危险代码：内存中的Java类和对象为何变得不安全—Part1

最新推荐文章于 2022-11-26 18:38:59 发布

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#内存 #java #虚拟机 #内存管理

本文深入探讨了Java类和对象在内存中的结构与布局，包括对象占用的空间、属性布局等细节，并介绍了如何利用sun.misc.Unsafe进行内存操作。

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本文由 ImportNew - 吴际翻译自 zeroturnaround。如需转载本文，请先参见文章末尾处的转载要求。

让我们开始展示内存中Java类和对象结构

你可曾好奇过Java内存管理核心构件？你是否问过自己某些奇怪的问题，比如：

一个类在内存中占据多少空间？
我的对象在内存中消耗了多少空间？
对象的属性在内存中是如何被布局的？

如果这些问题听起来很熟悉，那么你就想到了点子上。对于像我们这样的在RebelLabs的Java极客来说，这些难解的谜题已经在我们脑海中缠绕了很长时间：如果你对探究类检测器感兴趣，想知道如何布局让所有的类更容易地从内存中取到指定变量，或是想在系统运行时侵入内存中的这些字段。这就意味着你能切实改变内存中的数据甚至是代码！

其它可能勾起你兴趣的知识点有，“堆外缓存”和“高性能序列化”的实现。这是一对构建在对象缓存结构上很好的实例，揭示了获取类和实例内存地址的方法，缓存中类和实例的布局以及关于对象成员变量布局的详细解释。我们希望尽可能简单地阐释这些内容，但是尽管如此这篇文章并不适合Java初学者，它要求具备对Java编程原理有一定的了解。

注意：下面关于类和对象的布局所写的内容特指Java SE 7，所以不推荐使用者想当然地认为这些适用于过去或将来的Java版本。方便起见，我们在GitHub项目上发布了这篇文章的示例代码，可以在这里找到 https://github.com/serkan-ozal/ocean-of-memories/tree/master/src/main/java/com/zeroturnaround/rebellabs/oceanofmemories/article1。

在Java中最直接的内存操作方法是什么？

Java最初被设计为一种安全的受控环境。尽管如此，Java HotSpot还是包含了一个“后门”，提供了一些可以直接操控内存和线程的低层次操作。这个后门类——sun.misc.Unsafe——被JDK广泛用于自己的包中，如java.nio和java.util.concurrent。但是丝毫不建议在生产环境中使用这个后门。因为这个API十分不安全、不轻便、而且不稳定。这个不安全的类提供了一个观察HotSpot JVM内部结构并且可以对其进行修改。有时它可以被用来在不适用C++调试的情况下学习虚拟机内部结构，有时也可以被拿来做性能监控和开发工具。

为何变得不安全

sun.misc.Unsafe这个类是如此地不安全，以至于JDK开发者增加了很多特殊限制来访问它。它的构造器是私有的，工厂方法getUnsafe()的调用器只能被Bootloader加载。如你在下面代码片段的第8行所见，这个家伙甚至没有被任何类加载器加载，所以它的类加载器是null。它会抛出SecurityException 异常来阻止侵入者。

publicfinal class Unsafe {
   ...
   privateUnsafe() {}
   privatestatic final Unsafe theUnsafe = newUnsafe();
   ...
   publicstatic Unsafe getUnsafe() {
      Class cc = sun.reflect.Reflection.getCallerClass(2);
      if(cc.getClassLoader() != null)
          thrownew SecurityException("Unsafe");
      returntheUnsafe;
   }
   ...
}

幸运的是这里有一个Unsafe的变量可以被用来取得Unsafe的实例。我们可以轻松地编写一个复制方法通过反射来实现，如下所示：
（http://highlyscalable.wordpress.com/2012/02/02/direct-memory-access-in-java/）

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

Unsafe一些有用的特性

虚拟机“集约化”（VM intrinsification）：如用于无锁Hash表中的CAS（比较和交换）。再比如compareAndSwapInt这个方法用JNI调用，包含了对CAS有特殊引导的本地代码。在这里你能读到更多关于CAS的信息：http://en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap。
主机虚拟机（译注：主机虚拟机主要用来管理其他虚拟机。而虚拟平台我们看到只有guest VM）的sun.misc.Unsafe功能能够被用于未初始化的对象分配内存（用allocateInstance方法），然后将构造器调用解释为其他方法的调用。
你可以从本地内存地址中追踪到这些数据。使用java.lang.Unsafe类获取内存地址是可能的。而且可以通过unsafe方法直接操作这些变量！
使用allocateMemory方法，内存可以被分配到堆外。例如当allocateDirect方法被调用时DirectByteBuffer构造器内部会使用allocateMemory。
arrayBaseOffset和arrayIndexScale方法可以被用于开发arraylets，一种用来将大数组分解为小对象、限制扫描的实时消耗或者在大对象上做更新和移动。