最新Java教程:Unsafe应用解析(一)

开课吧开课吧锤锤2021-03-24 11:24

    Java编程语言是一种简单、面向对象、分布式、解释型、健壮安全、与系统无关、可移植、高性能、多线程和动态的语言。如今Java已经广泛应用于各个领域的编程开发。

Java

    前言

    Unsafe是位于sun.misc包下的一个类,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。

    注:本文对sun.misc.Unsafe公共API功能及相关应用场景进行介绍。

    基本介绍

    如下Unsafe源码所示,Unsafe类为一单例实现,提供静态方法getUnsafe获取Unsafe实例,当且仅当调用getUnsafe方法的类为引导类加载器所加载时才合法,否则抛出SecurityException异常。

public final class Unsafe {
  // 单例对象
  private static final Unsafe theUnsafe;

  private Unsafe() {
  }
  @CallerSensitive
  public static Unsafe getUnsafe() {
    Class var0 = Reflection.getCallerClass();
    // 仅在引导类加载器`BootstrapClassLoader`加载时才合法
    if(!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {    
      throw new SecurityException("Unsafe");
    } else {
      return theUnsafe;
    }
  }
}

    那如若想使用这个类,该如何获取其实例?有如下两个可行方案。

    其一,从getUnsafe方法的使用限制条件出发,通过Java命令行命令-Xbootclasspath/a把调用Unsafe相关方法的类A所在jar包路径追加到默认的bootstrap路径中,使得A被引导类加载器加载,从而通过Unsafe.getUnsafe方法安全的获取Unsafe实例。

java -Xbootclasspath/a: ${path}   // 其中path为调用Unsafe相关方法的类所在jar包路径 

    其二,通过反射获取单例对象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;
    }
}

功能介绍

Java

    如上图所示,Unsafe提供的API大致可分为内存操作、CAS、Class相关、对象操作、线程调度、系统信息获取、内存屏障、数组操作等几类,下面将对其相关方法和应用场景进行详细介绍。

    内存操作

    这部分主要包含堆外内存的分配、拷贝、释放、给定地址值操作等方法。

//分配内存, 相当于C++的malloc函数
public native long allocateMemory(long bytes);
//扩充内存
public native long reallocateMemory(long address, long bytes);
//释放内存
public native void freeMemory(long address);
//在给定的内存块中设置值
public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);
//内存拷贝
public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset, Object destBase, long destOffset, long bytes);
//获取给定地址值,忽略修饰限定符的访问限制。与此类似操作还有: getInt,getDouble,getLong,getChar等
public native Object getObject(Object o, long offset);
//为给定地址设置值,忽略修饰限定符的访问限制,与此类似操作还有: putInt,putDouble,putLong,putChar等
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);
//获取给定地址的byte类型的值(当且仅当该内存地址为allocateMemory分配时,此方法结果为确定的)
public native byte getByte(long address);
//为给定地址设置byte类型的值(当且仅当该内存地址为allocateMemory分配时,此方法结果才是确定的)
public native void putByte(long address, byte x);

    通常,我们在Java中创建的对象都处于堆内内存(heap)中,堆内内存是由JVM所管控的Java进程内存,并且它们遵循JVM的内存管理机制,JVM会采用垃圾回收机制统一管理堆内存。与之相对的是堆外内存,存在于JVM管控之外的内存区域,Java中对堆外内存的操作,依赖于Unsafe提供的操作堆外内存的native方法。

    使用堆外内存的原因

    对垃圾回收停顿的改善。由于堆外内存是直接受操作系统管理而不是JVM,所以当我们使用堆外内存时,即可保持较小的堆内内存规模。从而在GC时减少回收停顿对于应用的影响。

    提升程序I/O操作的性能。通常在I/O通信过程中,会存在堆内内存到堆外内存的数据拷贝操作,对于需要频繁进行内存间数据拷贝且生命周期较短的暂存数据,都建议存储到堆外内存。

    典型应用

    DirectByteBuffer是Java用于实现堆外内存的一个重要类,通常用在通信过程中做缓冲池,如在Netty、MINA等NIO框架中应用广泛。DirectByteBuffer对于堆外内存的创建、使用、销毁等逻辑均由Unsafe提供的堆外内存API来实现。

    下图为DirectByteBuffer构造函数,创建DirectByteBuffer的时候,通过Unsafe.allocateMemory分配内存、Unsafe.setMemory进行内存初始化,而后构建Cleaner对象用于跟踪DirectByteBuffer对象的垃圾回收,以实现当DirectByteBuffer被垃圾回收时,分配的堆外内存一起被释放。

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    那么如何通过构建垃圾回收追踪对象Cleaner实现堆外内存释放呢?

    Cleaner继承自Java四大引用类型之一的虚引用PhantomReference(众所周知,无法通过虚引用获取与之关联的对象实例,且当对象仅被虚引用引用时,在任何发生GC的时候,其均可被回收),通常PhantomReference与引用队列ReferenceQueue结合使用,可以实现虚引用关联对象被垃圾回收时能够进行系统通知、资源清理等功能。如下图所示,当某个被Cleaner引用的对象将被回收时,JVM垃圾收集器会将此对象的引用放入到对象引用中的pending链表中,等待Reference-Handler进行相关处理。其中,Reference-Handler为一个拥有最高优先级的守护线程,会循环不断的处理pending链表中的对象引用,执行Cleaner的clean方法进行相关清理工作。

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    所以当DirectByteBuffer仅被Cleaner引用(即为虚引用)时,其可以在任意GC时段被回收。当DirectByteBuffer实例对象被回收时,在Reference-Handler线程操作中,会调用Cleaner的clean方法根据创建Cleaner时传入的Deallocator来进行堆外内存的释放。

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    以上内容由开课吧老师璐璐提供,更多Java教程尽在开课吧广场Java教程频道。

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