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  • sun.misc.Unsafe 详解

    原文地址 译者：许巧辉 校对：梁海舰

    Java是一门安全的编程语言，防止程序员犯很多愚蠢的错误，它们大部分是基于内存管理的。但是，有一种方式可以有意的执行一些不安全、容易犯错的操作，那就是使用Unsafe类。

    本文是sun.misc.Unsafe公共API的简要概述，及其一些有趣的用法。

    Unsafe 实例

    在使用Unsafe之前，我们需要创建Unsafe对象的实例。这并不像Unsafe unsafe = new Unsafe()这么简单，因为Unsafe的构造器是私有的。它也有一个静态的getUnsafe()方法，但如果你直接调用Unsafe.getUnsafe()，你可能会得到SecurityException异常。只能从受信任的代码中使用这个方法。

    1 public static Unsafe getUnsafe() {
    2     Class cc = sun.reflect.Reflection.getCallerClass(2);
    3     if (cc.getClassLoader() != null)
    4         throw new SecurityException("Unsafe");
    5     return theUnsafe;
    6 }

    这就是Java如何验证代码是否可信。它只检查我们的代码是否由主要的类加载器加载。

    我们可以令我们的代码“受信任”。运行程序时，使用bootclasspath 选项，指定系统类路径加上你使用的一个Unsafe路径。

    1 java -Xbootclasspath:/usr/jdk1.7.0/jre/lib/rt.jar:. com.mishadoff.magic.UnsafeClient

    但这太难了。

    Unsafe类包含一个私有的、名为theUnsafe的实例，我们可以通过Java反射窃取该变量。

    1 Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
    2 f.setAccessible(true);
    3 Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);

    注意：忽略你的IDE。比如：eclipse显示”Access restriction…”错误，但如果你运行代码，它将正常运行。如果这个错误提示令人烦恼，可以通过以下设置来避免：

    1 Preferences -> Java -> Compiler -> Errors/Warnings ->
    2 Deprecated and restricted API -> Forbidden reference -> Warning

    Unsafe API

    sun.misc.Unsafe类包含105个方法。实际上，对各种实体操作有几组重要方法，其中的一些如下：

    Info.仅返回一些低级的内存信息

    • addressSize
    • pageSize

    Objects.提供用于操作对象及其字段的方法

    • allocateInstance
    • objectFieldOffset

    Classes.提供用于操作类及其静态字段的方法

    • staticFieldOffset
    • defineClass
    • defineAnonymousClass
    • ensureClassInitialized

    Arrays.操作数组

    • arrayBaseOffset
    • arrayIndexScale

    Synchronization.低级的同步原语

    • monitorEnter
    • tryMonitorEnter
    • monitorExit
    • compareAndSwapInt
    • putOrderedInt

    Memory.直接内存访问方法

    • allocateMemory
    • copyMemory
    • freeMemory
    • getAddress
    • getInt
    • putInt

    有趣的用例

    避免初始化

    当你想要跳过对象初始化阶段，或绕过构造器的安全检查，或实例化一个没有任何公共构造器的类，allocateInstance方法是非常有用的。考虑以下类：

    1 class A {
    2     private long a; // not initialized value
    3  
    4     public A() {
    5         this.a = 1; // initialization
    6     }
    7  
    8     public long a() { return this.a; }
    9 }

    使用构造器、反射和unsafe初始化它，将得到不同的结果。

    1 A o1 = new A(); // constructor
    2 o1.a(); // prints 1
    3  
    4 A o2 = A.class.newInstance(); // reflection
    5 o2.a(); // prints 1
    6  
    7 A o3 = (A) unsafe.allocateInstance(A.class); // unsafe
    8 o3.a(); // prints 0

    想想所有单例发生了什么。

    内存崩溃（Memory corruption）

    这对于每个C程序员来说是常见的。顺便说一下，它是绕过安全的常用技术。

    考虑下那些用于检查“访问规则”的简单类：

    1 class Guard {
    2        private int ACCESS_ALLOWED = 1;
    3  
    4        public boolean giveAccess() {
    5               return 42 == ACCESS_ALLOWED;
    6        }
    7 }

    客户端代码是非常安全的，并且通过调用giveAccess()来检查访问规则。可惜，对于客户，它总是返回false。只有特权用户可以以某种方式改变ACCESS_ALLOWED常量的值并且得到访问（giveAccess()方法返回true，译者注）。

    实际上，这并不是真的。演示代码如下：

    1 Guard guard = new Guard();
    2 guard.giveAccess();   // false, no access
    3  
    4 // bypass
    5 Unsafe unsafe = getUnsafe();
    6 Field f = guard.getClass().getDeclaredField("ACCESS_ALLOWED");
    7 unsafe.putInt(guard, unsafe.objectFieldOffset(f), 42); // memory corruption
    8  
    9 guard.giveAccess(); // true, access granted

    现在所有的客户都拥有无限制的访问权限。

    实际上，反射可以实现相同的功能。但值得关注的是，我们可以修改任何对象，甚至没有这些对象的引用。

    例如，有一个guard对象，所在内存中的位置紧接着在当前guard对象之后。我们可以用以下代码来修改它的ACCESS_ALLOWED字段：

    1 unsafe.putInt(guard, 16 + unsafe.objectFieldOffset(f), 42); // memory corruption

    注意：我们不必持有这个对象的引用。16是Guard对象在32位架构上的大小。我们可以手工计算它，或者通过使用sizeOf方法（它的定义，如下节）。

    sizeOf

    使用objectFieldOffset方法可以实现C-风格（C-style）的sizeof方法。这个实现返回对象的自身内存大小（译者注：shallow size）。

    01 public static long sizeOf(Object o) {
    02     Unsafe u = getUnsafe();
    03     HashSet<Field> fields = new HashSet<Field>();
    04     Class c = o.getClass();
    05     while (c != Object.class) {
    06         for (Field f : c.getDeclaredFields()) {
    07             if ((f.getModifiers() & Modifier.STATIC) == 0) {
    08                 fields.add(f);
    09             }
    10         }
    11         c = c.getSuperclass();
    12     }
    13  
    14     // get offset
    15     long maxSize = 0;
    16     for (Field f : fields) {
    17         long offset = u.objectFieldOffset(f);
    18         if (offset > maxSize) {
    19             maxSize = offset;
    20         }
    21     }
    22  
    23     return ((maxSize/8) + 1) * 8;   // padding
    24 }

    算法如下：通过所有非静态字段（包含父类的），获取每个字段的偏移量（offset），找到偏移最大值并填充字节数(padding)。我可能错过一些东西，但思路是明确的。

    如果我们仅读取对象的类结构大小值，sizeOf的实现可以更简单，这位于JVM 1.7 32 bit中的偏移量12。

    1 public static long sizeOf(Object object){
    2     return getUnsafe().getAddress(
    3         normalize(getUnsafe().getInt(object, 4L)) + 12L);
    4 }

    normalize是一个为了正确内存地址使用，将有符号的int类型强制转换成无符号的long类型的方法。

    1 private static long normalize(int value) {
    2     if(value >= 0) return value;
    3     return (~0L >>> 32) & value;
    4 }

    真棒，这个方法返回的结果与我们之前的sizeof方法一样。

    实际上，对于良好、安全、准确的sizeof方法，最好使用 java.lang.instrument包，但这需要在JVM中指定agent选项。

    浅拷贝（Shallow copy）

    为了实现计算对象自身内存大小，我们可以简单地添加拷贝对象方法。标准的解决方案是使用Cloneable修改你的代码，或者在你的对象中实现自定义的拷贝方法，但它不会是多用途的方法。

    浅拷贝：

    1 static Object shallowCopy(Object obj) {
    2     long size = sizeOf(obj);
    3     long start = toAddress(obj);
    4     long address = getUnsafe().allocateMemory(size);
    5     getUnsafe().copyMemory(start, address, size);
    6     return fromAddress(address);
    7 }

    toAddress和fromAddress将对象转换为其在内存中的地址，反之亦然。

    01 static long toAddress(Object obj) {
    02     Object[] array = new Object[] {obj};
    03     long baseOffset = getUnsafe().arrayBaseOffset(Object[].class);
    04     return normalize(getUnsafe().getInt(array, baseOffset));
    05 }
    06  
    07 static Object fromAddress(long address) {
    08     Object[] array = new Object[] {null};
    09     long baseOffset = getUnsafe().arrayBaseOffset(Object[].class);
    10     getUnsafe().putLong(array, baseOffset, address);
    11     return array[0];
    12 }

    这个拷贝方法可以用来拷贝任何类型的对象，动态计算它的大小。注意，在拷贝后，你需要将对象转换成特定的类型。

    隐藏密码（Hide Password）

    在Unsafe中，一个更有趣的直接内存访问的用法是，从内存中删除不必要的对象。

    检索用户密码的大多数API的签名为byte[]或char[]，为什么是数组呢？

    这完全是出于安全的考虑，因为我们可以删除不需要的数组元素。如果将用户密码检索成字符串，这可以像一个对象一样在内存中保存，而删除该对象只需执行解除引用的操作。但是，这个对象仍然在内存中，由GC决定的时间来执行清除。

    创建具有相同大小、假的String对象，来取代在内存中原来的String对象的技巧：

    01 String password = new String("l00k@myHor$e");
    02 String fake = new String(password.replaceAll(".", "?"));
    03 System.out.println(password); // l00k@myHor$e
    04 System.out.println(fake); // ????????????
    05  
    06 getUnsafe().copyMemory(
    07           fake, 0L, null, toAddress(password), sizeOf(password));
    08  
    09 System.out.println(password); // ????????????
    10 System.out.println(fake); // ????????????

    感觉很安全。

    修改：这并不安全。为了真正的安全，我们需要通过反射删除后台char数组：

    1 Field stringValue = String.class.getDeclaredField("value");
    2 stringValue.setAccessible(true);
    3 char[] mem = (char[]) stringValue.get(password);
    4 for (int i=0; i < mem.length; i++) {
    5   mem[i] = '?';
    6 }

    感谢Peter Verhas指定出这一点。

    多继承（Multiple Inheritance）

    Java中没有多继承。

    这是对的，除非我们可以将任意类型转换成我们想要的其他类型。

    1 long intClassAddress = normalize(getUnsafe().getInt(new Integer(0), 4L));
    2 long strClassAddress = normalize(getUnsafe().getInt("", 4L));
    3 getUnsafe().putAddress(intClassAddress + 36, strClassAddress);

    这个代码片段将String类型添加到Integer超类中，因此我们可以强制转换，且没有运行时异常。

    1 (String) (Object) (new Integer(666))

    有一个问题，我们必须预先强制转换对象，以欺骗编译器。

    动态类（Dynamic classes）

    我们可以在运行时创建一个类，比如从已编译的.class文件中。将类内容读取为字节数组，并正确地传递给defineClass方法。

    1 byte[] classContents = getClassContent();
    2 Class c = getUnsafe().defineClass(
    3               null, classContents, 0, classContents.length);
    4     c.getMethod("a").invoke(c.newInstance(), null); // 1

    从定义文件（class文件）中读取（代码）如下：

    1 private static byte[] getClassContent() throws Exception {
    2     File f = new File("/home/mishadoff/tmp/A.class");
    3     FileInputStream input = new FileInputStream(f);
    4     byte[] content = new byte[(int)f.length()];
    5     input.read(content);
    6     input.close();
    7     return content;
    8 }

    当你必须动态创建类，而现有代码中有一些代理， 这是很有用的。

    抛出异常（Throw an Exception）

    不喜欢受检异常？没问题。

    1 getUnsafe().throwException(new IOException());

    该方法抛出受检异常，但你的代码不必捕捉或重新抛出它，正如运行时异常一样。

    快速序列化（Fast Serialization）

    这更有实用性。

    大家都知道，标准Java的Serializable的序列化能力是非常慢的。它同时要求类必须有一个公共的、无参数的构造器。

    Externalizable比较好，但它需要定义类序列化的模式。

    流行的高性能库，比如kryo具有依赖性，这对于低内存要求来说是不可接受的。

    unsafe类可以很容易实现完整的序列化周期。

    序列化：

    • 使用反射构建模式对象，类只可做一次。
    • 使用Unsafe方法，如getLong、getInt、getObject等来检索实际字段值。
    • 添加类标识，以便有能力恢复该对象
    • 将它们写入文件或任意输出

    你也可以添加压缩（步骤）以节省空间。

    反序列化：

    • 创建已序列化对象实例，使用allocateInstance协助（即可），因为不需要任何构造器。
    • 构建模式，与序列化的步骤1相同。
    • 从文件或任意输入中读取所有字段。
    • 使用Unsafe方法，如putLong、putInt、putObject等来填充该对象。

    实际上，在正确的实现过程中还有更多的细节，但思路是明确的。

    这个序列化将非常快。

    顺便说一下，在kryo中有使用Unsafe的一些尝试http://code.google.com/p/kryo/issues/detail?id=75

    大数组（Big Arrays）

    正如你所知，Java数组大小的最大值为Integer.MAX_VALUE。使用直接内存分配，我们创建的数组大小受限于堆大小。

    SuperArray的实现：

    01 class SuperArray {
    02     private final static int BYTE = 1;
    03  
    04     private long size;
    05     private long address;
    06  
    07     public SuperArray(long size) {
    08         this.size = size;
    09         address = getUnsafe().allocateMemory(size * BYTE);
    10     }
    11  
    12     public void set(long i, byte value) {
    13         getUnsafe().putByte(address + i * BYTE, value);
    14     }
    15  
    16     public int get(long idx) {
    17         return getUnsafe().getByte(address + idx * BYTE);
    18     }
    19  
    20     public long size() {
    21         return size;
    22     }
    23 }

    简单用法：

    1 long SUPER_SIZE = (long)Integer.MAX_VALUE * 2;
    2 SuperArray array = new SuperArray(SUPER_SIZE);
    3 System.out.println("Array size:" + array.size()); // 4294967294
    4 for (int i = 0; i < 100; i++) {
    5     array.set((long)Integer.MAX_VALUE + i, (byte)3);
    6     sum += array.get((long)Integer.MAX_VALUE + i);
    7 }
    8 System.out.println("Sum of 100 elements:" + sum);  // 300

    实际上，这是堆外内存（off-heap memory）技术，在java.nio包中部分可用。

    这种方式的内存分配不在堆上，且不受GC管理，所以必须小心Unsafe.freeMemory()的使用。它也不执行任何边界检查，所以任何非法访问可能会导致JVM崩溃。

    这可用于数学计算，代码可操作大数组的数据。此外，这可引起实时程序员的兴趣，可打破GC在大数组上延迟的限制。

    并发（Concurrency）

    几句关于Unsafe的并发性。compareAndSwap方法是原子的，并且可用来实现高性能的、无锁的数据结构。

    比如，考虑问题：在使用大量线程的共享对象上增长值。

    首先，我们定义简单的Counter接口：

    1 interface Counter {
    2     void increment();
    3     long getCounter();
    4 }

    然后，我们定义使用Counter的工作线程CounterClient：

    01 class CounterClient implements Runnable {
    02     private Counter c;
    03     private int num;
    04  
    05     public CounterClient(Counter c, int num) {
    06         this.c = c;
    07         this.num = num;
    08     }
    09  
    10     @Override
    11     public void run() {
    12         for (int i = 0; i < num; i++) {
    13             c.increment();
    14         }
    15     }
    16 }

    测试代码：

    01 int NUM_OF_THREADS = 1000;
    02 int NUM_OF_INCREMENTS = 100000;
    03 ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(NUM_OF_THREADS);
    04 Counter counter = ... // creating instance of specific counter
    05 long before = System.currentTimeMillis();
    06 for (int i = 0; i < NUM_OF_THREADS; i++) {
    07     service.submit(new CounterClient(counter, NUM_OF_INCREMENTS));
    08 }
    09 service.shutdown();
    10 service.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
    11 long after = System.currentTimeMillis();
    12 System.out.println("Counter result: " + c.getCounter());
    13 System.out.println("Time passed in ms:" + (after - before));

    第一个无锁版本的计数器：

    01 class StupidCounter implements Counter {
    02     private long counter = 0;
    03  
    04     @Override
    05     public void increment() {
    06         counter++;
    07     }
    08  
    09     @Override
    10     public long getCounter() {
    11         return counter;
    12     }
    13 }

    输出：

    1 Counter result: 99542945
    2 Time passed in ms: 679

    运行快，但没有线程管理，结果是不准确的。第二次尝试，添加上最简单的java式同步：

    01 class SyncCounter implements Counter {
    02     private long counter = 0;
    03  
    04     @Override
    05     public synchronized void increment() {
    06         counter++;
    07     }
    08  
    09     @Override
    10     public long getCounter() {
    11         return counter;
    12     }
    13 }

    输出：

    1 Counter result: 100000000
    2 Time passed in ms: 10136

    激进的同步有效，但耗时长。试试ReentrantReadWriteLock：

    01 class LockCounter implements Counter {
    02     private long counter = 0;
    03     private WriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock().writeLock();
    04  
    05     @Override
    06     public void increment() {
    07         lock.lock();
    08         counter++;
    09         lock.unlock();
    10     }
    11  
    12     @Override
    13     public long getCounter() {
    14         return counter;
    15     }
    16 }

    输出：

    1 Counter result: 100000000
    2 Time passed in ms: 8065

    仍然正确，耗时较短。atomics的运行效果如何？

    01 class AtomicCounter implements Counter {
    02     AtomicLong counter = new AtomicLong(0);
    03  
    04     @Override
    05     public void increment() {
    06         counter.incrementAndGet();
    07     }
    08  
    09     @Override
    10     public long getCounter() {
    11         return counter.get();
    12     }
    13 }

    输出：

    1 Counter result: 100000000
    2 Time passed in ms: 6552

    AtomicCounter的运行结果更好。最后，试试Unsafe原始的compareAndSwapLong，看看它是否真的只有特权才能使用它？

    01 class CASCounter implements Counter {
    02     private volatile long counter = 0;
    03     private Unsafe unsafe;
    04     private long offset;
    05  
    06     public CASCounter() throws Exception {
    07         unsafe = getUnsafe();
    08         offset = unsafe.objectFieldOffset(CASCounter.class.getDeclaredField("counter"));
    09     }
    10  
    11     @Override
    12     public void increment() {
    13         long before = counter;
    14         while (!unsafe.compareAndSwapLong(this, offset, before, before + 1)) {
    15             before = counter;
    16         }
    17     }
    18  
    19     @Override
    20     public long getCounter() {
    21         return counter;
    22     }
    23 }

    输出：

    1 Counter result: 100000000
    2 Time passed in ms: 6454

    看起来似乎等价于atomics。atomics使用Unsafe？（是的）

    实际上，这个例子很简单，但它展示了Unsafe的一些能力。

    如我所说，CAS原语可以用来实现无锁的数据结构。背后的原理很简单：

    • 有一些状态
    • 创建它的副本
    • 修改它
    • 执行CAS
    • 如果失败，重复尝试

    实际上，现实中比你现象的更难。存在着许多问题，如ABA问题、指令重排序等。

    如果你真的感兴趣，可以参考lock-free HashMap的精彩展示。

    修改：给counter变量添加volatile关键字，以避免无限循环的风险。

    结论（Conclusion）

    即使Unsafe对应用程序很有用，但（建议）不要使用它。
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  • 原文地址：https://www.cnblogs.com/barrywxx/p/10741701.html
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