Java为什么会引入及如何使用Unsafe

综述

sun.misc.Unsafe至少从2004年Java1.4开始就存在于Java中了。在Java9中,为了提高JVM的可维护性,Unsafe和许多其他的东西一起都被作为内部使用类隐藏起来了。但是究竟是什么取代Unsafe不得而知,个人推测会有不止一样来取代它,那么问题来了,到底为什么要使用Unsafe?

做一些Java语言不允许但是又十分有用的事情

很多低级语言中可用的技巧在Java中都是不被允许的。对大多数开发者而言这是件好事,既可以拯救你,也可以拯救你的同事们。同样也使得导入开源代码更容易了,因为你能掌握它们可以造成的最大的灾难上限。或者至少明确你可以不小心失误的界限。如果你尝试地足够努力,你也能造成损害。

那你可能会奇怪,为什么还要去尝试呢?当建立库时,Unsafe中很多(但不是所有)方法都很有用,且有些情况下,除了使用JNI,没有其他方法做同样的事情,即使它可能会更加危险同时也会失去Java的“一次编译,永久运行”的跨平台特性。

对象的反序列化

当使用框架反序列化或者构建对象时,会假设从已存在的对象中重建,你期望使用反射来调用类的设置函数,或者更准确一点是能直接设置内部字段甚至是final字段的函数。问题是你想创建一个对象的实例,但你实际上又不需要构造函数,因为它可能会使问题更加困难而且会有副作用。

public class A implements Serializable {
    private final int num;
        public A(int num) {
        System.out.println("Hello Mum");
        this.num = num;
    }

    public int getNum() {
        return num;
    }
}

在这个类中,应该能够重建和设置final字段,但如果你不得不调用构造函数时,它就可能做一些和反序列化无关的事情。有了这些原因,很多库使用Unsafe创建实例而不是调用构造函数。

Unsafe unsafe = getUnsafe();
Class aClass = A.class;
A a = (A) unsafe.allocateInstance(aClass);

调用allocateInstance函数避免了在我们不需要构造函数的时候却调用它。

线程安全的直接获取内存

Unsafe的另外一个用途是线程安全的获取非堆内存。ByteBuffer函数也能使你安全的获取非堆内存或是DirectMemory,但它不会提供任何线程安全的操作。你在进程间共享数据时使用Unsafe尤其有用。

import sun.misc.Unsafe;
    import sun.nio.ch.DirectBuffer;

    import java.io.File;
    import java.io.IOException;
    import java.io.RandomAccessFile;
    import java.lang.reflect.Field;
    import java.nio.MappedByteBuffer;
    import java.nio.channels.FileChannel;

    public class PingPongMapMain {
        public static void main(String... args) throws IOException {
            boolean odd;
            switch (args.length < 1 ? "usage" : args[0].toLowerCase()) {
                case "odd":
                    odd = true;
                    break;
                case "even":
                    odd = false;
                    break;
                default:
                    System.err.println("Usage: java PingPongMain [odd|even]");
                    return;
            }
            int runs = 10000000;
            long start = 0;
            System.out.println("Waiting for the other odd/even");
            File counters = new File(System.getProperty("java.io.tmpdir"), "counters.deleteme");
            counters.deleteOnExit();

            try (FileChannel fc = new RandomAccessFile(counters, "rw").getChannel()) {
                MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);
                long address = ((DirectBuffer) mbb).address();
                for (int i = -1; i < runs; i++) {
                    for (; ; ) {
                        long value = UNSAFE.getLongVolatile(null, address);
                        boolean isOdd = (value & 1) != 0;
                        if (isOdd != odd)
// wait for the other side.
                            continue;
// make the change atomic, just in case there is more than one odd/even process
                        if (UNSAFE.compareAndSwapLong(null, address, value, value + 1))
                            break;
                    }
                    if (i == 0) {
                        System.out.println("Started");
                        start = System.nanoTime();
                    }
                }
            }
            System.out.printf("... Finished, average ping/pong took %,d ns%n",
                    (System.nanoTime() - start) / runs);
        }

        static final Unsafe UNSAFE;

        static {
            try {
                Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
                theUnsafe.setAccessible(true);
                UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
            } catch (Exception e) {
                throw new AssertionError(e);
            }
        }
    }

当你分别在两个程序,一个输入odd一个输入even,中运行时,可以看到两个进程都是通过持久化共享内存交换数据的。

在每个程序中,将相同的磁盘缓存映射到进程中。内存中实际上只有一份文件的副本存在。这意味着内存可以共享,前提是你使用线程安全的操作,比如volatile变量和CAS操作。(译注:CAS Compare and Swap 无锁算法

在两个进程之间有83ns的往返时间。当考虑到System V IPC(进程间通信)大约需要2500ns,而且用IPC volatile替代persisted内存,算是相当快的了。

Unsafe适合在工作中使用吗?

个人不建议直接使用Unsafe。它远比原生的Java开发所需要的测试多。基于这个原因建议还是使用经过测试的库。如果你只是想自己用Unsafe,建议你最好在一个独立的类库中进行全面的测试。这限制了Unsafe在你的应用程序中的使用方式,但会给你一个更安全的Unsafe。

总结

Unsafe在Java中是很有趣的一个存在,你可以一个人在家里随便玩玩。它也有一些工作的应用程序特别是在写底层库的时候,但总的来说,使用经过测试的Unsafe库比直接用要好。

原文链接: Peter Lawrey 翻译: ImportNew.com - fzr
译文链接: http://www.importnew.com/14511.html
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