Unsafe类详解

Unsafe类就和它的名字一样,是一个比较危险的类,它主要用于执行低级别、不安全的方法。

尽管这个类和所有的方法都是公开的(public),但是这个类的使用仍然受限,你无法在自己的java程序中直接使用该类,因为只有授信的代码才能获得该类的实例。

方法分类

Unsafe API的大部分方法都是native实现,它由105个方法组成,主要包括以下几类:

(1)Info相关。主要返回某些低级别的内存信息:addressSize(), pageSize()

(2)Objects相关。主要提供Object和它的域操纵方法:allocateInstance(),objectFieldOffset()

(3)Class相关。主要提供Class和它的静态域操纵方法:staticFieldOffset(),defineClass(),defineAnonymousClass(),ensureClassInitialized()

(4)Arrays相关。数组操纵方法:arrayBaseOffset(),arrayIndexScale()

(5)Synchronization相关。主要提供低级别同步原语(如基于CPU的CAS(Compare-And-Swap)原语):monitorEnter(),tryMonitorEnter(),monitorExit(),compareAndSwapInt(),putOrderedInt()

(6)Memory相关。直接内存访问方法(绕过JVM堆直接操纵本地内存):allocateMemory(),copyMemory(),freeMemory(),getAddress(),getInt(),putInt()

类的使用

如果我们要使用Unsafe类,首先需要获取Unsafe类的对象,但是它的构造函数是private的:

private Unsafe() {}

我们只能通过Unsafe的getUnsafe()方法获取该类的对象:

(或者使用反射)

@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
    Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
    if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader()))
        throw new SecurityException("Unsafe");
    return theUnsafe;
}

安全性与授信代码

Unsafe类是比较危险的,它只有在授信代码中才会返回theUnsafe对象,否则,抛出SecurityException异常,那什么是授信的代码呢?

我们看一看getClassLoader()方法:

@CallerSensitive
public ClassLoader getClassLoader() {
    ClassLoader cl = getClassLoader0();
    if (cl == null)
        return null;
    SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    if (sm != null) {
        ClassLoader.checkClassLoaderPermission(cl, Reflection.getCallerClass());
    }
    return cl;
}

该方法返回加载该类的类加载器,如果是被Bootstrap ClassLoader加载的类,则cl为null,

然后我们再看VM.isSystemDomainLoader(ClassLoader)方法:

public static boolean isSystemDomainLoader(ClassLoader loader) {
    return loader == null;
}

若类加载器为null,则返回true,即该代码为授信代码。

classLoader

所以,只要代码是被Bootstrap ClassLoader类加载器加载的类就是授信代码了。

我们知道Bootstrap ClassLoader类加载器会加载-Xbootclasspath参数所指定的路径中的类,所以,我们可以修改-Xbootclasspath参数,将我们的代码所在的路径添加进去,那我们的代码就可以使用Unsafe类了;

为此可以将引导类加载器路径设置为系统默认值加上自身代码的当前路径

java -Xbootclasspath:/usr/lib/jvm/jdk1.8.0/jre/lib/rt.jar:. MainClassName

反射

或者也可以使用反射从 Unsafe类上得到它私有的Unsafe实例。

如下所示:

public class UnsafeTest {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
		field.setAccessible(true);
		Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
	}
}

Unsafe 作用

有用的特性

1、虚拟机“集约化”(VM intrinsification):如用于无锁Hash表中的CAS(比较和交换)。

再比如compareAndSwapInt这个方法用JNI调用,包含了对CAS有特殊引导的本地代码。

在这里你能读到更多关于CAS的信息:http://en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap。

2、主机虚拟机(译注:主机虚拟机主要用来管理其他虚拟机。而虚拟平台我们看到只有guest VM)的sun.misc.Unsafe功能能够被用于未初始化的对象分配内存(用allocateInstance方法),然后将构造器调用解释为其他方法的调用。

3、你可以从本地内存地址中追踪到这些数据。使用java.lang.Unsafe类获取内存地址是可能的。而且可以通过unsafe方法直接操作这些变量!

4、使用allocateMemory方法,内存可以被分配到堆外。例如当allocateDirect方法被调用时DirectByteBuffer构造器内部会使用allocateMemory。

5、arrayBaseOffset和arrayIndexScale方法可以被用于开发arraylets,一种用来将大数组分解为小对象、限制扫描的实时消耗或者在大对象上做更新和移动。

1、通过Unsafe类可以分配内存,可以释放内存;

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。

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,即使它是私有的;

public native long allocateMemory(long l);
public native long reallocateMemory(long l, long l1);
public native void freeMemory(long l);

字段的定位:

JAVA中对象的字段的定位可能通过staticFieldOffset方法实现,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。

getIntVolatile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。

getLong方法获取对象中offset偏移地址对应的long型field的值

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。

源码此处就不复制了,参见 sun.misc.Unsafe

3、挂起与恢复

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。

整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中,LockSupport类中有各种版本pack方法,但最终都调用了Unsafe.park()方法。

public class LockSupport {
    public static void unpark(Thread thread) {
        if (thread != null)
            unsafe.unpark(thread);
    }

    public static void park(Object blocker) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        unsafe.park(false, 0L);
        setBlocker(t, null);
    }

    public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {
        if (nanos > 0) {
            Thread t = Thread.currentThread();
            setBlocker(t, blocker);
            unsafe.park(false, nanos);
            setBlocker(t, null);
        }
    }

    public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        unsafe.park(true, deadline);
        setBlocker(t, null);
    }

    public static void park() {
        unsafe.park(false, 0L);
    }

    public static void parkNanos(long nanos) {
        if (nanos > 0)
            unsafe.park(false, nanos);
    }

    public static void parkUntil(long deadline) {
        unsafe.park(true, deadline);
    }
}

4、CAS操作

是通过compareAndSwapXXX方法实现的

/**
* 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 native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expect, int update);

CAS操作有3个操作数,内存值M,预期值E,新值U,如果M==E,则将内存值修改为B,否则啥都不做。

CAS 简介

首先介绍一下什么是Compare And Swap(CAS)?

简单的说就是比较并交换。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。

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。无论哪种情况,它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。

CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A;如果包含该值,则将 B 放到这个位置;否则,不要更改该位置,只告诉我这个位置现在的值即可。”

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。

CAS

Volatile

在看一下volatile, Volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时,都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且,当成员变量发生变化时,强迫线程将变化值回写到共享内存。

这样在任何时刻,两个不同的线程总是看到某个成员变量的值是相同的,更简单一点理解就是volatile修饰的变量值发生变化时对于另外的线程是可见的。

Volatile

5、在非Java堆中分配内存

使用new关键字分配的内存会在堆中,并且对象的生命周期内,会被垃圾回收器管理。

Unsafe类通过allocateMemory(long)方法分配的内存,不受Integer.MAX_VALUE的限制,并且分配在非堆内存,使用它时,需要非常谨慎,该部分内存需要手动回收,否则会产生内存泄露;非法的地址访问时,会导致Java虚拟机崩溃。

在需要分配大的连续区域、实时编程时,可以使用该方式,java的nio使用了这一方法。

public static void unsafeAllocateMemory() throws Exception {
    int BYTE = 1;
    
    long address = unsafe.allocateMemory(BYTE);
    unsafe.putByte(address, (byte) 10);
    byte num = unsafe.getByte(address);
    
    System.out.println(num);
    
    unsafe.freeMemory(address);
}

运行结果

10

小结

可以看到,通过Unsafe类可以实现很多有趣的功能,这些方法都是比较底层的方法,而且效率比较高,但是使用起来却比较危险,因为Unsafe类中的方法与我们通常的用法相悖,比如,通过Unsafe类直接修改其他类的parivate变量,直接分配堆外内存等等,这很像c语言的malloc()方法。

在平常的开发当中,并不建议直接使用Unsafe类。

Unsafe 有趣的应用场景

##(1)绕过类初始化方法。

当你想要绕过对象构造方法、安全检查器或者没有public的构造方法时,allocateInstance()方法变得非常有用。

class A {
    private long a; // not initialized value
 
    public A() {
        this.a = 1; // initialization
    }
 
    public long a() { return this.a; }
}

以下是构造方法、反射方法和allocateInstance()的对照

A o1 = new A(); // constructor
o1.a(); // prints 1
 
A o2 = A.class.newInstance(); // reflection
o2.a(); // prints 1
 
A o3 = (A) unsafe.allocateInstance(A.class); // unsafe
o3.a(); // prints 0

allocateInstance()根本没有进入构造方法,在单例模式时,我们似乎看到了危机。

内存修改

内存修改在c语言中是比较常见的,在Java中,可以用它绕过安全检查器。

考虑以下简单准入检查规则:

class Guard {
    private int ACCESS_ALLOWED = 1;
 
    public boolean giveAccess() {
        return 42 == ACCESS_ALLOWED;
    }
}

在正常情况下,giveAccess总会返回false,但事情不总是这样

Guard guard = new Guard();
guard.giveAccess();   // false, no access
 
// bypass
Unsafe unsafe = getUnsafe();
Field f = guard.getClass().getDeclaredField("ACCESS_ALLOWED");
unsafe.putInt(guard, unsafe.objectFieldOffset(f), 42); // memory corruption
 
guard.giveAccess(); // true, access granted

通过计算内存偏移,并使用putInt()方法,类的ACCESS_ALLOWED被修改。

在已知类结构的时候,数据的偏移总是可以计算出来(与c++中的类中数据的偏移计算是一致的)。

(3)实现类似C语言的 sizeOf() 函数

通过结合Java反射和objectFieldOffset()函数实现一个C-like sizeOf()函数。

public static long sizeOf(Object o) {
    Unsafe u = getUnsafe();
    HashSet fields = new HashSet();
    Class c = o.getClass();
    while (c != Object.class) {
        for (Field f : c.getDeclaredFields()) {
            if ((f.getModifiers() & Modifier.STATIC) == 0) {
                fields.add(f);
            }
        }
        c = c.getSuperclass();
    }
 
    // get offset
    long maxSize = 0;
    for (Field f : fields) {
        long offset = u.objectFieldOffset(f);
        if (offset > maxSize) {
            maxSize = offset;
        }
    }
 
    return ((maxSize/8) + 1) * 8;   // padding
}

算法的思路非常清晰:从底层子类开始,依次取出它自己和它的所有超类的非静态域,放置到一个HashSet中(重复的只计算一次,Java是单继承),然后使用objectFieldOffset()获得一个最大偏移,最后还考虑了对齐。

在32位的JVM中,可以通过读取class文件偏移为12的long来获取size。

public static long sizeOf(Object object){
    return getUnsafe().getAddress(
        normalize(getUnsafe().getInt(object, 4L)) + 12L);
}

其中normalize()函数是一个将有符号int转为无符号long的方法

private static long normalize(int value) {
    if(value >= 0) return value;
    return (0L >>> 32) & value;
}

两个sizeOf()计算的类的尺寸是一致的。

最标准的sizeOf()实现是使用java.lang.instrument,但是,它需要指定命令行参数-javaagent。

##(4)实现Java浅复制

标准的浅复制方案是实现Cloneable接口或者自己实现的复制函数,它们都不是多用途的函数。

通过结合sizeOf()方法,可以实现浅复制。

static Object shallowCopy(Object obj) {
    long size = sizeOf(obj);
    long start = toAddress(obj);
    long address = getUnsafe().allocateMemory(size);
    getUnsafe().copyMemory(start, address, size);
    return fromAddress(address);
}

以下的toAddress()和fromAddress()分别将对象转换到它的地址以及相反操作。

static long toAddress(Object obj) {
    Object[] array = new Object[] {obj};
    long baseOffset = getUnsafe().arrayBaseOffset(Object[].class);
    return normalize(getUnsafe().getInt(array, baseOffset));
}
 
static Object fromAddress(long address) {
    Object[] array = new Object[] {null};
    long baseOffset = getUnsafe().arrayBaseOffset(Object[].class);
    getUnsafe().putLong(array, baseOffset, address);
    return array[0];
}

以上的浅复制函数可以应用于任意java对象,它的尺寸是动态计算的。

(5)消去内存中的密码

密码字段存储在String中,但是,String的回收是受到JVM管理的。

最安全的做法是,在密码字段使用完之后,将它的值覆盖。

Field stringValue = String.class.getDeclaredField("value");
stringValue.setAccessible(true);
char[] mem = (char[]) stringValue.get(password);
for (int i=0; i < mem.length; i++) {
  mem[i] = '?';
}

(6)动态加载类

标准的动态加载类的方法是Class.forName()(在编写jdbc程序时,记忆深刻),使用Unsafe也可以动态加载java 的class文件。

byte[] classContents = getClassContent();
Class c = getUnsafe().defineClass(
              null, classContents, 0, classContents.length);
    c.getMethod("a").invoke(c.newInstance(), null); // 1
getClassContent()方法,将一个class文件,读取到一个byte数组。
 
private static byte[] getClassContent() throws Exception {
    File f = new File("/home/mishadoff/tmp/A.class");
    FileInputStream input = new FileInputStream(f);
    byte[] content = new byte[(int)f.length()];
    input.read(content);
    input.close();
    return content;
}

动态加载、代理、切片等功能中可以应用。

##(7)包装受检异常为运行时异常。

getUnsafe().throwException(new IOException());

当你不希望捕获受检异常时,可以这样做(并不推荐)。

##(8)快速序列化

标准的java Serializable速度很慢,它还限制类必须有public无参构造函数。

Externalizable好些,它需要为要序列化的类指定模式。

流行的高效序列化库,比如kryo依赖于第三方库,会增加内存的消耗。

可以通过getInt(),getLong(),getObject()等方法获取类中的域的实际值,将类名称等信息一起持久化到文件。

kryo有使用Unsafe的尝试,但是没有具体的性能提升的数据。

(http://code.google.com/p/kryo/issues/detail?id=75)

##(9)在非Java堆中分配内存

使用java 的new会在堆中为对象分配内存,并且对象的生命周期内,会被JVM GC管理。

class SuperArray {
    private final static int BYTE = 1;
 
    private long size;
    private long address;
 
    public SuperArray(long size) {
        this.size = size;
        address = getUnsafe().allocateMemory(size * BYTE);
    }
 
    public void set(long i, byte value) {
        getUnsafe().putByte(address + i * BYTE, value);
    }
 
    public int get(long idx) {
        return getUnsafe().getByte(address + idx * BYTE);
    }
 
    public long size() {
        return size;
    }
}

Unsafe分配的内存,不受Integer.MAX_VALUE的限制,并且分配在非堆内存,使用它时,需要非常谨慎:忘记手动回收时,会产生内存泄露;

非法的地址访问时,会导致JVM崩溃。

在需要分配大的连续区域、实时编程(不能容忍JVM延迟)时,可以使用它。java.nio使用这一技术。

##(10)Java并发中的应用

通过使用Unsafe.compareAndSwap()可以用来实现高效的无锁数据结构。

class CASCounter implements Counter {
    private volatile long counter = 0;
    private Unsafe unsafe;
    private long offset;

    public CASCounter() throws Exception {
        unsafe = getUnsafe();
        offset = unsafe.objectFieldOffset(CASCounter.class.getDeclaredField("counter"));
    }

    @Override
    public void increment() {
        long before = counter;
        while (!unsafe.compareAndSwapLong(this, offset, before, before + 1)) {
            before = counter;
        }
    }

    @Override
    public long getCounter() {
        return counter;
    }
}

通过测试,以上数据结构与java的原子变量的效率基本一致,Java原子变量也使用Unsafe的compareAndSwap()方法,而这个方法最终会对应到cpu的对应原语,因此,它的效率非常高。

这里有一个实现无锁HashMap的方案(http://www.azulsystems.com/about_us/presentations/lock-free-hash ,这个方案的思路是:分析各个状态,创建拷贝,修改拷贝,使用CAS原语,自旋锁),在普通的服务器机器(核心<32),使用ConcurrentHashMap(JDK8以前,默认16路分离锁实现,JDK8中ConcurrentHashMap已经使用无锁实现)明显已经够用。

Unsafe 源码

下面来看看java中具体的CAS操作类sun.misc.Unsafe。

源码地址

在openjdk8下看Unsafe源码

http://hg.openjdk.java.net/jdk7/jdk7/jdk/file/9b8c96f96a0f/src/share/classes/sun/misc/Unsafe.java

http://hg.openjdk.java.net/jdk8/jdk8/jdk/file/687fd7c7986d/src/share/classes/sun/misc/Unsafe.java

源码

Unsafe 类提供了硬件级别的原子操作,Java无法直接访问到操作系统底层(如系统硬件等),为此Java使用native方法来扩展Java程序的功能。

具体实现使用c++,详见文件sun.misc.natUnsafe.cc();sun.misc包的源代码可以在这里找到:

//下面是sun.misc.Unsafe.java类源码
package sun.misc;
import java.lang.reflect.Field;
/***
 * This class should provide access to low-level operations and its
 * use should be limited to trusted code.  Fields can be accessed using
 * memory addresses, with undefined behaviour occurring if invalid memory
 * addresses are given.
 * 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。
 * 
 * @author Tom Tromey (tromey@redhat.com)
 * @author Andrew John Hughes (gnu_andrew@member.fsf.org)
 */
public class Unsafe
{
  // Singleton class.
  private static Unsafe unsafe = new Unsafe();
  /***
   * Private default constructor to prevent creation of an arbitrary
   * number of instances.
   * 使用私有默认构造器防止创建多个实例
   */
  private Unsafe()
  {
  }
  /***
   * Retrieve the singleton instance of <code>Unsafe</code>.  The calling
   * method should guard this instance from untrusted code, as it provides
   * access to low-level operations such as direct memory access.
   * 获取<code>Unsafe</code>的单例,这个方法调用应该防止在不可信的代码中实例,
   * 因为unsafe类提供了一个低级别的操作,例如直接内存存取。
   * 
   * @throws SecurityException if a security manager exists and prevents
   *                           access to the system properties.
   *                           如果安全管理器不存在或者禁止访问系统属性
   */
  public static Unsafe getUnsafe()
  {
    SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    if (sm != null)
      sm.checkPropertiesAccess();
    return unsafe;
  }
  
  /***
   * Returns the memory address offset of the given static field.
   * The offset is merely used as a means to access a particular field
   * in the other methods of this class.  The value is unique to the given
   * field and the same value should be returned on each subsequent call.
   * 返回指定静态field的内存地址偏移量,在这个类的其他方法中这个值只是被用作一个访问
   * 特定field的一个方式。这个值对于 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 the field whose offset should be returned.
   *              需要返回偏移量的field
   * @return the offset of the given field.
   *         指定field的偏移量
   */
  public native long objectFieldOffset(Field field);
  /***
   * Compares the value of the integer field at the specified offset
   * in the supplied object with the given expected value, and updates
   * it if they match.  The operation of this method should be atomic,
   * thus providing an uninterruptible way of updating an integer 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 the object containing the field to modify.
   *            包含要修改field的对象
   * @param offset the offset of the integer field within <code>obj</code>.
   *               <code>obj</code>中整型field的偏移量
   * @param expect the expected value of the field.
   *               希望field中存在的值
   * @param update the new value of the field if it equals <code>expect</code>.
   *           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 if the field was changed.
   *                             如果field的值被更改
   */
  public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset,
                                          int expect, int update);
  /***
   * Compares the value of the long field at the specified offset
   * in the supplied object with the given expected value, and updates
   * it if they match.  The operation of this method should be atomic,
   * thus providing an uninterruptible way of updating a long field.
   * 在obj的offset位置比较long 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long field。
   * 
   * @param obj the object containing the field to modify.
   *              包含要修改field的对象 
   * @param offset the offset of the long field within <code>obj</code>.
   *               <code>obj</code>中long型field的偏移量
   * @param expect the expected value of the field.
   *               希望field中存在的值
   * @param update the new value of the field if it equals <code>expect</code>.
   *               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 if the field was changed.
   *              如果field的值被更改
   */
  public native boolean compareAndSwapLong(Object obj, long offset,
                                           long expect, long update);
  /***
   * Compares the value of the object field at the specified offset
   * in the supplied object with the given expected value, and updates
   * it if they match.  The operation of this method should be atomic,
   * thus providing an uninterruptible way of updating an object field.
   * 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 obj the object containing the field to modify.
   *    包含要修改field的对象 
   * @param offset the offset of the object field within <code>obj</code>.
   *         <code>obj</code>中object型field的偏移量
   * @param expect the expected value of the field.
   *               希望field中存在的值
   * @param update the new value of the field if it equals <code>expect</code>.
   *               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 if the field was changed.
   *              如果field的值被更改
   */
  public native boolean compareAndSwapObject(Object obj, long offset,
                                             Object expect, Object update);
  /***
   * Sets the value of the integer field at the specified offset in the
   * supplied object to the given value.  This is an ordered or lazy
   * version of <code>putIntVolatile(Object,long,int)</code>, which
   * doesn't guarantee the immediate visibility of the change to other
   * threads.  It is only really useful where the integer field is
   * <code>volatile</code>, and is thus expected to change unexpectedly.
   * 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<code>putIntVolatile</cdoe>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<code>volatile</code>修饰并且期望被意外修改的时候
   * 使用才有用。
   * 
   * @param obj the object containing the field to modify.
   *    包含需要修改field的对象
   * @param offset the offset of the integer field within <code>obj</code>.
   *       <code>obj</code>中整型field的偏移量
   * @param value the new value of the field.
   *      field将被设置的新值
   * @see #putIntVolatile(Object,long,int)
   */
  public native void putOrderedInt(Object obj, long offset, int value);
  /***
   * Sets the value of the long field at the specified offset in the
   * supplied object to the given value.  This is an ordered or lazy
   * version of <code>putLongVolatile(Object,long,long)</code>, which
   * doesn't guarantee the immediate visibility of the change to other
   * threads.  It is only really useful where the long field is
   * <code>volatile</code>, and is thus expected to change unexpectedly.
   * 设置obj对象中offset偏移地址对应的long型field的值为指定值。这是一个有序或者
   * 有延迟的<code>putLongVolatile</cdoe>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<code>volatile</code>修饰并且期望被意外修改的时候
   * 使用才有用。
   * 
   * @param obj the object containing the field to modify.
   *    包含需要修改field的对象
   * @param offset the offset of the long field within <code>obj</code>.
   *       <code>obj</code>中long型field的偏移量
   * @param value the new value of the field.
   *      field将被设置的新值
   * @see #putLongVolatile(Object,long,long)
   */
  public native void putOrderedLong(Object obj, long offset, long value);
  /***
   * Sets the value of the object field at the specified offset in the
   * supplied object to the given value.  This is an ordered or lazy
   * version of <code>putObjectVolatile(Object,long,Object)</code>, which
   * doesn't guarantee the immediate visibility of the change to other
   * threads.  It is only really useful where the object field is
   * <code>volatile</code>, and is thus expected to change unexpectedly.
   * 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<code>putObjectVolatile</cdoe>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<code>volatile</code>修饰并且期望被意外修改的时候
   * 使用才有用。
   *
   * @param obj the object containing the field to modify.
   *    包含需要修改field的对象
   * @param offset the offset of the object field within <code>obj</code>.
   *       <code>obj</code>中long型field的偏移量
   * @param value the new value of the field.
   *      field将被设置的新值
   */
  public native void putOrderedObject(Object obj, long offset, Object value);
  /***
   * Sets the value of the integer field at the specified offset in the
   * supplied object to the given value, with volatile store semantics.
   * 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 obj the object containing the field to modify.
   *    包含需要修改field的对象
   * @param offset the offset of the integer field within <code>obj</code>.
   *       <code>obj</code>中整型field的偏移量
   * @param value the new value of the field.
   *       field将被设置的新值
   */
  public native void putIntVolatile(Object obj, long offset, int value);
  /***
   * Retrieves the value of the integer field at the specified offset in the
   * supplied object with volatile load semantics.
   * 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 obj the object containing the field to read.
   *    包含需要去读取的field的对象
   * @param offset the offset of the integer field within <code>obj</code>.
   *       <code>obj</code>中整型field的偏移量
   */
  public native int getIntVolatile(Object obj, long offset);
  /***
   * Sets the value of the long field at the specified offset in the
   * supplied object to the given value, with volatile store semantics.
   * 设置obj对象中offset偏移地址对应的long型field的值为指定值。支持volatile store语义
   *
   * @param obj the object containing the field to modify.
   *            包含需要修改field的对象
   * @param offset the offset of the long field within <code>obj</code>.
   *               <code>obj</code>中long型field的偏移量
   * @param value the new value of the field.
   *              field将被设置的新值
   * @see #putLong(Object,long,long)
   */
  public native void putLongVolatile(Object obj, long offset, long value);
  /***
   * Sets the value of the long field at the specified offset in the
   * supplied object to the given 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 obj the object containing the field to modify.
   *     包含需要修改field的对象
   * @param offset the offset of the long field within <code>obj</code>.
   *     <code>obj</code>中long型field的偏移量
   * @param value the new value of the field.
   *     field将被设置的新值
   * @see #putLongVolatile(Object,long,long)
   */
  public native void putLong(Object obj, long offset, long value);
  /***
   * Retrieves the value of the long field at the specified offset in the
   * supplied object with volatile load semantics.
   * 获取obj对象中offset偏移地址对应的long型field的值,支持volatile load语义。
   * 
   * @param obj the object containing the field to read.
   *    包含需要去读取的field的对象
   * @param offset the offset of the long field within <code>obj</code>.
   *       <code>obj</code>中long型field的偏移量
   * @see #getLong(Object,long)
   */
  public native long getLongVolatile(Object obj, long offset);
  /***
   * Retrieves the value of the long field at the specified offset in the
   * supplied object.
   * 获取obj对象中offset偏移地址对应的long型field的值
   * 
   * @param obj the object containing the field to read.
   *    包含需要去读取的field的对象
   * @param offset the offset of the long field within <code>obj</code>.
   *       <code>obj</code>中long型field的偏移量
   * @see #getLongVolatile(Object,long)
   */
  public native long getLong(Object obj, long offset);
  /***
   * Sets the value of the object field at the specified offset in the
   * supplied object to the given value, with volatile store semantics.
   * 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 obj the object containing the field to modify.
   *    包含需要修改field的对象
   * @param offset the offset of the object field within <code>obj</code>.
   *     <code>obj</code>中object型field的偏移量
   * @param value the new value of the field.
   *       field将被设置的新值
   * @see #putObject(Object,long,Object)
   */
  public native void putObjectVolatile(Object obj, long offset, Object value);
  /***
   * Sets the value of the object field at the specified offset in the
   * supplied object to the given 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 obj the object containing the field to modify.
   *    包含需要修改field的对象
   * @param offset the offset of the object field within <code>obj</code>.
   *     <code>obj</code>中object型field的偏移量
   * @param value the new value of the field.
   *       field将被设置的新值
   * @see #putObjectVolatile(Object,long,Object)
   */
  public native void putObject(Object obj, long offset, Object value);
  /***
   * Retrieves the value of the object field at the specified offset in the
   * supplied object with volatile load semantics.
   * 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 obj the object containing the field to read.
   *    包含需要去读取的field的对象
   * @param offset the offset of the object field within <code>obj</code>.
   *       <code>obj</code>中object型field的偏移量
   */
  public native Object getObjectVolatile(Object obj, long offset);
  /***
   * Returns the offset of the first element for a given array class.
   * To access elements of the array class, this value may be used along with
   * with that returned by 
   * <a href="#arrayIndexScale"><code>arrayIndexScale</code></a>,
   * if non-zero.
   * 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<a href="#arrayIndexScale"><code>arrayIndexScale
   * </code></a>方法的非0返回值一起被使用。
   * @param arrayClass the class for which the first element's address should
   *                   be obtained.
   *                   第一个元素地址被获取的class
   * @return the offset of the first element of the array class.
   *    数组第一个元素 的偏移地址
   * @see arrayIndexScale(Class)
   */
  public native int arrayBaseOffset(Class arrayClass);
  /***
   * Returns the scale factor used for addressing elements of the supplied
   * array class.  Where a suitable scale factor can not be returned (e.g.
   * for primitive types), zero should be returned.  The returned value
   * can be used with 
   * <a href="#arrayBaseOffset"><code>arrayBaseOffset</code></a>
   * to access elements of the class.
   * 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<a href="#arrayBaseOffset"><code>arrayBaseOffset</code>
   * </a>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);
  
  /***
   * Releases the block on a thread created by 
   * <a href="#park"><code>park</code></a>.  This method can also be used
   * to terminate a blockage caused by a prior call to <code>park</code>.
   * This operation is unsafe, as the thread must be guaranteed to be
   * live.  This is true of Java, but not native code.
   * 释放被<a href="#park"><code>park</code></a>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<code>park</code>导致的阻塞.
   * 这个操作操作时不安全的,因此线程必须保证是活的.这是java代码不是native代码。
   * @param thread the thread to unblock.
   *           要解除阻塞的线程
   */
  public native void unpark(Thread thread);
  /***
   * Blocks the thread until a matching 
   * <a href="#unpark"><code>unpark</code></a> occurs, the thread is
   * interrupted or the optional timeout expires.  If an <code>unpark</code>
   * call has already occurred, this also counts.  A timeout value of zero
   * is defined as no timeout.  When <code>isAbsolute</code> is
   * <code>true</code>, the timeout is in milliseconds relative to the
   * epoch.  Otherwise, the value is the number of nanoseconds which must
   * occur before timeout.  This call may also return spuriously (i.e.
   * for no apparent reason).
   * 阻塞一个线程直到<a href="#unpark"><code>unpark</code></a>出现、线程
   * 被中断或者timeout时间到期。如果一个<code>unpark</code>调用已经出现了,
   * 这里只计数。timeout为0表示永不过期.当<code>isAbsolute</code>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 isAbsolute true if the timeout is specified in milliseconds from
   *                   the epoch.
   *                   如果为true timeout的值是一个相对于新纪元之后的毫秒数
   * @param time either the number of nanoseconds to wait, or a time in
   *             milliseconds from the epoch to wait for.
   *             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);
}

使用案例

下面这个例子演示了简单的修改一个byte[]的数据。

这个例子在eclipse里不能直接编译,要到项目的属性,Java Compiler,Errors/Warnings中Forbidden reference(access rules)中设置为warning。

另外,因为sun.misc.Unsafe包不能直接使用,所有代码里用反射的技巧得到了一个Unsafe的实例。

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.Arrays;
import sun.misc.Unsafe;

public class Test {
    private static int byteArrayBaseOffset;

    public static void main(String[] args) throws SecurityException,
            NoSuchFieldException, IllegalArgumentException,
            IllegalAccessException {
        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafe.setAccessible(true);
        Unsafe UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        System.out.println(UNSAFE);

        byte[] data = new byte[10];
        System.out.println(Arrays.toString(data));
        byteArrayBaseOffset = UNSAFE.arrayBaseOffset(byte[].class);

        System.out.println(byteArrayBaseOffset);
        UNSAFE.putByte(data, byteArrayBaseOffset, (byte) 1);
        UNSAFE.putByte(data, byteArrayBaseOffset + 5, (byte) 5);
        System.out.println(Arrays.toString(data));
    }
}

测试结果

sun.misc.Unsafe@6af62373
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
24
[1, 0, 0, 0, 0, 5, 0, 0, 0, 0]

拓展阅读

CAS

Volatile

LockSupport

参考资料

Java中Unsafe类详解

Unsafe类park,unpark详解

Java sun.misc.Unsafe详解

如何使用Unsafe操作内存中的Java类和对象

http://www.bkjia.com/Javabc/1302320.html

https://www.bbsmax.com/A/E35pMKyAdv/