前言
unsafe类在jdk 源码的多个类中用到,这个类的提供了一些绕开jvm的更底层功能,基于它的实现可以提高效率。但是,它是一把双刃剑:正如它的名字所预示的那样,它是unsafe的,它所分配的内存需要手动free(不被gc回收)。unsafe类,提供了jni某些功能的简单替代:确保高效性的同时,使事情变得更简单。
这个类是属于sun.* api中的类,并且它不是j2se中真正的一部份,因此你可能找不到任何的官方文档,更可悲的是,它也没有比较好的代码文档。
这篇文章主要是以下文章的整理、翻译。
http://mishadoff.com/blog/java-magic-part-4-sun-dot-misc-dot-unsafe/
1. 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()
2. unsafe类实例的获取
unsafe类设计只提供给jvm信任的启动类加载器所使用,是一个典型的单例模式类。它的实例获取方法如下:
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public static unsafe getunsafe() {
class cc = sun.reflect.reflection.getcallerclass( 2 );
if (cc.getclassloader() != null )
throw new securityexception( "unsafe" );
return theunsafe;
}
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非启动类加载器直接调用unsafe.getunsafe()方法会抛出securityexception(具体原因涉及jvm类的双亲加载机制)。
解决办法有两个,其一是通过jvm参数-xbootclasspath指定要使用的类为启动类,另外一个办法就是java反射了。
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field f = unsafe. class .getdeclaredfield( "theunsafe" );
f.setaccessible( true );
unsafe unsafe = (unsafe) f.get( null );
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通过将private单例实例暴力设置accessible为true,然后通过field的get方法,直接获取一个object强制转换为unsafe。在ide中,这些方法会被标志为error,可以通过以下设置解决:
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preferences -> java -> compiler -> errors/warnings ->
deprecated and restricted api -> forbidden reference -> warning
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3. unsafe类“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。
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class a {
private long a; // not initialized value
public a() {
this .a = 1 ; // initialization
}
public long a() { return this .a; }
}
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以下是构造方法、反射方法和allocateinstance()的对照
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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
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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。
(2)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:
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class guard {
private int access_allowed = 1 ;
public boolean giveaccess() {
return 42 == access_allowed;
}
}
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在正常情况下,giveaccess总会返回false,但事情不总是这样
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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
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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。
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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
}
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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。
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public static long sizeof(object object){
return getunsafe().getaddress(
normalize(getunsafe().getint(object, 4l)) + 12l);
}
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其中normalize()函数是一个将有符号int转为无符号long的方法
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private static long normalize( int value) {
if (value >= 0 ) return value;
return (0l >>> 32 ) & value;
}
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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。
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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);
}
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以下的toaddress()和fromaddress()分别将对象转换到它的地址以及相反操作。
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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 ];
}
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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。
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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] = '?' ;
}
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(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。
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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;
}
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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。
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getunsafe().throwexception( new ioexception());
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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。
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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;
}
}
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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。
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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;
}
}
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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。
总结
以上就是这篇文章的全部内容了,希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,如果有疑问大家可以留言交流,谢谢大家对服务器之家的支持。
原文链接:https://www.cnblogs.com/suxuan/p/4948608.html