14.JDK底层Unsafe类是个啥东西？

老王：小陈啊，从今天开始我们就要进入 《结丹篇》 了，在这一篇章里面，要注意听讲啊，对后面的每一个阶段的理解来说都至关重要的......

小陈：好的，老王，前面的《筑基》、《练气》两篇我已经重复看了好几遍了，早就期待进入下一个境界了......

老王：好，既然你这么有信心，那我们就正式进入主题了。

老王：首先啊，这一篇我们需要从JDK底层的unsafe开始讲起，后面的篇章很多都是依赖于unsafe提供的操作的。

JDK底层的unsafe是什么？

小陈：哦，unsafe？unsafe是个啥东西啊？ 我还没有接触过

老王：说起unsafe啊，是JDK提供的一个工具类，unsafe里面的方法大多是native方法，你可以理解为unsafe类是JDK给你提供的一个直接调用操作系统底层功能的一个工具类，unsafe提供了非常多操作系统级别的方法。

（1）比如说通过unsafe可以让操作系统直接给你分配内存、释放内存。

（2）突破java语法本身的限制，直接从内存级别去操作堆里面的某个对象的数据；

（3）调用操作系统的CAS指令，实现CAS的功能

（4）操作系统层次将线程挂起和恢复

（5）提供操作系统级别的内存屏障（之前说过的Load屏障和Store屏障），读取数据强制走主存，修改数据直接刷新到主存

总之unsafe就相当于JDK给你提供的一个直接跟操作系统打交道的一个工具类，通过unsafe可做一些非常底层的指令和行为。

小陈：额，竟然可以直接通过unsafe分配内存，那岂不是不需要通过堆内存也可以直接分配内存了吗？这样岂不是很危险，万一使用者分配大量的内存，没有及时回收，岂不是很容易造成内存溢出的风险？又或者分配了内存，但是忘记回收了，容易造成内存泄露啊

老王：是啊，unsafe提供了很多操作系统级别的方法，在提供使用者便利的同时，也是隐藏着很多风险的。

但是unsafe提供的这些操作系统级别的方法对于JDK底层的一些工具类、上层的一些框架来说在实现层方便了许多。

比如著名的并发基础工具类AQS底层就是通过unsafe提供的CAS操作来进行加锁的，加锁失败的线程又是通过unsafe提供的park、unpark操作将线程挂起和唤醒的，还有一些非常著名的开源框架比如netty分配直接内存的方式底层也还是通过unsafe分配直接内存。

老王：所以啊，去了解一下unsafe底层的一些操作还是很有必要的，对于后面我们要学习的很多线程安全的类，比如Atomic系列的类、基于AQS一些列的同步工具还是很有必要的，因为这些底层都是通过unsafe提供的操作去实现的。

小陈：哦哦，原来unsafe类这么重要啊......

老王：下面啊，我就分几类将一些unsafe提供的一些重要功能

unsafe直接分配和释放内存

// 分配bytes大小的堆外内存
public native long allocateMemory(long bytes);
// 还可以执行从address处开始分配，分配bytes大小的堆外内存
public native long reallocateMemory(long address, long bytes);
// 释放allocateMemory和reallocateMemory申请的内存块
public native void freeMemory(long address);
// 将指定对象的给定offset偏移量内存块中的所有字节设置为固定值
// 相当于直接让你在内存级别直接给这个对象的变量赋值了
public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);
// 设置给定内存地址的long值
// 相当于直接在内存级别给address后面的8个字节赋值
public native void putLong(long address, long x);
// 获取指定内存地址的long值
// 相当于获取address后面的8个字节的值，然后转化为十进制的long值给你
public native long getLong(long address);
// 设置或获取指定内存的byte值
// 相当于获取address后面一个字节的数据，转化成十进制返回给你
public native byte  getByte(long address);
// 直接在内存级别给adderess地址后面的1个字节设置
public native void  putByte(long address, byte x);

老王：这里提供一些操作系统级别的直接申请内存、释放内存的方式。

同时不受java语法的限制，提供内存级别的直接获取数据，修改数据的方式；unsafe操作内存这块内存我们目前只需要了解即可，对我们后续并发的学习影响不大。

老王：这里说可以直接分配内存，释放内存，直接从内存级别修改数据的操作理解了没？

小陈：这里说的通过操作系统级别的分配内存，释放内存，其实就是调用操作系统底层的api去申请和释放内存吧。

老王：是的，unsafe确实是通过调用操作提供的能力直接去申请和释放内存的。

小陈：上面说的不受java语法限制，直接修改内存数据是咋回事?

老王：比如说某个对象的private int value属性，这里的value属性是private的，如果这个对象没有提供对应的访问方法，在对象外部是访问不到这个value属性的对不对？

小陈：嗯嗯，是的，正常来说只有在对象的内部可以访问这个private属性，外部是访问不到的。

老王：然而这个对象的数据本质上还是保存在内存里面的，而unsafe提供了直接对某个内存地址读取、修改的操作，这样就可以突破java语法的限制了。

小陈：哦哦，原来是这样啊，相当于就是直接通过内存地址address，找到这块内存然后直接操作这个内存块的数据了。

老王：嗯嗯，没错；就是直接操作内存块的数据，接下来我们再讲讲unsafe提供的cas操作。

unsafe提供的CAS操作

老王：这块内容比较重要，JUC提供的很多Atomic原子类、基于AQS实现的并发工具，底层都是通过CAS操作去实现的。下面我们就说说unsafe提供的cas操作：

老王：假如目前有一个Test类是这样子的：

public class Test {
    private DemoClass demo;
    private int intValue;
    private long longValue;    
}

有一个Test类的对象 Test o = new Test();

这个时候想要突破java语法的限制，直接修改对象o的private修饰的demo属性。可以通过CAS操作直接去修改对象o里面的demo属性，使用unsafe提供的下面方法：

（1）o就是你要操作的对象

（2）offset就是demo属性在对象o内部的位置，或者偏移量

（3）expected就是demo期待的值

（4）x就是你希望设置的新值，只有demo的值 == expect的时候，才能将demo的值设置成x

public final native boolean compareAndSwapObject(Object o,
                                                 long offset,
                                                 Object expected,
                                                 Object x);

执行CAS操作大致是这样的，根据 对象o的地址，demo属性相对于o的偏移量offset，直接计算得到demo所在内存的位置，然后直接将demo的值从内存取出进行CAS（比较替换操作）：

同理对于，执行CAS操作替换Test类对象o内部的int值和long值，unsafe提供了如下两个方法：

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o,
                                              long offset,
                                              int expected,
                                              int x);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o,
                                               long offset,
                                               long expected,
                                               long x);

底层执行CAS替换的原理跟上面画图将的demo其实是一样的，这里就不再赘述了。

unsafe将线程挂起和恢复

unsafe类提供类将一个线程挂起、讲一个挂起的线程唤醒的方法，分别是park和unpark，我们看如下的代码：

park方法

//线程调用该方法，线程将一直阻塞直到被唤醒，或者超时，或者中断条件出现。  
public native void park(boolean isAbsolute, long time);

(1) isAbsolute是否是绝对时间，当isAbsolute == true ，后面time的时间单位是ms；当为false的时候，后面time参数的时间单位是ns。

（2）time > 0时候，表示大概要将线程挂起time的时间，过了时间后自动将线程唤醒。当time = 0的时候，表示一直将线程挂起，直到有人调用unpark方法将线程唤醒。

unpark方法

public native void unpark(Object thread);

直接将正在被挂起的thread线程唤醒，让它继续干活

LockSupport

LockSupport是对unsafe中park和unpark功能封装的一个工具类，提供了阻塞和唤醒功能。

我们可以直接使用LockSupport的方法达到挂起和恢复线程的效果，LockSupport方法的源码如下：

public class LockSupport {
    public static void park(Object blocker) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        // 这里直接调用unsafe的park方法将线程挂起
        UNSAFE.park(false, 0L);
        setBlocker(t, null);
    }
    public static void unpark(Thread thread) {
        if (thread != null)
            // 直接调用unsafe的unpark方法将线程唤醒
            UNSAFE.unpark(thread);
    }
}

老王：由于我们自己编写的java程序不能直接使用unsafe工具类，所以啊JDK还是有一些工具类对unsafe类的功能进行封装，然后我们就直接使用这些封装的工具类即可。

内存屏障

unsafe提供了几种内存屏障：

// 在该方法之前的所有读操作，一定在load屏障之前执行完成
public native void loadFence();
// 在该方法之前的所有写操作，一定在store屏障之前执行完成
public native void storeFence();
// 在该方法之前的所有读写操作，一定在full屏障之前执行完成，这个内存屏障相当于上面两个的合体功能
public native void fullFence();