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Unsafe是位于sun.misc包下的一個(gè)類(lèi)，主要提供一些用于執(zhí)行低級(jí)別、不安全操作的方法，如直接訪問(wèn)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(yǔ)言底層資源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe類(lèi)使Java語(yǔ)言擁有了類(lèi)似C語(yǔ)言指針一樣操作內(nèi)存空間的能力，這無(wú)疑也增加了程序發(fā)生相關(guān)指針問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。在程序中過(guò)度、不正確使用Unsafe類(lèi)會(huì)使得程序出錯(cuò)的概率變大，使得Java這種安全的語(yǔ)言變得不再“安全”，因此對(duì)Unsafe的使用一定要慎重。

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

基本介紹

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

public final class Unsafe {
  // 單例對(duì)象
  private static final Unsafe theUnsafe;

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

那如若想使用這個(gè)類(lèi)，該如何獲取其實(shí)例？有如下兩個(gè)可行方案。

其一，從getUnsafe方法的使用限制條件出發(fā)，通過(guò)Java命令行命令-Xbootclasspath/a把調(diào)用Unsafe相關(guān)方法的類(lèi)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(lèi)加載器加載，從而通過(guò)Unsafe.getUnsafe方法安全的獲取Unsafe實(shí)例。

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

其二，通過(guò)反射獲取單例對(duì)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;
    }
}

功能介紹

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(duì)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(lèi)，下面將對(duì)其相關(guān)方法和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)介紹。

內(nèi)存操作

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，忽略修飾限定符的限制訪問(wèn)限制。與此類(lèi)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(wèn)限制，與此類(lèi)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(lèi)型的值(當(dāng)且僅當(dāng)該內(nèi)存地址為allocateMemory分配時(shí)，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(lèi)型的值(當(dāng)且僅當(dāng)該內(nèi)存地址為allocateMemory分配時(shí)，此方法結(jié)果才是確定的)
public native void putByte(long address, byte x);

通常，我們?cè)贘ava中創(chuàng)建的對(duì)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(huì)采用垃圾回收機(jī)制統(tǒng)一管理堆內(nèi)存。與之相對(duì)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(duì)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。

使用堆外內(nèi)存的原因

• 對(duì)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(shí)，即可保持較小的堆內(nèi)內(nèi)存規(guī)模，從而在GC時(shí)減少回收停頓對(duì)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(guò)程中，會(huì)存在堆內(nèi)內(nèi)存到堆外內(nèi)存的數(shù)據(jù)拷貝操作，對(duì)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(chǔ)到堆外內(nèi)存。

典型應(yīng)用

DirectByteBuffer是Java用于實(shí)現(xiàn)堆外內(nèi)存的一個(gè)重要類(lèi)，通常用在通信過(guò)程中做緩沖池，如在Netty、MINA等NIO框架中應(yīng)用廣泛。DirectByteBuffer對(duì)于堆外內(nèi)存的創(chuàng)建、使用、銷(xiāo)毀等邏輯均由Unsafe提供的堆外內(nèi)存API來(lái)實(shí)現(xiàn)。

下圖為DirectByteBuffer構(gòu)造函數(shù)，創(chuàng)建DirectByteBuffer的時(shí)候，通過(guò)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(duì)象用于跟蹤DirectByteBuffer對(duì)象的垃圾回收，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)DirectByteBuffer被垃圾回收時(shí)，分配的堆外內(nèi)存一起被釋放。

那么如何通過(guò)構(gòu)建垃圾回收追蹤對(duì)象Cleaner實(shí)現(xiàn)堆外內(nèi)存釋放呢？

Cleaner繼承自Java四大引用類(lèi)型之一的虛引用PhantomReference（眾所周知，無(wú)法通過(guò)虛引用獲取與之關(guān)聯(lián)的對(duì)象實(shí)例，且當(dāng)對(duì)象僅被虛引用引用時(shí)，在任何發(fā)生GC的時(shí)候，其均可被回收），通常PhantomReference與引用隊(duì)列ReferenceQueue結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)虛引用關(guān)聯(lián)對(duì)象被垃圾回收時(shí)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(gè)被Cleaner引用的對(duì)象將被回收時(shí)，JVM垃圾收集器會(huì)將此對(duì)象的引用放入到對(duì)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(gè)擁有最高優(yōu)先級(jí)的守護(hù)線程，會(huì)循環(huán)不斷的處理pending鏈表中的對(duì)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(shí)，其可以在任意GC時(shí)段被回收。當(dāng)DirectByteBuffer實(shí)例對(duì)象被回收時(shí)，在Reference-Handler線程操作中，會(huì)調(diào)用Cleaner的clean方法根據(jù)創(chuàng)建Cleaner時(shí)傳入的Deallocator來(lái)進(jìn)行堆外內(nèi)存的釋放。

CAS相關(guān)

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(duì)象
  * @param offset    對(duì)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(shí)現(xiàn)并發(fā)算法時(shí)常用到的一種技術(shù)。CAS操作包含三個(gè)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(shí)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(huì)自動(dòng)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(huì)造成所謂的數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題，Unsafe提供的CAS方法（如compareAndSwapXXX）底層實(shí)現(xiàn)即為CPU指令cmpxchg。

典型應(yīng)用

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

下圖為某個(gè)AtomicInteger對(duì)象自增操作前后的內(nèi)存示意圖，對(duì)象的基地址baseAddress="0x110000"，通過(guò)baseAddress+valueOffset得到value的內(nèi)存地址valueAddress="0x11000c"；然后通過(guò)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。

線程調(diào)度

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(duì)象鎖（可重入鎖）
@Deprecated
public native void monitorEnter(Object o);
//釋放對(duì)象鎖
@Deprecated
public native void monitorExit(Object o);
//嘗試獲取對(duì)象鎖
@Deprecated
public native boolean tryMonitorEnter(Object o);

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

典型應(yīng)用

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

Class相關(guān)

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(lèi)、定義匿名類(lèi)、檢驗(yàn)&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(gè)值對(duì)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(gè)靜態(tài)類(lèi)中給定字段的對(duì)象指針
public native Object staticFieldBase(Field f);
//判斷是否需要初始化一個(gè)類(lèi)，通常需要使用在獲取一個(gè)類(lèi)的靜態(tài)屬性的時(shí)候(因?yàn)橐粋€(gè)類(lèi)如果沒(méi)初始化，它的靜態(tài)屬性也不會(huì)初始化)。 此方法當(dāng)且僅當(dāng)ensureClassInitialized方法不生效的時(shí)候才返回false。
public native boolean shouldBeInitialized(Class c);
//檢測(cè)給定的類(lèi)是否已經(jīng)初始化。通常需要使用在獲取一個(gè)類(lèi)的靜態(tài)屬性的時(shí)候(因?yàn)橐粋€(gè)類(lèi)如果沒(méi)初始化，它的靜態(tài)屬性也不會(huì)初始化)。
public native void ensureClassInitialized(Class c);
//定義一個(gè)類(lèi)，此方法會(huì)跳過(guò)JVM的所有安全檢查，默認(rèn)情況下，ClassLoader(類(lèi)加載器)和ProtectionDomain(保護(hù)域)實(shí)例來(lái)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(gè)匿名類(lèi)
public native Class defineAnonymousClass(Class hostClass, byte[] data, Object[] cpPatches);

典型應(yīng)用

從Java 8開(kāi)始，JDK使用invokedynamic及VM Anonymous Class結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)Java語(yǔ)言層面上的Lambda表達(dá)式。

• invokedynamic： invokedynamic是Java 7為了實(shí)現(xiàn)在JVM上運(yùn)行動(dòng)態(tài)語(yǔ)言而引入的一條新的虛擬機(jī)指令，它可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行期動(dòng)態(tài)解析出調(diào)用點(diǎn)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(duì)于程序動(dòng)態(tài)生成很多結(jié)構(gòu)相同、僅若干常量不同的類(lèi)時(shí)，可以先創(chuàng)建包含常量占位符的模板類(lèi)，而后通過(guò)Unsafe.defineAnonymousClass方法定義具體類(lèi)時(shí)填充模板的占位符生成具體的匿名類(lèi)。生成的匿名類(lèi)不顯式掛在任何ClassLoader下面，只要當(dāng)該類(lèi)沒(méi)有存在的實(shí)例對(duì)象、且沒(méi)有強(qiáng)引用來(lái)引用該類(lèi)的Class對(duì)象時(shí)，該類(lèi)就會(huì)被GC回收。故而VM Anonymous Class相比于Java語(yǔ)言層面的匿名內(nèi)部類(lèi)無(wú)需通過(guò)ClassClassLoader進(jìn)行類(lèi)加載且更易回收。

在Lambda表達(dá)式實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)invokedynamic指令調(diào)用引導(dǎo)方法生成調(diào)用點(diǎn)，在此過(guò)程中，會(huì)通過(guò)ASM動(dòng)態(tài)生成字節(jié)碼，而后利用Unsafe的defineAnonymousClass方法定義實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的函數(shù)式接口的匿名類(lèi)，然后再實(shí)例化此匿名類(lèi)，并返回與此匿名類(lèi)中函數(shù)式方法的方法句柄關(guān)聯(lián)的調(diào)用點(diǎn)；而后可以通過(guò)此調(diào)用點(diǎn)實(shí)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(lèi)來(lái)舉例說(shuō)明。

Test類(lèi)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(duì)本文說(shuō)明無(wú)意義的部分），我們可以從中看到main方法的指令實(shí)現(xiàn)、invokedynamic指令調(diào)用的引導(dǎo)方法BootstrapMethods、及靜態(tài)方法lambda$main$0（實(shí)現(xiàn)了Lambda表達(dá)式中字符串打印邏輯）等。在引導(dǎo)方法執(zhí)行過(guò)程中，會(huì)通過(guò)Unsafe.defineAnonymousClass生成如下圖二所示的實(shí)現(xiàn)Consumer接口的匿名類(lèi)。其中，accept方法通過(guò)調(diào)用Test類(lèi)中的靜態(tài)方法lambda$main$0來(lái)實(shí)現(xiàn)Lambda表達(dá)式中定義的邏輯。而后執(zhí)行語(yǔ)句consumer.accept（"lambda"）其實(shí)就是調(diào)用下圖二所示的匿名類(lèi)的accept方法。

對(duì)象操作

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

//返回對(duì)象成員屬性在內(nèi)存地址相對(duì)于此對(duì)象的內(nèi)存地址的偏移量
public native long objectFieldOffset(Field f);
//獲得給定對(duì)象的指定地址偏移量的值，與此類(lèi)似操作還有：getInt，getDouble，getLong，getChar等
public native Object getObject(Object o, long offset);
//給定對(duì)象的指定地址偏移量設(shè)值，與此類(lèi)似操作還有：putInt，putDouble，putLong，putChar等
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);
//從對(duì)象的指定偏移量處獲取變量的引用，使用volatile的加載語(yǔ)義
public native Object getObjectVolatile(Object o, long offset);
//存儲(chǔ)變量的引用到對(duì)象的指定的偏移量處，使用volatile的存儲(chǔ)語(yǔ)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(shí)有效
public native void putOrderedObject(Object o, long offset, Object x);
//繞過(guò)構(gòu)造方法、初始化代碼來(lái)創(chuàng)建對(duì)象
public native Object allocateInstance(Class cls) throws InstantiationException;

典型應(yīng)用

• 常規(guī)對(duì)象實(shí)例化方式：我們通常所用到的創(chuàng)建對(duì)象的方式，從本質(zhì)上來(lái)講，都是通過(guò)new機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)象的創(chuàng)建。但是，new機(jī)制有個(gè)特點(diǎn)就是當(dāng)類(lèi)只提供有參的構(gòu)造函數(shù)且無(wú)顯示聲明無(wú)參構(gòu)造函數(shù)時(shí)，則必須使用有參構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行對(duì)象構(gòu)造，而使用有參構(gòu)造函數(shù)時(shí)，必須傳遞相應(yīng)個(gè)數(shù)的參數(shù)才能完成對(duì)象實(shí)例化。

• 非常規(guī)的實(shí)例化方式：而Unsafe中提供allocateInstance方法，僅通過(guò)Class對(duì)象就可以創(chuàng)建此類(lèi)的實(shí)例對(duì)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(cè)，也就是即使構(gòu)造器是private修飾的也能通過(guò)此方法實(shí)例化，只需提類(lèi)對(duì)象即可創(chuàng)建相應(yīng)的對(duì)象。由于這種特性，allocateInstance在java.lang.invoke、Objenesis（提供繞過(guò)類(lèi)構(gòu)造器的對(duì)象生成方式）、Gson（反序列化時(shí)用到）中都有相應(yīng)的應(yīng)用。

如下圖所示，在Gson反序列化時(shí)，如果類(lèi)有默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，則通過(guò)反射調(diào)用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建實(shí)例，否則通過(guò)UnsafeAllocator來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)象實(shí)例的構(gòu)造，UnsafeAllocator通過(guò)調(diào)用Unsafe的allocateInstance實(shí)現(xiàn)對(duì)象的實(shí)例化，保證在目標(biāo)類(lèi)無(wú)默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)時(shí)，反序列化不夠影響。

數(shù)組相關(guān)

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

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

典型應(yīng)用

這兩個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)Integer數(shù)組中每個(gè)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(guò)Unsafe的arrayBaseOffset、arrayIndexScale分別獲取數(shù)組首元素的偏移地址base及單個(gè)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(gè)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(guò)checkedByteOffset方法獲取某數(shù)組元素的偏移地址，而后通過(guò)CAS實(shí)現(xiàn)原子性操作。

內(nèi)存屏障

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(lèi)同步屏障指令，是CPU或編譯器在對(duì)內(nèi)存隨機(jī)訪問(wèn)的操作中的一個(gè)同步點(diǎn)，使得此點(diǎn)之前的所有讀寫(xiě)操作都執(zhí)行后才可以開(kāi)始執(zhí)行此點(diǎn)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();

典型應(yīng)用

在Java 8中引入了一種鎖的新機(jī)制——StampedLock，它可以看成是讀寫(xiě)鎖的一個(gè)改進(jìn)版本。StampedLock提供了一種樂(lè)觀讀鎖的實(shí)現(xiàn)，這種樂(lè)觀讀鎖類(lèi)似于無(wú)鎖的操作，完全不會(huì)阻塞寫(xiě)線程獲取寫(xiě)鎖，從而緩解讀多寫(xiě)少時(shí)寫(xiě)線程“饑餓”現(xiàn)象。由于StampedLock提供的樂(lè)觀讀鎖不阻塞寫(xiě)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(shí)，會(huì)存在數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題，所以當(dāng)使用StampedLock的樂(lè)觀讀鎖時(shí)，需要遵從如下圖用例中使用的模式來(lái)確保數(shù)據(jù)的一致性。

如上圖用例所示計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)Point對(duì)象，包含點(diǎn)移動(dòng)方法move及計(jì)算此點(diǎn)到原點(diǎn)的距離的方法distanceFromOrigin。在方法distanceFromOrigin中，首先，通過(guò)tryOptimisticRead方法獲取樂(lè)觀讀標(biāo)記；然后從主內(nèi)存中加載點(diǎn)的坐標(biāo)值 (x,y)；而后通過(guò)StampedLock的validate方法校驗(yàn)鎖狀態(tài)，判斷坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)從主內(nèi)存加載到線程工作內(nèi)存過(guò)程中，主內(nèi)存的值是否已被其他線程通過(guò)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(jì)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(jì)算。其中，校驗(yàn)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(shí)現(xiàn)，通過(guò)鎖標(biāo)記與相關(guān)常量進(jìn)行位運(yùn)算、比較來(lái)校驗(yàn)鎖狀態(tài)，在校驗(yàn)邏輯之前，會(huì)通過(guò)Unsafe的loadFence方法加入一個(gè)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(yàn)運(yùn)算發(fā)生重排序?qū)е骆i狀態(tài)校驗(yàn)不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

系統(tǒng)相關(guān)

這部分包含兩個(gè)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(yè)的大小，此值為2的冪次方。
public native int pageSize();

典型應(yīng)用

如下圖所示的代碼片段，為java.nio下的工具類(lèi)Bits中計(jì)算待申請(qǐng)內(nèi)存所需內(nèi)存頁(yè)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(yè)大小實(shí)現(xiàn)后續(xù)計(jì)算邏輯。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)Java中的sun.misc.Unsafe的用法及應(yīng)用場(chǎng)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(huì)對(duì)程序帶來(lái)許多不可控的災(zāi)難。因此對(duì)它的使用我們需要慎之又慎。

參考資料

• 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）》

作者簡(jiǎn)介

璐璐，美團(tuán)點(diǎn)評(píng)Java開(kāi)發(fā)工程師。2017年加入美團(tuán)點(diǎn)評(píng)，負(fù)責(zé)美團(tuán)點(diǎn)評(píng)境內(nèi)度假的后端開(kāi)發(fā)。