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java中Unsafe类函数功能介绍

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Unsafe类功能

java不能直接访问操作系统底层，而是通过本地方法来访问，Unsafe类提供了硬件级别的原子操作，主要提供了以下功能：

  • 1、通过Unsafe类可以分配内存，可以释放内存
  • 2、可以定位对象某字段的内存位置，也可以修改对象的字段值，就算是它是私有的
  • 3、挂起与恢复线程
  • 4、CAS操作



分配内存和释放内存

Unsafe类中提供的3个本地方法

allocateMemory

、

reallocateMemory

、

freeMemory

分别用于

分配内存

，

扩充内存

和

释放内存

，与C语言中的3个方法对应。 

public native long allocateMemory(long var1);

public native void freeMemory(long var1);

 public native Object allocateInstance(Class<?> var1) throws InstantiationException;



定位对象某字段的内存位置以及修改对象的字段值


字段的定位

：


staticFieldOffset()

方法可以获取对象字段的偏移地址，该方法返回给定Field的内存地址偏移量，这个值对于给定的Filed是唯一的且是固定不变的。 

public native long staticFieldOffset(Field var1);

Unsafe类中提供很多getxxx方法，就是根据对象地址和字段偏移地址来获取某个字段对应的值，由于字段的类型很多（

byte，short，int，long，float，float，double，char，boolean，引用数据类型等

），所以这种方法也就有很多种，线程安全使用使用

getxxxVolatile()

方法，否则使用

getxxx()

方法，

下面就使用获取int类型的字段的值举例

：


  • getInt()

    方法可以获取对象中offset偏移地址对应的

    整型Field

    的值。 

    /**
* 功能：获取的是整形字段的值 int
* Object var1:包含要读取字段（Field）的对象
* long var2:该字段的偏移地址
* */
public native int getInt(Object var1, long var2);;


  • getLongVolatile()

    方法获取对象中offset偏移地址对应的

    整型Field

    的值，

    支持volatile load语义
     

    /**
* 功能：获取的是整形字段的值 long
* Object var1:包含要读取字段（Field）的对象
* long var2:该字段的偏移地址
* */
public native long getIntVolatile(Object var1, long var2);

注意：Unsafe类中还提供了一个形参的

getxxx

方法，没有提供一个形参的

getxxxVolatile()

方法，例如： 

 public native int getInt(long var1);


数组元素定位

：

Unsafe类中有很多以

BASE_OFFSET

结尾的常量，比如ARRAY_INT_BASE_OFFSET，ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET等，这些常量值是通过arrayBaseOffset()方法得到的。

arrayBaseOffset()

方法是一个本地方法，可以获取数组第一个元素的偏移地址。

Unsafe类中还有很多以

INDEX_SCALE

结尾的常量，比如 ARRAY_INT_INDEX_SCALE ， ARRAY_BYTE_INDEX_SCALE等，这些常量值是通过arrayIndexScale方法得到的。

arrayIndexScale()

方法也是一个本地方法，可以获取数组的转换因子，也就是数组中元素的增量地址。将arrayBaseOffset与arrayIndexScale配合使用，可以定位数组中每个元素在内存中的位置。 

public final class Unsafe {
    private static final Unsafe theUnsafe;
    public static final int INVALID_FIELD_OFFSET = -1;
    public static final int ARRAY_BOOLEAN_BASE_OFFSET;
    public static final int ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET;
    public static final int ARRAY_SHORT_BASE_OFFSET;
    public static final int ARRAY_CHAR_BASE_OFFSET;
    public static final int ARRAY_INT_BASE_OFFSET;
    public static final int ARRAY_LONG_BASE_OFFSET;
    public static final int ARRAY_FLOAT_BASE_OFFSET;
    public static final int ARRAY_DOUBLE_BASE_OFFSET;
    public static final int ARRAY_OBJECT_BASE_OFFSET;
    public static final int ARRAY_BOOLEAN_INDEX_SCALE;
    public static final int ARRAY_BYTE_INDEX_SCALE;
    public static final int ARRAY_SHORT_INDEX_SCALE;
    public static final int ARRAY_CHAR_INDEX_SCALE;
    public static final int ARRAY_INT_INDEX_SCALE;
    public static final int ARRAY_LONG_INDEX_SCALE;
    public static final int ARRAY_FLOAT_INDEX_SCALE;
    public static final int ARRAY_DOUBLE_INDEX_SCALE;
    public static final int ARRAY_OBJECT_INDEX_SCALE;
    public static final int ADDRESS_SIZE;
    
    public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1);
    public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);



挂起与恢复线程

将一个线程进行挂起是通过

park

方法实现的，调用

park

后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现

，unpark

可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。 

public native void park(boolean var1, long var2);
public native void unpark(Object var1);

整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在

LockSupport

类中，该类是JUC包下的一个类，LockSupport类中有各种版本pack方法，但最终都调用了

Unsafe.park()

方法。



CAS操作

CAS是通过compareAndSwapXXX方法实现的，如下：


  • compareAndSwapObject

  • compareAndSwapInt

  • compareAndSwapLong
     
/**
* 比较obj的offset处内存位置中的对象和期望对象，如果相同则更新，此更新是不可中断的。
* 
* @param var1 需要更新的对象
* @param var2 obj中obj字段的偏移量，注意obj是一种通称
* @param var4 希望obj字段的值
* @param var5 如果期望值var4与var2相同，设置obj字段的值为这个新值
* @return 如果obj字段的值被更改返回true
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

/**
* 比较obj的offset处内存位置中的值和期望的值，如果相同则更新，此更新是不可中断的。
* 
* @param obj 需要更新的对象
* @param offset obj中整型field的偏移量
* @param expect 希望field中存在的值
* @param update 如果期望值expect与field的当前值相同，设置filed的值为这个新值
* @return 如果field的值被更改返回true
*/
public final native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expect, int update);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（offset）、预期原值（expect）和新值(update)，如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值，否则，处理器不做任何操作

Java并发包

(java.util.concurrent

)中大量使用了CAS操作，涉及到并发的地方都调用了

sun.misc.Unsafe

类方法进行CAS操作。



Unsafe类功中其他方法介绍

  • 注意：这里虽然只是介绍了部分方法，但是大多数的方法使用是相同的，只不过是对不同数据类型进行操作而已！！！ 
//下面是sun.misc.Unsafe.java类源码
package sun.misc;
import java.lang.reflect.Field;
/***
 * 这个类提供了一个更底层的操作并且应该在受信任的代码中使用，可以通过内存地址
 * 存取fields,如果给出的内存地址是无效的那么会有一个不确定的运行表现。
 */
public class Unsafe
{
  // 单例模式，对外不提供构造方法，使用的时候，使用对用的getxxx方法获取该对象实例
  private static Unsafe unsafe = new Unsafe();
  /***
   * 构造器私有
   */
  private Unsafe(){}
  /**
   * 获取Unsafe的单例
   */
  public static Unsafe getUnsafe()
  {
    SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    if (sm != null)
      sm.checkPropertiesAccess();
    return unsafe;
  }
  
  /***
   * 返回指定静态字段(Field)的内存地址偏移量
   * 这个偏移量对于给定的Field是唯一的，并且后续对该方法的调用都应该返回相同的值。
   *
   * @param field 需要返回偏移量的Field
   * @return Field的偏移量
   */
  public native long objectFieldOffset(Field field);
  /**
   * 在obj的offset位置比较integer field和期望的值，如果相同则更新。这个方法
   * 的操作应该是原子的，因此提供了一种不可中断的方式更新integer field。
   * 
   * @param obj 包含要修改field的对象
   * @param offset obj中整型field的偏移量
   * @param 希望field中存在的值
   * @param 如果期望值expect与field的当前值相同，设置filed的值为这个新值
   * @return true 如果field的值被更改
   */
  public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset,
                                          int expect, int update);
  /**
   * 参考 compareAndSwapInt()
   */
  public native boolean compareAndSwapLong(Object obj, long offset,
                                           long expect, long update);
  /***
   * 在obj的offset位置比较object field和期望的值，如果相同则更新。这个方法
   * 的操作应该是原子的，因此提供了一种不可中断的方式更新object field。
   * 
   * @param 包含要修改field的对象 
   * @param obj中object型field的偏移量
   * @param 希望field中存在的值
   * @param 如果期望值expect与field的当前值相同，设置filed的值为这个新值
   * @return true 如果field的值被更改
   */
  public native boolean compareAndSwapObject(Object obj, long offset,
                                             Object expect, Object update);
  /***
   * 设置obj对象中offset偏移地址对应的整型field的值为指定值。这是一个有序或者
   * 有延迟的putIntVolatile方法，并且不保证值的改变被其他线程立即看到。
   * 只有在field被volatile关键字修饰并且期望被意外修改的时候使用才有用。
   *
   * @param 包含需要修改field的对象
   * @param obj中整型field的偏移量
   * @param field将被设置的新值
   * @see putIntVolatile(Object,long,int)
   */
  public native void putOrderedInt(Object obj, long offset, int value);
  /***
   * 参考putOrderedInt()
   */
  public native void putOrderedLong(Object obj, long offset, long value);
  /***
   * 设置obj对象中offset偏移地址对应的object型field的值为指定值。这是一个有序或者
   * 有延迟的putObjectVolatile方法，并且不保证值的改变被其他线程立即看到。
   * 只有在field被volatile修饰并且期望被意外修改的时候使用才有用。
   *
   * @param 包含需要修改field的对象
   * @param obj中long型field的偏移量
   * @param field将被设置的新值
   */
  public native void putOrderedObject(Object obj, long offset, Object value);
  /***
   * 设置obj对象中offset偏移地址对应的整型field的值为指定值，支持volatile store语义
   * 
   * @param 包含需要修改field的对象
   * @param obj中整型field的偏移量
   * @param field将被设置的新值
   */
  public native void putIntVolatile(Object obj, long offset, int value);
  /***
   * 参考putIntVolatile()
   */
  public native void putLongVolatile(Object obj, long offset, long value);
  /***
   * 设置obj对象中offset偏移地址对应的long型field的值为指定值。
   * 
   * @param 包含需要修改field的对象
   * @param obj中long型field的偏移量
   * @param field将被设置的新值
   * @see #putLongVolatile(Object,long,long)
   */
   
  public native void putLong(Object obj, long offset, long value);
  
    /***
   * 获取obj对象中offset偏移地址对应的整型field的值,支持volatile load语义。
   * 
   * @param 包含需要去读取的field的对象
   * @param obj中整型field的偏移量
   */
  public native int getIntVolatile(Object obj, long offset);
  /***
   * 参考getIntVolatile()
   */
   
  public native long getLongVolatile(Object obj, long offset);
  /***
   * 获取obj对象中offset偏移地址对应的long型field的值
   * 
   * @param 包含需要去读取的field的对象
   * @param  obj中long型field的偏移量
   * @see #getLongVolatile(Object,long)
   */
  public native long getLong(Object obj, long offset);
  /***
   * 设置obj对象中offset偏移地址对应的object型field的值为指定值。支持volatile store语义
   * 
   * @param 包含需要修改field的对象
   * @param obj中object型field的偏移量
   * @param field将被设置的新值
   * @see #putObject(Object,long,Object)
   */
  public native void putObjectVolatile(Object obj, long offset, Object value);
  /***
   * 设置obj对象中offset偏移地址对应的object型field的值为指定值。
   * 
   * @param 包含需要修改field的对象
   * @param obj中object型field的偏移量
   * @param field将被设置的新值
   * @see #putObjectVolatile(Object,long,Object)
   */
  public native void putObject(Object obj, long offset, Object value);
  /***
   * 获取obj对象中offset偏移地址对应的object型field的值,支持volatile load语义。
   * 
   * @param 含需要去读取的field的对象
   * @param obj中object型field的偏移量
   */
  public native Object getObjectVolatile(Object obj, long offset);
  /***
   * 获取给定数组中第一个元素的偏移地址。
   * 为了存取数组中的元素，这个偏移地址与arrayIndexScale方法的非0返回值一起被使用。
   * @param 第一个元素地址被获取的class
   * @return 数组第一个元素的偏移地址
   * @see arrayIndexScale(Class)
   */
  public native int arrayBaseOffset(Class arrayClass);
  /***
   * 获取用户给定数组寻址的换算因子，一个合适的换算因子不能返回的时候(例如：基本类型),
   * 返回0，这个返回值能够与arrayBaseOffset一起使用去存取这个数组class中的元素
   * 
   * @param arrayClass the class whose scale factor should be returned.
   * @return the scale factor, or zero if not supported for this array class.
   */
  public native int arrayIndexScale(Class arrayClass);
  
  /***
   * 释放被park创建的在一个线程上的阻塞.这个方法也可以被使用来终止一个先前调用park导致的阻塞.
   * 这个操作操作是不安全的,因此线程必须保证是活的，这是java代码不是native代码。
   * @param 要解除阻塞的线程
   */
  public native void unpark(Thread thread);
  /***
   * 阻塞一个线程直到unpark出现、线程被中断或者timeout时间到期。如果一个unpark调用已经出现了，
   * 这里只计数。timeout为0表示永不过期.当isAbsolute为true时，
   * timeout是相对于新纪元之后的毫秒。否则这个值就是超时前的纳秒数。这个方法执行时
   * 也可能不合理地返回(没有具体原因)
   * 
   * @param 如果为true timeout的值是一个相对于新纪元之后的毫秒数
   * @param 可以是一个要等待的纳秒数，或者是一个相对于新纪元之后的毫秒数直到到达这个时间点
   */
  public native void park(boolean isAbsolute, long time);
}


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