解码 Java 的不安全类：开发人员的秘密卷轴

有志者，事竟成！如果你在学习文章，那么本文《解码 Java 的不安全类：开发人员的秘密卷轴》，就很适合你！文章讲解的知识点主要包括，若是你对本文感兴趣，或者是想搞懂其中某个知识点，就请你继续往下看吧~

java 的 unsafe 类是低级编程能力的潘多拉魔盒。它违背了 java 精心构建的保护措施，让您可以像向导一样操作内存、对象和并发性。在这份综合指南中，我们将介绍它的起源、功能、如何跨 java 版本使用它以及更安全的替代方案，同时保持幽默和技术深度之间的平衡。
让我们踏上旅程，揭开 unsafe 的秘密，并了解为什么它对开发者来说既是福也是祸。

第一章：不安全简介 – 禁门
将 java 想象成一个过度保护的父母。它确保你不会碰炉子（原始内存）、跳过刷牙（构造函数）或违反规则（类型安全）。虽然这可以保证您的代码安全且可维护，但有时会阻碍高级优化或低级操作。
输入 unsafe** ，这是 jvm 中的一个私有后门，可以让您绕过这些限制。不安全允许您：

• 直接访问和操作内存。

• 无需锁即可执行原子操作。

• 创建对象而不调用构造函数。

• 在 jvm 堆之外分配内存。

不安全不适合胆小的人。误用可能会使 jvm 崩溃、损坏内存或引入安全漏洞。

第二章：为什么存在不安全
unsafe 并不是为日常开发人员创建的。它是为 jdk 本身设计的，用于实现性能关键的功能。例如：

1. 并发编程：像 java.util.concurrent 这样的工具使用不安全的无锁数据结构。

2. 堆外内存：高效管理 jvm 堆外的大型数据集。

3. 序列化： 创建不带构造函数的对象以快速反序列化它们。

4. 自定义库：不安全的框架（如 netty、hazelcast 和 cassandra）可优化网络和数据库操作。

不安全带来了在 java 的通常限制下不可行的可能性。

第 3 章：访问 unsafe – java 9 之前和之后 java 9 引入了 java 平台模块系统 (jpms) ，限制对 unsafe 等内部 api 的访问。让我们探讨如何在这两个时代访问 unsafe。

java 9 之前访问不安全
在 java 9 之前，访问 unsafe 很简单——反射就是神奇的钥匙。
代码示例（java 9 之前的版本）

import sun.misc.unsafe;

import java.lang.reflect.field;

public class unsafeprejava9 {
    public static void main(string[] args) throws exception {
        field unsafefield = unsafe.class.getdeclaredfield("theunsafe");
        unsafefield.setaccessible(true);
        unsafe unsafe = (unsafe) unsafefield.get(null);

        system.out.println("unsafe instance: " + unsafe);
    }
}

java 9 之后访问 unsafe 使用 jpms，对 sun.misc.unsafe 等内部 api 的直接访问受到限制。 unsafe 已重新定位到 jdk.internal.misc** ，需要显式模块访问。在 java 9 中访问 unsafe 的步骤

1. 添加 jvm 参数：

--add-opens java.base/jdk.internal.misc=all-unnamed

1. 使用反射来访问unsafe。 代码示例（java 9 之后）

import jdk.internal.misc.unsafe;

import java.lang.reflect.field;

public class unsafepostjava9 {
    public static unsafe getunsafe() throws exception {
        field theunsafefield = unsafe.class.getdeclaredfield("theunsafe");
        theunsafefield.setaccessible(true);
        return (unsafe) theunsafefield.get(null);
    }

    public static void main(string[] args) throws exception {
        unsafe unsafe = getunsafe();
        system.out.println("unsafe instance (java 9+): " + unsafe);
    }
}

第 4 章：不安全的力量
unsafe 提供了一系列超越 java 通常限制的功能。让我们通过代码示例深入研究它们。

1。内存操作
unsafe 允许您在 jvm 堆之外分配、访问和释放内存。这对于数据库等高性能应用程序非常有用。
代码示例：分配内存

public class memoryexample {
    public static void main(string[] args) throws exception {
        unsafe unsafe = unsafepostjava9.getunsafe();

        // allocate 10 bytes of memory
        long memoryaddress = unsafe.allocatememory(10);
        system.out.println("memory allocated at: " + memoryaddress);

        // write to memory
        unsafe.putbyte(memoryaddress, (byte) 42);
        byte value = unsafe.getbyte(memoryaddress);
        system.out.println("value at memory: " + value);

        // free memory
        unsafe.freememory(memoryaddress);
        system.out.println("memory freed.");
    }
}

2。不安全的堆外缓冲区 堆外缓冲区允许管理 jvm 堆外部的数据，避免垃圾收集开销。代码示例：堆外缓冲区

import java.nio.bytebuffer;

public class offheapbufferexample {
    public static void main(string[] args) {
        // allocate off-heap buffer
        bytebuffer buffer = bytebuffer.allocatedirect(1024);

        // write data
        buffer.putint(42);

        // read data
        buffer.flip();
        int value = buffer.getint();

        system.out.println("value from buffer: " + value);
    }
}

3。原子操作
unsafe 支持原子比较和交换 (cas)，从而实现无锁算法。
代码示例：cas

public class atomicexample {
    static class counter {
        volatile int value;
    }

    public static void main(string[] args) throws exception {
        unsafe unsafe = unsafepostjava9.getunsafe();
        counter counter = new counter();

        long offset = unsafe.objectfieldoffset(counter.class.getdeclaredfield("value"));

        // perform cas operation
        boolean success = unsafe.compareandswapint(counter, offset, 0, 1);
        system.out.println("cas success: " + success);
        system.out.println("updated value: " + counter.value);
    }
}

4。绕过构造函数
使用 unsafe，您可以实例化对象而无需调用构造函数。这是序列化框架中经常使用的强大但危险的功能。
代码示例：构造函数绕过

class demo {
    private demo() {
        throw new unsupportedoperationexception("constructor not allowed");
    }
}

public class constructorbypassexample {
    public static void main(string[] args) throws exception {
        unsafe unsafe = unsafepostjava9.getunsafe();
        demo demoinstance = (demo) unsafe.allocateinstance(demo.class);

        system.out.println("demo instance created: " + demoinstance);
    }
}

说明：
在这里，unsafe 绕过了私有构造函数，允许在不调用其逻辑的情况下创建对象。这对于反序列化框架很有用。

第 5 章：更安全的替代方案
unsafe 的力量伴随着风险。 java 现在提供了更安全的替代方案来解决其常见用例：

1. varhandle： 在 java 9 中引入，用于原子操作。

2. bytebuffer： 简化堆外内存管理。

3. 幻像引用：用于自定义内存管理。
   代码示例：varhandle
   

import java.lang.invoke.MethodHandles;
import java.lang.invoke.VarHandle;

public class VarHandleExample {
    static class Data {
        volatile int value;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Data data = new Data();
        VarHandle varHandle = MethodHandles.lookup().findVarHandle(Data.class, "value", int.class);

        // Atomic compare and set
        boolean success = varHandle.compareAndSet(data, 0, 1);
        System.out.println("CAS success: " + success);
        System.out.println("Updated value: " + data.value);
    }
}

第 6 章：现实世界用例
不安全为关键库提供支持：

• 数据库： cassandra 使用 unsafe 进行自定义内存管理。

• 网络： netty 利用它来优化 i/o 操作。

• 并发： 用于 java.util.concurrent 用于非阻塞数据结构。

第 7 章：结论 不安全是 java 的瑞士军刀，提供原始功能但需要谨慎。虽然存在 varhandle 和 bytebuffer 等更安全的替代方案，但对于小众高性能应用程序来说，unsafe 仍然是不可替代的。负责任地使用它，您就可以释放 java 隐藏的潜力。“强大的能力带来强大的调试。”

今天关于《解码 Java 的不安全类：开发人员的秘密卷轴》的内容就介绍到这里了，是不是学起来一目了然！想要了解更多关于的内容请关注golang学习网公众号！