聊聊多线程中常用的Unsafe

前言

看过JUC源码的同学对Unsafe应该都不陌生，很多JUC包下的类内部都是用它来实现的CAS操作，可见它的威力和重要性。为什么它的命名是“不安全”呢？因为它可以直接访问和操作底层内存资源，这对于程序员来说，如果过度或者不正确的使用Unsafe类，就变得不安全了。

如何获取它的实例？

我们先来看看它的内部结构：

public final class Unsafe {
    private static final Unsafe theUnsafe;
    
    private Unsafe() {
    }
    
    @CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() {
        // 获取调用方的Class
        Class var0 = Reflection.getCallerClass();
        // 判断调用方是否是引导类加载器加载的
        if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
            throw new SecurityException("Unsafe");
        } else {
            return theUnsafe;
        }
   }
}

可以看到，Unsafe类是单例的，那我们应用程序可以直接调用getUnsafe()方法拿到它的实例吗？不妨来试试看：

import sun.misc.Unsafe;
public class TryGetUnsafe {
    public static void main(String[] args) {
        Unsafe theUnsafe = Unsafe.getUnsafe();
        System.out.println(theUnsafe.toString());
    }
}

运行结果如下：

仔细看了getUnsafe()源码的同学，都不难理解为什么抛出这个异常，因为它有个安全控制，若调用方的Class不是引导类加载器所加载的，就会抛出异常SecurityException("Unsafe")，它是怎么判断是否引导类加载器加载的呢？代码也很简单：

public static boolean isSystemDomainLoader(ClassLoader var0) {
    return var0 == null;
}

回忆下类加载机制的双亲委派模型，最顶层就是引导类加载器，它是用C++语言实现的，不是Java的类，对应的ClassLoader实例就为null。
那如果我们应用程序就想拿到Unsafe实例，有什么办法吗？
方法有2种：
①从它的限制条件出发，让我们编写的应用程序所在的类被引导类加载器所加载即可，具体怎么做呢？
通过Java命令行命令-Xbootclasspath/a把调用Unsafe相关方法的类所在jar包路径追加到默认的bootstrap路径中，即：

java -Xbootclasspath/a: ${path}   // 其中path为调用Unsafe相关方法的类所在jar包路径 

②强大的反射机制，直接上代码：

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
public class TryGetUnsafe {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafeField.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe)theUnsafeField.get(null);
        System.out.println(unsafe.toString());
    }
}

运行结果如下：

说明我们已经成功获取了Unsafe实例。

常用方法

public native long objectFieldOffset(Field field) ：获取指定的属性Field在所属类中的内存偏移地址。这个方法很多类都会使用到，如我另一篇文章ThreadLocalRandom讲到的源码：

public final native boolean compareAndSwapLong(Object obj, long offset, long expect, long update)：比较对象obj中偏移量为offset的属性值，是否与预期值expect相等，如果相等就替换成update值，然后返回true，否则返回false。即我们常说的CAS底层实现。还有类似的方法compareAndSwapInt，compareAndSwapObject等。
public native long getLongVolatile(Object obj, long offset)：获取对象obj中偏移量为offset的属性对应volatile语义的值。
public native void putLongVolatile(Object obj, long offset, long value)：设置对象obj中偏移量为offset的属性值为value，这个操作同样也是带volatile语义的。
public final long getAndAddLong(Object obj, long offset, long addValue)：获取对象obj中偏移量为offset的属性值,并设置新值=旧值+addValue，注意返回的是旧值。这个方法没有native修饰符，是java写的，源码如下：

public final long getAndAddLong(Object obj, long offset, long addValue) {
    long l;
    do {
        l = this.getLongVolatile(obj, offset);
    } while(!this.compareAndSwapLong(obj, offset, l, l + addValue));
    return l;
}

public native int arrayBaseOffset(Class<?> arrayClass)：获取数组的第一个元素地址。
public native int arrayIndexScale(Class<?> arrayClass)：获取数组每个元素占用的字节数。
public native void park(boolean isAbsolute, long time)：阻塞当前线程，其中参数isAbsolute表示是否为绝对时间，isAbsolute为false且time为0时表示一直阻塞，time大于0表示等待time时间段后线程被唤醒，如果isAbsoluete为true，那time表示的是某个时间点的时间戳毫秒值。当其他线程调用unpark，且参数为此线程时，此线程就会被唤醒。其他线程调用interrupt方法时，同样也会唤醒。
public native void unpark(Object thread)：唤醒某个调用park方法的线程thread。

常用的方法就介绍这么多，其实还有很多其他方法，有兴趣的同学可以去翻看源码。

参考资料：
《Java并发编程之美》