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();