你一定不知道的Java Unsafe用法详解

Unsafe是什么

首先我们说Unsafe类位于rt.jar里面sun.misc包下面，Unsafe翻译过来是不安全的，这倒不是说这个类是不安全的，而是说开发人员使用Unsafe是不安全的，也就是不推荐开发人员直接使用Unsafe。而且Oracle JDK源码包里面是没有Unsafe的源码的。其实JUC包里面的类大部分都用到了Unsafe，可以说Unasfe是java并发包的基石。

如何正确地获取Unsafe对象

我们从源码中看如何获取Unsafe对象

private Unsafe() {
}

首先构造方法私有化，这就说明我们不能通过new Unsafe的方式创建Unsafe对象。

@CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class var0 = Reflection.getCallerClass();
        if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
            throw new SecurityException("Unsafe");
        } else {
            return theUnsafe;
        }
    }

我又发现有一个静态方法，方法名为getUnsafe，而且返回值为Unsafe，看来调用这个方法可以获取Unsafe对象。

为此我又编写了如下代码测试这样是否行得通

public static void main(String[] args) throws Exception{
        Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
        System.out.println(unsafe);
}

谁知道控制台竟然报错了

看错误提示信息是权限方面的错误，但是我看AtomicBoolean类获取Unsafe的方式就是调用getUnsafe方法，可能是只允许JDK内部的类可以通过这种方式访问吧，这里我们不深究，再想别的办法获取。

继续看源码找突破口

Unsafe类里面第一个常量是 private static final Unsafe theUnsafe; 用static和final修饰而且没有直接赋值，这就说明肯定有静态代码块对theUnsafe赋值了，然后再类的底部发现了。

static {
        registerNatives();
        Reflection.registerMethodsToFilter(Unsafe.class, new String[]{"getUnsafe"});
        theUnsafe = new Unsafe();
        ARRAY_BOOLEAN_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(boolean[].class);
        ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(byte[].class);
        ARRAY_SHORT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(short[].class);
        ARRAY_CHAR_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(char[].class);
        ARRAY_INT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
        ARRAY_LONG_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(long[].class);
        ARRAY_FLOAT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(float[].class);
        ARRAY_DOUBLE_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(double[].class);
        ARRAY_OBJECT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(Object[].class);
        ARRAY_BOOLEAN_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(boolean[].class);
        ARRAY_BYTE_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(byte[].class);
        ARRAY_SHORT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(short[].class);
        ARRAY_CHAR_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(char[].class);
        ARRAY_INT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(int[].class);
        ARRAY_LONG_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(long[].class);
        ARRAY_FLOAT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(float[].class);
        ARRAY_DOUBLE_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(double[].class);
        ARRAY_OBJECT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(Object[].class);
        ADDRESS_SIZE = theUnsafe.addressSize();
    }

第四行对theUnsafe进行了赋值。也就是说在类加载完成后Unsafe里面的theUnsafe常量就已经赋值好了Unsafe对象，如果我们想获取Unsafe对象只要用反射拿到theUnsafe属性就可以了。

/**
     * 获得Unsafe
     * @throws NoSuchFieldException
     * @throws IllegalAccessException
     */
    public static Unsafe getUnsafe() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        //私有属性可以访问
        field.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        System.out.println(unsafe);
        return unsafe;
    }

Unsafe实现CAS锁

CAS是compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换。 在juc包下Atomic开头的类都是使用的CAS锁实现的并发条件下对一个变量赋值不覆盖的。我们也可以自己使用Unsafe实现CAS锁。

 interface Counter{
        void increment();
        long getCounter();
    }
 /**
     * 自己用unsafe实现CAS锁
     */
    static class CasCounter implements Counter{
        private volatile long counter = 0;
        private Unsafe unsafe;
        private long offset;

        CasCounter() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
            unsafe = getUnsafe();
            //获得该类counter属性内存偏移量起始位置
            offset = unsafe.objectFieldOffset(CasCounter.class.getDeclaredField("counter"));
        }

        @Override
        public void increment() {
            long current = counter;
            //循环判断是否赋值成功  第一个参数为调用本方法的对象，第二个参数为要更改属性的内存偏移量，第三个参数是未修改之前的值，第四个参数是想要修改为那个值。
            while (!unsafe.compareAndSwapLong(this,offset,current,current+1)){
                current = counter;
            }
        }

        @Override
        public long getCounter() {
            return counter;
        }
    }

这里我们主要看unsafe.objectFieldOffset(CasCounter.class.getDeclaredField("counter"));这一行代码，因为通过CAS对属性值进行更改是直接在内存上进行更改的，所以我们需要拿到这个对象的counter属性的内存偏移量。

再看increment方法，这里我们在更改之前先拿到counter的值，unsafe.compareAndSwapLong方法就是根据内存偏移量进行更改值的，第一个参数确定那个对象，第二个参数确定那个属性，第三个参数比对要更改属性的原值，第四个参数要更改的值。如果更改成功则返回true，更改失败返回false。这里的逻辑是更改失败就一直更改，知道更改成功才跳出循环。这样就会有效的防止属性值被覆盖的问题。 我们写的CasCounter类就实现了AtomicInteger类的部分功能。

使用Unsafe创建对象

我们都知道反射可以‘走后门'创建对象，其实Unsafe也是可以的

static class Simple{
        static {
            System.out.println("类初始化");
        }
        private long l = 0;

        public Simple(){
            this.l = 1;
            System.out.println("对象初始化");
        }

        public long get(){
            return l;
        }
}

 public static void main(String[] args) throws Exception {
      Unsafe unsafe = getUnsafe();
        //相当于直接在内存中开辟一块地址,不运行构造方法
        Simple simple = (Simple) unsafe.allocateInstance(Simple.class);
        System.out.println("通过unsafe创建对象不会运行构造方法: " + simple.get());
        System.out.println("但是可以通过对象获得class对象" + simple.getClass());
        System.out.println("也可以拿到类加载器 " + simple.getClass().getClassLoader());
 }

控制台输出如下

这里我们发现使用Unsafe创建对象并没有运行构造方法，而只是将对象创建出来了。而使用反射创建对象是会运行构造方法的和使用new的方式创建对象别无二致。所以不推荐使用Unsafe创建对象。

Unsafe加载类

既然Unsafe是直接操作的内存那应该也可以加载类，下面我们看看Unsafe是如何加载类的。

我们先自己编写A类

public class A
{
 private int i = 0;
 
 public A(){
  this.i = 10;
 }

 public int get(){
  return i;
 }
}

然后运行javac A.java 生成A.class此时A.class的位置是F:\tmp

其次我们编写Unsafe加载class的代码

 /**
     * 通过class文件获得二进制
     * @return
     * @throws IOException
     */
    public static byte[] loadClassContent() throws IOException {
        File file = new File("F:\\tmp\\a.class");
        FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
        byte[] content = new byte[(int) file.length()];
        fis.read(content);
        fis.close();
        return content;
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        byte[] bytes = loadClassContent();
        Class<?> aClass = unsafe.defineClass(null, bytes, 0, bytes.length,null,null);
        Method get = aClass.getMethod("get");
        int i = (int) get.invoke(aClass.newInstance(), null);
        System.out.println(i);
    }

这里unsafe.defineClass方法就是加载类的方法。

运行后输出结果为10

这样我们就实现了通过Unsafe加载类。

Unsafe更改私有属性值

我们都知道反射可以更改对象私有属性值，其实Unsafe也可以直接更改私有属性值，代码如下

static class Guard{
        private int ACCESS_ALLOWED = 1;

        private boolean allow(){
            return 42==ACCESS_ALLOWED;
        }

        public void work(){
            if (allow()){
                System.out.println("你进行了暗箱操作");
            }
        }
 }
public static void main(String[] args) throws Exception {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        Guard guard = new Guard();
        Field access_allowed = guard.getClass().getDeclaredField("ACCESS_ALLOWED");
        unsafe.putInt(guard,unsafe.objectFieldOffset(access_allowed),42);
        guard.work();
}

输出结果为 你进行了暗箱操作 ，putInt方法第一个参数是要更改的属性属于哪个对象，第二个参数是要更改属性的内存偏移量，第三个参数是要改成什么值。其实就是直接更改指定内存地址中的int属性的值。这样我们就完成了使用Unsafe更改对象私有属性值。

Unsafe类能直接操作内存的特性决定了它能走太多的后门了，而且大部分方法都是native修饰的，底层调用的C++。估计这也是Unsafe的不安全的原因。

总结

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