Java 魔法类 Unsafe 源码解读（一）

Java 魔法类 Unsafe 源码解读

前言

阅读过 JUC 源码的同学，一定会发现很多并发工具都调用了一个叫做 Unsafe 的类。

那这个类的作用是什么呢？有什么使用场景呢？底层源码是什么样呢？这篇文章笔者就带你搞清楚！

本文章所使用的是 JDK11 。不同于市面上大部分的文章所使用的JDK8。

希望各位在阅读我这篇文章时，静下心来，逐字逐句的阅读！

同时建议大家可以点开 Unsafe 这个类，跟着我的文章一起深入它。

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一、Unsafe 介绍

Unsafe 是位于 sum.misc 包下的一个类（其实真正的 Unsafe 是位于 jdk.internal.misc 包下的，笔者后面会说到。）主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升 Java 运行效率、增强 Java 语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。但由于 Unsafe 类使 Java 语言拥有了类似 C 语言指针一样操作内存空间的能力，这无疑也增加了程序发生相关指针问题的风险。

在程序中过度、不正确使用 Unsafe 类会使得程序出错的概率变大，使得 Java 这种安全的语言变得不再“安全”，因此对 Unsafe 的使用一定要慎重！

另外，Unsafe 提供的这些功能的实现需要依赖本地方法（Native Method）。

• 什么是本地方法？ -> 本地方法可以看作是 Java 中使用其他编程语言编写的方法。本地方法使用 native 关键字修饰，Java 代码中只是声明方法头，具体的实现则交给本地代码。
  

扩展：

为什么要使用本地方法呢？
	1.需要用到 Java 中不具备的依赖于操作系统的特性，Java 在实现跨平台的同时要实现对底层的控制，需要借助其他语言发挥作用。
	2.对于其他语言已经完成的一些现成功能，可以使用 Java 直接调用。
	3.程序对时间敏感或对性能要求非常高时，有必要使用更加底层的语言，例如 C/C++甚至是汇编。
	
在 JUC 包的很多并发工具类在实现并发机制时，都调用了本地方法，通过它们打破了 Java 运行时的界限，能够接触到操作系统底层的某些功能。对于同一本地方法，不同的操作系统可能会通过不同的方式来实现，但是对于使用者来说是透明的，最终都会得到相同的结果。

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二、Unsafe 创建

首先，我们从 Unsafe 类的定义来解读源码。

public final class Unsafe {

    // 静态代码块，会在程序启动时最先执行且只会执行一次。
    static {
        Reflection.registerMethodsToFilter(Unsafe.class, "getUnsafe");
    }

    private Unsafe() {}
	
    // 单例对象  饿汉式单例
    private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();
    private static final jdk.internal.misc.Unsafe theInternalUnsafe = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();

    // 核心代码！
    @CallerSensitive  
    public static Unsafe getUnsafe() {
        // 返回调用此方法的调用者的类
        Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
        // 仅在引导类加载器 BootstrapClassLoader 或平台类加载器 PlatformClassLoader 加载时才合法
        if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader()))
            throw new SecurityException("Unsafe");  // 如果调用者类的类加载器不在授予所有权限的系统域中，抛出此异常。
        return theUnsafe;
    }
}

// 如果给定的类加载器是引导类加载器 BootstrapClassLoader 或平台类加载器 PlatformClassLoader，则返回true。
public static boolean isSystemDomainLoader(ClassLoader loader) {
    // ClassLoader最上方的类定义中规定了 BootstrapClassLoader 和 PlatformClassLoader 的定义
    // BootstrapClassLoader：它是虚拟机的内置类加载器，通常表示为null，并且没有父类。
    // PlatformClassLoader：所有平台类对于可用作ClassLoader实例父级的平台类加载器都是可见的。平台类包括Java SE平台API、它们的实现类和由平台类加载器或其祖先定义的JDK特定运行时类。
    return loader == null || loader == ClassLoader.getPlatformClassLoader();
}

Unsafe 类为饿汉单例实现，提供静态方法 getUnsafe 获取 Unsafe实例。这个看上去貌似可以用来获取 Unsafe 实例。但是，当我们直接通过 Unsafe.getUnsafe() 调用这个静态方法的时候，会抛出 SecurityException 异常！

// 这是因为 VM.isSystemDomainLoader() 进行了检查。
// 会对调用者的classLoader进行检查，判断当前类是否由 BootstrapClassLoader 加载，如果不是的话那么就会抛异常。
Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: Unsafe  
 at sun.misc.Unsafe.getUnsafe(Unsafe.java:90)
 at com.cn.test.GetUnsafeTest.main(GetUnsafeTest.java:12

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三、Unsafe 操作

Unsafe 的操作主要可以分为以下几类：

1. 内存操作
2. 内存屏障
3. 对象操作
4. 数据操作
5. CAS 操作
6. 线程调度
7. Class 调度
8. 系统信息

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内存操作

Java 中是不允许直接对内存进行操作的，对象内存的分配和回收都是由 JVM 自己实现的（自动内存管理垃圾回收机制 GC）。

但是在 Unsafe 中，提供了以下几个接口来直接操作内存：

// 分配给定大小（以字节为单位）的新本地内存块
public long allocateMemory(long bytes);

// 将新的本地内存块调整为给定的字节大小。
public long reallocateMemory(long address, long bytes);

//将内存设置为指定值
public void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);

//内存拷贝
public void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset,Object destBase, long destOffset,long bytes);

//清除内存
public void freeMemory(long address);

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