Java底层魔术类Unsafe用法简述

Java中没有指针，不能直接对内存地址的变量进行控制，但Java提供了一个特殊的类Unsafe工具类来间接实现。Unsafe主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。正如其名字unsafe，直接去使用这个工具类是不安全的，它能直接在硬件层（内存上）修改访问变量，而无视各种访问修饰符的限制。它几乎所有的公共方法API都是本地方法，这些方法是使用C/C++方法实现的，它越过了虚拟机层面，直接在操作系统本地执行。因为这是一个底层类，如果在不了解其内部原理、未掌握其使用技巧的情况下，我们直接使用Unsafe类可能会造成一些意想不到或未知的错误，所以它被限制开发者直接使用，只能由JDK类库的维护者使用。如果您喜欢阅读JDK的源码，那么你会发现在各种并发工具类的内部常常见到这个类的踪影，它们经常通过这个类的一些方法根据相应内存地址在内存上直接CAS修改访问共享变量的值。

Unsafe类在Oracle的官方JDK中没有提供源码，我们只能通过IDEA的反编译工具看到反编译后的源代码，因此我们看不到方法注释。而只OpenJDK中带有所有JDK的源代码，这里使用OpenJDK作参考讲解材料。以下是OpenJDK中Unsafe的类注释

A collection of methods for performing low-level, unsafe operations. Although the class and all methods are public, use of this class is limited because only trusted code can obtain instances of it.

直译过来大致意思是：此类拥有一组用于执行低级，不安全操作的方法。尽管此类和所有方法都是公共的，但是由于只有可信代码才能获取该类的实例，因此此类的使用受到限制。

可以看出构造方法被私有化，只能通过静态方法getUnsafe（）才能获取此Unsafe单例对象，而此静态方法的使用也是受到限制的，只能由JDK中的其它类来调用，普通开发者使用此方法将抛出异常。

    private Unsafe() {}

    private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();
    
    @CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class<?> caller = Reflection.getCallerClass(); //调用者Class对象
        if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader())) //判断调用者的类加载器是否为系统类加载器
            //不是JAVA_HOME/jre/lib目录下jar包中的类来调用此方法getUnsafe（）就会抛出异常
            throw new SecurityException("Unsafe");
        return theUnsafe;
    }

Java底层魔术类Unsafe用法简述

此方法getUnsafe()上的注释也说：

为调用提供执行不安全操作的能力。返回的Unsafe对象应由调用方小心保护，因为它可用于在任意内存地址处读取和写入数据。绝不能将其传递给不受信任的代码。此类中的大多数方法都是非常底层的，并且对应于少量的硬件指令（在典型的机器上）。应鼓励编译器相应地优化这些方法，而不是使用Unsafe类来控制。

getUnsafe()要求JDK类库自身调用，当然将开发者可以将自己定义的类放在JDK系统类库中，但这种方式明显是不安全、不方便的，其可行性太低。倘若开发者的确需要使用Unsafe类，我们可以使用反射的方式获取Unsafe实例。

    private static Unsafe getUnsafeByReflect() {
        try {
            Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            f.setAccessible(true);
            return (Unsafe) f.get(null);
        } catch (Exception e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

使用反射方式，在开发者的classpath中获取到Unsafe实例

package com.aaxis;

import java.lang.reflect.Field;

import sun.misc.Unsafe;

public class Student {
    private int stuId;
    private String name;
    private int age;
    private static final long STUID_OFFSET;
    private static final Unsafe UNSAFE = getUnsafeByReflect();
    static {
        try {
            STUID_OFFSET = UNSAFE.objectFieldOffset(Student.class.getDeclaredField("stuId"));
        } catch (NoSuchFieldException | SecurityException e) {
            throw new Error(e);
        }

    }
    private static Unsafe getUnsafeByReflect() {
        try {
            Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            f.setAccessible(true);
            return (Unsafe) f.get(null);
        } catch (Exception e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public static void unsafedPrintStuId() {
        Student student = new Student(34124, "小黄");
        int stuId = UNSAFE.getInt(student, STUID_OFFSET);

        System.out.println(student.getName() + "学号：" + stuId);
    }
    public static void main(String[] args) {
        unsafedPrintStuId();
    }
     //.....        
}

在classpath环境中使用Unsafe