如何分析Unsafe的CAS和内存操作的原理

如何分析Unsafe的CAS和内存操作的原理，相信很多没有经验的人对此束手无策，为此本文总结了问题出现的原因和解决方法，通过这篇文章希望你能解决这个问题。

Java 语言的一大特点就是跨平台，并且提供的有一套完美的内存管理机制。但这都是 JVM 提供的，如果我们想要直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等就无法实现。于是 Java 又提供了一个魔法类：Unsafe。

Unsafe 类位于 sun.misc 包中。从名字看，这个类就是一个不安全的类，实际上它确实是封装了一些不安全的操作！

Unsafe 类和 String 类一样的被定义为 final，也就是说它不可以被继承。并且 Unsafe 被设计成了单例，构造函数是私有的，只能通过 getUnsafe 方法获得它。除此之外，getUnsafe 方法还设置了限制条件，只有授信的代码才能获得该类的实例。哪些是授信的代码呢？当然是 JDK 库里面的类是可以随意使用的。

说了半天，这个类，我们无法使用，你讲它又何意义？

别急，Java 虽然不建议我们使用它，但是我们还是可以通过两种方式来使用它。

第一种方式是：让我们的代码在启动时“授信”。在运行程序时，指定 bootclasspath 选项，让你使用 Unsafe 实例的类被引导类加载器加载，从而通过 Unsafe.getUnsafe 方法安全的获取 Unsafe 实例。

这个做法比较少用，所以推荐大家采用第二种方法：通过反射来使用它。

注意有的 IDE 可能支持的不是很友好。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：

Unsafe 有 8 大功能，很多号主只讲了它的 CAS 功能。

 

如上图所示，Unsafe 提供的 105 个 API 大致可分为内存操作、CAS、Class 相关、对象操作、线程调度、系统信息获取、内存屏障、数组操作等。今天我先来说两个大功能：CAS 和内存操作（和我前面的《手把手教你通过Java代码体验强引用、软引用、弱引用、虚引用的区别》、《90%的程序员可能都不了解的堆外内存》都有些关联，这是一个系列）。

CAS 操作主要涉及到下面 3 个 API。

CAS 即比较并替换，实现并发算法时常用到的一种技术。CAS 操作包含三个操作数——内存位置、预期原值及新值。执行 CAS 操作的时候，将内存位置的值与预期原值比较，如果相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值，否则，处理器不做任何操作。我们都知道，CAS 是一条 CPU 的原子指令（cmpxchg 指令），不会造成所谓的数据不一致问题，Unsafe 提供的 CAS 方法（如 compareAndSwapXXX）底层实现即为 CPU 指令 cmpxchg。

CAS 在 java.util.concurrent.atomic 相关类、Java AQS、CurrentHashMap 等实现上有非常广泛的应用。比如，在 AtomicInteger 的实现中，静态字段 valueOffset 即为字段 value 的内存偏移地址，valueOffset 的值在 AtomicInteger 初始化时，在静态代码块中通过 Unsafe 的 objectFieldOffset 方法获取。在 AtomicInteger 中提供的线程安全方法中，通过字段 valueOffset 的值可以定位到 AtomicInteger 对象中 value 的内存地址，从而可以根据 CAS 实现对 value 字段的原子操作。

 

比如，下图就为某个 AtomicInteger 对象自增操作前后的内存示意图，对象的基地址 baseAddress=“0x110000”，通过 baseAddress+valueOffset 得到 value 的内存地址 valueAddress=“0x11000c”；然后通过 CAS 进行原子性的更新操作，成功则返回，否则继续重试，直到更新成功为止。

 

说完 CAS，我们再来说说 Unsafe 的内存操作。

内存操作主要有下面 9 个 API。

在《手把手教你通过Java代码体验强引用、软引用、弱引用、虚引用的区别》和《90%的程序员可能都不了解的堆外内存》两篇文章中，我已经讲过了。在 Java 中创建的对象都处于堆内内存（heap）中，堆内内存是由 JVM 所管控的 Java 进程内存，并且它们遵循 JVM 的内存管理机制，JVM 会采用垃圾回收机制统一管理堆内存。与之相对的是堆外内存，存在于 JVM 管控之外的内存区域，Java 中对堆外内存的操作，依赖于 Unsafe 提供的操作堆外内存的 native 方法。

使用堆外内存的原因是：

• 对垃圾回收停顿的改善。由于堆外内存是直接受操作系统管理而不是 JVM，所以当我们使用堆外内存时，即可保持较小的堆内内存规模。从而在 GC 时减少回收停顿对于应用的影响。

• 提升程序 I/O 操作的性能。通常在 I/O 通信过程中，会存在堆内内存到堆外内存的数据拷贝操作，对于需要频繁进行内存间数据拷贝且生命周期较短的暂存数据，都建议存储到堆外内存。

我前面提到的 DirectByteBuffer，在 Netty、MINA 等 NIO 框架中应用广泛。DirectByteBuffer 对于堆外内存的创建、使用、销毁等逻辑均由 Unsafe 提供的堆外内存 API 来实现。

 

上图为 DirectByteBuffer 构造函数，创建 DirectByteBuffer 的时候，通过 Unsafe.allocateMemory 分配内存、Unsafe.setMemory 进行内存初始化，而后构建 Cleaner 对象用于跟踪 DirectByteBuffer 对象的垃圾回收，以实现当 DirectByteBuffer 被垃圾回收时，分配的堆外内存一起被释放。具体的释放就是我前面讲的 PhantomReference 虚引用。

看完上述内容，你们掌握如何分析Unsafe的CAS和内存操作的原理的方法了吗？如果还想学到更多技能或想了解更多相关内容，欢迎关注蜗牛博客行业资讯频道，感谢各位的阅读！

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