不安全的代码: 教你“随心所欲”地在内存中操作Java的类和对象（1）

最新推荐文章于 2025-04-27 00:57:49 发布

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原文地址：https://zeroturnaround.com/rebellabs/dangerous-code-how-to-be-unsafe-with-java-classes-objects-in-memory/

Java的类和对象在内存里到底是什么样子的呀？我们一起来搞搞清楚撒。。。

你是否对Java内存管理机制感到好奇？有没有问过下面这些奇怪的问题呀：

一个类在内存里占多少空间？
自己写的对象又要占用多大内存？
对象里的属性又是如何对齐的？

如果你思考过这些问题的话，那么你算是来对地方了。对于我们这些在RebelLabs的Java极客们来说，这些神奇的问题一直在诱惑着我们：如果你有兴趣知道更多类的实现的相关知识，知道更多类的布局结构（layout）会让我们从内存里取出特定域的值变得更加容易，甚至我们可以在内存里为所欲为（Hecker的必备技能哦。。。）。这也就是说，我们能不仅更改内存里的数据，也可以在内存里更改代码。

另外，如果你知道了这些知识，那么你就具备了理解“Off-heap存储”和“高性能序列化”技术实现的能力。这两个技术是基于内存对象结构操作的典型应用呀！这篇文章涵盖了获取类和对象的内存地址的方法，获取类和对象在内存里的布局结构，和布局结构中各个域的意义。我们希望能尽可能简单明了地讲明，但是说实话，本文不适合Java初学者。读者需要具备一些Java编程的经验才能读懂。

注意啊！！

本文介绍的类和对象是Java SE7的实现，千万不要认为之前和以后的Java版本也是这么实现的呀！！我们已经把例子代码放到了GitHub上，可以方便你下载参考。代码在这里。

Java里的直接内存访问的方法

Java最初被设计为一种安全、受控的环境。然而（重点来啦），Java HotSpot VM在实现的时候留了一个”后门“。这个后门提供了很多可以直接对内存和线程操作的底层接口。这个后门就是——sum.misc.Unsafe。这个类可是被广泛地被JDK本身实现过程应用，比如java.nio和java.util.concurrent的实现。可是，这个后门不建议在生产环境中使用，因为这个API非常不安全、不轻便也不稳定。Unsafe这个类提供了一种窥探HotSpot JVM内部实现的方法，并且可以用一些取巧地方法搞些事情。有时它可以被用来研究VM内部机制，并且不用C++调试哦。有时它可以用于分析和开发工具。

操练起来吧！！

sun.misc.Unsafe这个类真的很不安全，所以JDK的开发人员增加了一些检测机制来限制人们使用它。它的构造函数是私有的，并且它的工厂方法getUnsafe（）应该被Bootloader加载。从下面代码段的第8行可知，Unsafe类甚至都不能任何非空的类加载器加载。它会抛出SecurityException异常来阻止访问者。

public final class Unsafe {
   ...
   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;
   }
   ...
}

幸运地是，在Unsafe里有一个theUnsafe的域可以被用来获取Unsafe对象。我们可以通过反射机制写一个帮助方法帮助实现我们的愿望。代码如下：(http://highlyscalable.wordpress.com/2012/02/02/direct-memory-access-in-java/)

public static Unsafe getUnsafe() {
   try {
           Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
           f.setAccessible(true);
           return (Unsafe)f.get(null);
   } catch (Exception e) { 
       /* ... */ 
   }
}

Unsafe中一些有用的特性

虚拟机的固有的特性。就像CAS（compare-and-swap）技术被用于无锁哈希表（Lock-Free Hash Table）。比如，compareAndSwapInt方法使得JNI调用支持特定CAS指令的Native代码。想要了解更多CAS的知识，请点这里
我们可以使用sun.misc.Unsafe的allocateIntance方法在宿主VM内为未初始化的对象分配内存空间。之后我们可以正常调用这个对象的构造函数。
我们可以通过实际的内存地址来监测数据。我们用Unsafe是有可能直接查找和修改对象各个域里的值。
我们还可以使用allocateMemory方法在off-heap中分配内存。比如，当allocateDirect 方法被调用时DirectByteBuffer的构造函数就调用allocateMemory方法。
arrayBaseOffset 和arrayIndexScale这两个方法可以用来实现arraylet。Arraylet是一种能将大的数组分解成许多小对象的技术，以减少实时对大对象的检查、更新和删除的开销。

下一篇中，我们要用Unsafe来获取类的内存地址了，敬请期待！！！