你一定不知道的Java Unsafe用法详解

更新时间：2021年10月30日 12:20:12 作者：接地气程序员

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,下面这篇文章主要给大家介绍了关于Java Unsafe用法的相关资料,需要的朋友可以参考下

Unsafe是什么

首先我们说Unsafe类位于rt.jar里面sun.misc包下面，Unsafe翻译过来是不安全的，这倒不是说这个类是不安全的，而是说开发人员使用Unsafe是不安全的，也就是不推荐开发人员直接使用Unsafe。而且Oracle JDK源码包里面是没有Unsafe的源码的。其实JUC包里面的类大部分都用到了Unsafe，可以说Unasfe是java并发包的基石。

如何正确地获取Unsafe对象

我们从源码中看如何获取Unsafe对象

private Unsafe() {
}

首先构造方法私有化，这就说明我们不能通过new Unsafe的方式创建Unsafe对象。

@CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class var0 = Reflection.getCallerClass();
        if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
            throw new SecurityException("Unsafe");
        } else {
            return theUnsafe;
        }
    }

我又发现有一个静态方法，方法名为getUnsafe，而且返回值为Unsafe，看来调用这个方法可以获取Unsafe对象。

为此我又编写了如下代码测试这样是否行得通

public static void main(String[] args) throws Exception{
        Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
        System.out.println(unsafe);
}

谁知道控制台竟然报错了

看错误提示信息是权限方面的错误，但是我看AtomicBoolean类获取Unsafe的方式就是调用getUnsafe方法，可能是只允许JDK内部的类可以通过这种方式访问吧，这里我们不深究，再想别的办法获取。

继续看源码找突破口

Unsafe类里面第一个常量是 private static final Unsafe theUnsafe; 用static和final修饰而且没有直接赋值，这就说明肯定有静态代码块对theUnsafe赋值了，然后再类的底部发现了。

static {
        registerNatives();
        Reflection.registerMethodsToFilter(Unsafe.class, new String[]{"getUnsafe"});
        theUnsafe = new Unsafe();
        ARRAY_BOOLEAN_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(boolean[].class);
        ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(byte[].class);
        ARRAY_SHORT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(short[].class);
        ARRAY_CHAR_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(char[].class);
        ARRAY_INT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
        ARRAY_LONG_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(long[].class);
        ARRAY_FLOAT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(float[].class);
        ARRAY_DOUBLE_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(double[].class);
        ARRAY_OBJECT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(Object[].class);
        ARRAY_BOOLEAN_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(boolean[].class);
        ARRAY_BYTE_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(byte[].class);
        ARRAY_SHORT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(short[].class);
        ARRAY_CHAR_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(char[].class);
        ARRAY_INT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(int[].class);
        ARRAY_LONG_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(long[].class);
        ARRAY_FLOAT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(float[].class);
        ARRAY_DOUBLE_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(double[].class);
        ARRAY_OBJECT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(Object[].class);
        ADDRESS_SIZE = theUnsafe.addressSize();
    }

第四行对theUnsafe进行了赋值。也就是说在类加载完成后Unsafe里面的theUnsafe常量就已经赋值好了Unsafe对象，如果我们想获取Unsafe对象只要用反射拿到theUnsafe属性就可以了。

/**
     * 获得Unsafe
     * @throws NoSuchFieldException
     * @throws IllegalAccessException
     */
    public static Unsafe getUnsafe() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        //私有属性可以访问
        field.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        System.out.println(unsafe);
        return unsafe;
    }

Unsafe实现CAS锁

CAS是compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换。在juc包下Atomic开头的类都是使用的CAS锁实现的并发条件下对一个变量赋值不覆盖的。我们也可以自己使用Unsafe实现CAS锁。

 interface Counter{
        void increment();
        long getCounter();
    }
 /**
     * 自己用unsafe实现CAS锁
     */
    static class CasCounter implements Counter{
        private volatile long counter = 0;
        private Unsafe unsafe;
        private long offset;

        CasCounter() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
            unsafe = getUnsafe();
            //获得该类counter属性内存偏移量起始位置
            offset = unsafe.objectFieldOffset(CasCounter.class.getDeclaredField("counter"));
        }

        @Override
        public void increment() {
            long current = counter;
            //循环判断是否赋值成功  第一个参数为调用本方法的对象，第二个参数为要更改属性的内存偏移量，第三个参数是未修改之前的值，第四个参数是想要修改为那个值。
            while (!unsafe.compareAndSwapLong(this,offset,current,current+1)){
                current = counter;
            }
        }

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

这里我们主要看unsafe.objectFieldOffset(CasCounter.class.getDeclaredField("counter"));这一行代码，因为通过CAS对属性值进行更改是直接在内存上进行更改的，所以我们需要拿到这个对象的counter属性的内存偏移量。

再看increment方法，这里我们在更改之前先拿到counter的值，unsafe.compareAndSwapLong方法就是根据内存偏移量进行更改值的，第一个参数确定那个对象，第二个参数确定那个属性，第三个参数比对要更改属性的原值，第四个参数要更改的值。如果更改成功则返回true，更改失败返回false。这里的逻辑是更改失败就一直更改，知道更改成功才跳出循环。这样就会有效的防止属性值被覆盖的问题。我们写的CasCounter类就实现了AtomicInteger类的部分功能。

使用Unsafe创建对象

我们都知道反射可以‘走后门'创建对象，其实Unsafe也是可以的

static class Simple{
        static {
            System.out.println("类初始化");
        }
        private long l = 0;

        public Simple(){
            this.l = 1;
            System.out.println("对象初始化");
        }

        public long get(){
            return l;
        }
}

 public static void main(String[] args) throws Exception {
      Unsafe unsafe = getUnsafe();
        //相当于直接在内存中开辟一块地址,不运行构造方法
        Simple simple = (Simple) unsafe.allocateInstance(Simple.class);
        System.out.println("通过unsafe创建对象不会运行构造方法: " + simple.get());
        System.out.println("但是可以通过对象获得class对象" + simple.getClass());
        System.out.println("也可以拿到类加载器 " + simple.getClass().getClassLoader());
 }

控制台输出如下

这里我们发现使用Unsafe创建对象并没有运行构造方法，而只是将对象创建出来了。而使用反射创建对象是会运行构造方法的和使用new的方式创建对象别无二致。所以不推荐使用Unsafe创建对象。

Unsafe加载类

既然Unsafe是直接操作的内存那应该也可以加载类，下面我们看看Unsafe是如何加载类的。

我们先自己编写A类

public class A
{
 private int i = 0;
 
 public A(){
  this.i = 10;
 }

 public int get(){
  return i;
 }
}

然后运行javac A.java 生成A.class此时A.class的位置是F:\tmp

其次我们编写Unsafe加载class的代码

 /**
     * 通过class文件获得二进制
     * @return
     * @throws IOException
     */
    public static byte[] loadClassContent() throws IOException {
        File file = new File("F:\\tmp\\a.class");
        FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
        byte[] content = new byte[(int) file.length()];
        fis.read(content);
        fis.close();
        return content;
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        byte[] bytes = loadClassContent();
        Class<?> aClass = unsafe.defineClass(null, bytes, 0, bytes.length,null,null);
        Method get = aClass.getMethod("get");
        int i = (int) get.invoke(aClass.newInstance(), null);
        System.out.println(i);
    }

这里unsafe.defineClass方法就是加载类的方法。

运行后输出结果为10

这样我们就实现了通过Unsafe加载类。

Unsafe更改私有属性值

我们都知道反射可以更改对象私有属性值，其实Unsafe也可以直接更改私有属性值，代码如下

static class Guard{
        private int ACCESS_ALLOWED = 1;

        private boolean allow(){
            return 42==ACCESS_ALLOWED;
        }

        public void work(){
            if (allow()){
                System.out.println("你进行了暗箱操作");
            }
        }
 }
public static void main(String[] args) throws Exception {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        Guard guard = new Guard();
        Field access_allowed = guard.getClass().getDeclaredField("ACCESS_ALLOWED");
        unsafe.putInt(guard,unsafe.objectFieldOffset(access_allowed),42);
        guard.work();
}

输出结果为你进行了暗箱操作，putInt方法第一个参数是要更改的属性属于哪个对象，第二个参数是要更改属性的内存偏移量，第三个参数是要改成什么值。其实就是直接更改指定内存地址中的int属性的值。这样我们就完成了使用Unsafe更改对象私有属性值。

Unsafe类能直接操作内存的特性决定了它能走太多的后门了，而且大部分方法都是native修饰的，底层调用的C++。估计这也是Unsafe的不安全的原因。

总结

到此这篇关于Java Unsafe用法详解的文章就介绍到这了,更多相关Java Unsafe用法内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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