Unsafe获取

本文深入解析Java中的Unsafe类,探讨其提供的低级操作接口,如内存访问、线程阻塞和唤醒等功能,以及如何通过反射获取Unsafe实例并使用其方法进行高效内存操作。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

介绍
  • public native long objectFieldOffset方法:返回指定 的变量在所属类 中的内存偏移地址,
    该偏移地址仅仅在该 Unsafe 函数中访 问指定宇段时使用

  • public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1) 获取数组中第一个元素的地址

  • public native int arrayIndexScale(Class<?> var1) 获取数组中一个元素 占用的字节

  • public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6)
    比较对象 obj 中偏移量为 offset 的变量 的值是否与 expect 相等 , 相等则使用 update
    值更新 , 然后返回 tru巳,否则返回 false

  • public native long getLongVolatile(Object var1, long var2) 获取对象 obj 中偏移量为 offset 的变量对应 volatile i吾义的值

  • public native void putLongVolatile(Object var1, long var2, long var4) 设置 obj 对 象 中 offset偏移 的类型为 long 的 field 的值为 value,支持 volatile 语义

  • public native void putOrderedLong(Object var1, long var2, long var4) 置 obj 对象 中 offset偏移地址对应的 long 型 field 的值为 value 。 这是一个有延迟的 putLongvolatile 方法 ,并且不保证值修改对其他线程立刻可见 。 只有在变量使用 volatile 修饰并且预计会被意外修改时才使用 该方法

  • public native void park(boolean var1, long var2) 阻塞 当 前线程 , 其 中 参数 isAbsolute等于 false 且 time 等于 0 表示一直阻塞 。 time 大于 0 表示等待指定 的 time 后阻塞线
    程会被唤醒 , 这个 time 是个相对值 , 是个增量值 , 也就是相对 当前时间 累加 time后当前线程就会被唤醒 。 如果 isAbsolute 等于 true , 并且 time 大于 0,则表示 阻塞
    的 线程到 指定的 时 间点后会被唤醒,这里 time 是个绝对时间, 是将某个时间 点换算为 ms 后 的值 。 另 外,当其他线程调用 了 当 前阻塞线程 的 intemrrupt 方法而中断 了
    当前线程 时-, 当 前线程也会返 回, 而 当其他线程调用 了 unPark 方法并且把 当 前线程作为参数时当前线程也会返回

  • public native void unpark(Object var1) 唤醒调用 park 后阻塞 的线程。

  • public final long getAndSetLong(Object var1, long var2, long var4) 获取对象 obj 中偏移
    量为 offset 的变量 volatile i吾义的当前值 , 并设置变量 volatile i吾义的值为 update

public final long getAndSetLong(Object var1, long var2, long var4) {
        long var6;
        do {
        //getLongvolatile 获取当前变量的值 
            var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
            //使用CAS比较 CAS 原子操作设置新值 。这里使用 while 循环是考虑到,在多个线程 同时调用的情 况下 CAS 失败时需要重试		
        } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var4));

        return var6;
    }
  • long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) 获取对象 。同 中偏移量为 offset 的变量 volatile i吾义的当前值 , 并设置变量值为原始值+addValue
 public final long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) {
        long var6;
        do {
        //getLongvolatile 获取当前变量的值
            var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
            //进行 CAS 操作时使用了原始值+传递的增量参数 addValue 的值
        } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));

        return var6;
    }
简单使用
package com.ghgcn.threadstudy.lesson01;

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

/**
 * @author 刘楠
 * @since 2019/7/1
 */
public class TestUnSafe1 {

    private   static    Unsafe unsafe;
    private  static    long stateOffset;
   private    volatile    long state=0;

    static {
        try {

            //通过反射获取Unsafe的成员变量theUnsafe
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            //设置为内存可以取
            field.setAccessible(true);
            //获取值
            unsafe=(Unsafe)field.get(null);
            //获取偏移量
            stateOffset=unsafe.objectFieldOffset(TestUnSafe1.class.getDeclaredField("state"));




        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
            System.err.println(e.getLocalizedMessage());
        }
    }
    public static void main(String[] args) {

        TestUnSafe1 testUnSafe1 = new TestUnSafe1();

        boolean success = unsafe.compareAndSwapLong(testUnSafe1, stateOffset, 0, 2);
        System.out.println("success "+success);

    }
}

### 功能概述 Java 中的 `Unsafe` 类是一个非公开类,位于 `sun.misc` 包下,提供了底层操作功能。这些功能包括直接操作内存、执行原子操作以及执行其他低级别任务。`Unsafe` 类的主要作用是绕过 Java 虚拟机(JVM)的某些限制,以实现高性能的操作。例如,它可以直接分配和释放内存,而不需要依赖 JVM 的垃圾回收机制[^1]。 ### 核心功能 1. **内存操作** `Unsafe` 类允许直接分配和释放内存,这在处理大块数据时特别有用。例如,可以使用 `allocateMemory` 方法分配一块内存,并使用 `freeMemory` 方法手动释放这块内存。这种操作方式类似于 C 语言中的 `malloc` 和 `free`[^3]。 2. **原子操作** `Unsafe` 类支持原子操作,这对于实现无锁数据结构非常重要。例如,`compareAndSwapInt` 方法可以用于实现原子更新操作,这在并发编程中非常常见。Java 的 `java.util.concurrent` 包中的许多类(如 `AtomicInteger`)内部依赖于 `Unsafe` 类来实现高效的原子操作。 3. **对象操作** `Unsafe` 类还允许直接操作对象的字段。例如,可以通过 `objectFieldOffset` 方法获取对象字段的偏移量,然后使用 `getInt` 和 `putInt` 等方法直接读取和修改对象的字段值。这种方式可以绕过 Java 的访问控制,直接操作对象的内部状态。 4. **线程调度** `Unsafe` 类提供了一些线程调度相关的功能,例如 `park` 和 `unpark` 方法。这些方法可以用于实现线程的阻塞和唤醒操作,是 `java.util.concurrent.locks.LockSupport` 类的基础[^2]。 ### 使用方法 #### 获取 `Unsafe` 实例 由于 `Unsafe` 类的构造函数是私有的,并且没有提供公共的静态方法来获取实例,因此需要通过反射来获取 `Unsafe` 实例。以下是一个示例代码: ```java private static Unsafe getUnsafeInstance() { try { Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); field.setAccessible(true); return (Unsafe) field.get(null); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } return null; } ``` #### 内存分配与释放 一旦获取了 `Unsafe` 实例,就可以使用它来分配和释放内存。以下是一个简单的示例,展示了如何分配一块内存并进行初始化和释放: ```java private static final int BUFFER_SIZE = 1024; private static final Unsafe unsafe = getUnsafeInstance(); private static final long buffer = unsafe.allocateMemory(BUFFER_SIZE); public static void main(String[] args) { // 初始化内存 unsafe.setMemory(buffer, BUFFER_SIZE, (byte) 0); // ... 进行其他操作 // 释放内存 unsafe.freeMemory(buffer); } ``` #### 原子操作示例 以下是一个使用 `Unsafe` 类实现原子操作的示例。假设有一个整数变量 `value`,我们希望对其进行原子更新: ```java private volatile int value; private static final long valueOffset; static { try { valueOffset = unsafe.objectFieldOffset( MyAtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } } public boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); } ``` ### 注意事项 尽管 `Unsafe` 类提供了强大的底层操作功能,但其使用也伴随着一定的风险。首先,`Unsafe` 类的操作绕过了 JVM 的许多安全机制,因此可能导致程序崩溃或数据损坏。其次,由于 `Unsafe` 类的操作不被 JVM 管理,因此需要手动管理内存,这增加了内存泄漏的风险。最后,`Unsafe` 类并不是 Java 标准的一部分,因此在不同的 JVM 实现中可能会有不同的行为。因此,除非确实需要高性能的操作,否则不建议直接使用 `Unsafe` 类[^2]。 ### 相关问题 1. `Unsafe` 类在 Java 中有哪些常见的应用场景? 2. 如何通过 `Unsafe` 类实现高效的原子操作? 3. 使用 `Unsafe` 类进行内存操作时需要注意哪些问题? 4. `Unsafe` 类在不同 JVM 实现中的兼容性如何? 5. 有哪些替代 `Unsafe` 类的方案可以实现类似的功能?
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