提供有參的構(gòu)造函數(shù)且無顯示聲明無參構(gòu)造函數(shù)時，則必須使用有參構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行對象構(gòu)造，而使用有參構(gòu)造函數(shù)時，必須傳遞相應(yīng)個數(shù)的參數(shù)才能完成對象實例化。

非常規(guī)的實例化方式：而Unsafe中提供allocateInstance方法，僅通過Class對象就可以創(chuàng)建此類的實例對象，而且不需要調(diào)用其構(gòu)造函數(shù)、初始化代碼、JVM安全檢查等。它抑制修飾符檢測，也就是即使構(gòu)造器是private修飾的也能通過此方法實例化，只需提類對象即可創(chuàng)建相應(yīng)的對象。由于這種特性，allocateInstance在java.lang.invoke、Objenesis（提供繞過類構(gòu)造器的對象生成方式）、Gson（反序列化時用到）中都有相應(yīng)的應(yīng)用。

如下圖所示，在Gson反序列化時，如果類有默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，則通過反射調(diào)用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建實例，否則通過UnsafeAllocator來實現(xiàn)對象實例的構(gòu)造，UnsafeAllocator通過調(diào)用Unsafe的allocateInstance實現(xiàn)對象的實例化，保證在目標(biāo)類無默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)時，反序列化不夠影響。

這部分主要介紹與數(shù)據(jù)操作相關(guān)的arrayBaseOffset與arrayIndexScale這兩個方法，兩者配合起來使用，即可定位數(shù)組中每個元素在內(nèi)存中的位置。

//返回數(shù)組中第一個元素的偏移地址
public native int arrayBaseOffset(Class arrayClass);
//返回數(shù)組中一個元素占用的大小
public native int arrayIndexScale(Class arrayClass);

這兩個與數(shù)據(jù)操作相關(guān)的方法，在java.util.concurrent.atomic 包下的AtomicIntegerArray（可以實現(xiàn)對Integer數(shù)組中每個元素的原子性操作）中有典型的應(yīng)用，如下圖AtomicIntegerArray源碼所示，通過Unsafe的arrayBaseOffset、arrayIndexScale分別獲取數(shù)組首元素的偏移地址base及單個元素大小因子scale。后續(xù)相關(guān)原子性操作，均依賴于這兩個值進(jìn)行數(shù)組中元素的定位，如下圖二所示的getAndAdd方法即通過checkedByteOffset方法獲取某數(shù)組元素的偏移地址，而后通過CAS實現(xiàn)原子性操作。

在Java 8中引入，用于定義內(nèi)存屏障（也稱內(nèi)存柵欄，內(nèi)存柵障，屏障指令等，是一類同步屏障指令，是CPU或編譯器在對內(nèi)存隨機(jī)訪問的操作中的一個同步點，使得此點之前的所有讀寫操作都執(zhí)行后才可以開始執(zhí)行此點之后的操作），避免代碼重排序。

//內(nèi)存屏障，禁止load操作重排序。屏障前的load操作不能被重排序到屏障后，屏障后的load操作不能被重排序到屏障前
public native void loadFence();
//內(nèi)存屏障，禁止store操作重排序。屏障前的store操作不能被重排序到屏障后，屏障后的store操作不能被重排序到屏障前
public native void storeFence();
//內(nèi)存屏障，禁止load、store操作重排序
public native void fullFence();

在Java 8中引入了一種鎖的新機(jī)制——StampedLock，它可以看成是讀寫鎖的一個改進(jìn)版本。StampedLock提供了一種樂觀讀鎖的實現(xiàn)，這種樂觀讀鎖類似于無鎖的操作，完全不會阻塞寫線程獲取寫鎖，從而緩解讀多寫少時寫線程“饑餓”現(xiàn)象。由于StampedLock提供的樂觀讀鎖不阻塞寫線程獲取讀鎖，當(dāng)線程共享變量從主內(nèi)存load到線程工作內(nèi)存時，會存在數(shù)據(jù)不一致問題，所以當(dāng)使用StampedLock的樂觀讀鎖時，需要遵從如下圖用例中使用的模式來確保數(shù)據(jù)的一致性。

如上圖用例所示計算坐標(biāo)點Point對象，包含點移動方法move及計算此點到原點的距離的方法distanceFromOrigin。在方法distanceFromOrigin中，首先，通過tryOptimisticRead方法獲取樂觀讀標(biāo)記；然后從主內(nèi)存中加載點的坐標(biāo)值 (x,y)；而后通過StampedLock的validate方法校驗鎖狀態(tài)，判斷坐標(biāo)點(x,y)從主內(nèi)存加載到線程工作內(nèi)存過程中，主內(nèi)存的值是否已被其他線程通過move方法修改，如果validate返回值為true，證明(x, y)的值未被修改，可參與后續(xù)計算；否則，需加悲觀讀鎖，再次從主內(nèi)存加載(x,y)的最新值，然后再進(jìn)行距離計算。其中，校驗鎖狀態(tài)這步操作至關(guān)重要，需要判斷鎖狀態(tài)是否發(fā)生改變，從而判斷之前copy到線程工作內(nèi)存中的值是否與主內(nèi)存的值存在不一致。

下圖為StampedLock.validate方法的源碼實現(xiàn)，通過鎖標(biāo)記與相關(guān)常量進(jìn)行位運(yùn)算、比較來校驗鎖狀態(tài)，在校驗邏輯之前，會通過Unsafe的loadFence方法加入一個load內(nèi)存屏障，目的是避免上圖用例中步驟②和StampedLock.validate中鎖狀態(tài)校驗運(yùn)算發(fā)生重排序?qū)е骆i狀態(tài)校驗不準(zhǔn)確的問題。

這部分包含兩個獲取系統(tǒng)相關(guān)信息的方法。

//返回系統(tǒng)指針的大小。返回值為4（32位系統(tǒng)）或 8（64位系統(tǒng)）。
public native int addressSize();  
//內(nèi)存頁的大小，此值為2的冪次方。
public native int pageSize();

如下圖所示的代碼片段，為java.nio下的工具類Bits中計算待申請內(nèi)存所需內(nèi)存頁數(shù)量的靜態(tài)方法，其依賴于Unsafe中pageSize方法獲取系統(tǒng)內(nèi)存頁大小實現(xiàn)后續(xù)計算邏輯。

本文對Java中的sun.misc.Unsafe的用法及應(yīng)用場景進(jìn)行了基本介紹，我們可以看到Unsafe提供了很多便捷、有趣的API方法。即便如此，由于Unsafe中包含大量自主操作內(nèi)存的方法，如若使用不當(dāng)，會對程序帶來許多不可控的災(zāi)難。因此對它的使用我們需要慎之又慎。

OpenJDK Unsafe source

Java Magic. Part 4: sun.misc.Unsafe

JVM crashes at libjvm.so

Java中神奇的雙刃劍--Unsafe

JVM源碼分析之堆外內(nèi)存完全解讀

堆外內(nèi)存 之 DirectByteBuffer 詳解

《深入理解Java虛擬機(jī)（第2版）》

璐璐，美團(tuán)點評Java開發(fā)工程師。2017年加入美團(tuán)點評，負(fù)責(zé)美團(tuán)點評境內(nèi)度假的后端開發(fā)。

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