Unsafe類在jdk 源碼的多個類中用到，這個類的提供了一些繞開JVM的更底層功能，基於它的實現可以提高效率。但是，它是一把雙刃劍：正如它的名字所預示的那樣，它是Unsafe的，它所分配的內存需要手動free（不被GC回收）。Unsafe類，提供了JNI某些功能的簡單替代：確保高效性的同時，使事情變得更簡單。
這篇文章主要是以下文章的整理、翻譯。
http://mishadoff.com/blog/java-magic-part-4-sun-dot-misc-dot-unsafe/
1. Unsafe API的大部分方法都是native實現，它由105個方法組成，主要包括以下幾類：
（1）Info相關。主要返回某些低級別的內存信息：addressSize(), pageSize()
（2）Objects相關。主要提供Object和它的域操縱方法：allocateInstance(),objectFieldOffset()
（3）Class相關。主要提供Class和它的靜態域操縱方法：staticFieldOffset(),defineClass(),defineAnonymousClass(),ensureClassInitialized()
（4）Arrays相關。數組操縱方法：arrayBaseOffset(),arrayIndexScale()
（5）Synchronization相關。主要提供低級別同步原語（如基於CPU的CAS（Compare-And-Swap）原語）：monitorEnter(),tryMonitorEnter(),monitorExit(),compareAndSwapInt(),putOrderedInt()
（6）Memory相關。直接內存訪問方法（繞過JVM堆直接操縱本地內存）：allocateMemory(),copyMemory(),freeMemory(),getAddress(),getInt(),putInt()
2. Unsafe類實例的獲取
Unsafe類設計只提供給JVM信任的啟動類加載器所使用，是一個典型的單例模式類。它的實例獲取方法如下：
public static Unsafe getUnsafe() {
Class cc = sun.reflect.Reflection.getCallerClass(2);
if (cc.getClassLoader() != null)
throw new SecurityException("Unsafe");
return theUnsafe;
}
非啟動類加載器直接調用Unsafe.getUnsafe()方法會拋出SecurityException（具體原因涉及JVM類的雙親加載機制）。
解決辦法有兩個，其一是通過JVM參數-Xbootclasspath指定要使用的類為啟動類，另外一個辦法就是java反射了。
Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);
通過將private單例實例暴力設置accessible為true，然后通過Field的get方法，直接獲取一個Object強制轉換為Unsafe。在IDE中，這些方法會被標志為Error，可以通過以下設置解決：
Preferences -> Java -> Compiler -> Errors/Warnings ->
Deprecated and restricted API -> Forbidden reference -> Warning
3. Unsafe類“有趣”的應用場景
（1）繞過類初始化方法。當你想要繞過對象構造方法、安全檢查器或者沒有public的構造方法時，allocateInstance()方法變得非常有用。
class A {
private long a; // not initialized value
public A() {
this.a = 1; // initialization
}
public long a() { return this.a; }
}
以下是構造方法、反射方法和allocateInstance()的對照
A o1 = new A(); // constructor
o1.a(); // prints 1
A o2 = A.class.newInstance(); // reflection
o2.a(); // prints 1
A o3 = (A) unsafe.allocateInstance(A.class); // unsafe
o3.a(); // prints 0
allocateInstance()根本沒有進入構造方法，在單例模式時，我們似乎看到了危機。
（2）內存修改
內存修改在c語言中是比較常見的，在Java中，可以用它繞過安全檢查器。
考慮以下簡單准入檢查規則：
class Guard {
private int ACCESS_ALLOWED = 1;
public boolean giveAccess() {
return 42 == ACCESS_ALLOWED;
}
}
在正常情況下，giveAccess總會返回false，但事情不總是這樣
Guard guard = new Guard();
guard.giveAccess(); // false, no access
// bypass
Unsafe unsafe = getUnsafe();
Field f = guard.getClass().getDeclaredField("ACCESS_ALLOWED");
unsafe.putInt(guard, unsafe.objectFieldOffset(f), 42); // memory corruption
guard.giveAccess(); // true, access granted
通過計算內存偏移，並使用putInt()方法，類的ACCESS_ALLOWED被修改。在已知類結構的時候，數據的偏移總是可以計算出來（與c++中的類中數據的偏移計算是一致的）。
（3）實現類似C語言的sizeOf()函數
通過結合Java反射和objectFieldOffset()函數實現一個C-like sizeOf()函數。
public static long sizeOf(Object o) {
Unsafe u = getUnsafe();
HashSet fields = new HashSet();
Class c = o.getClass();
while (c != Object.class) {
for (Field f : c.getDeclaredFields()) {
if ((f.getModifiers() & Modifier.STATIC) == 0) {
fields.add(f);
}
}
c = c.getSuperclass();
}
// get offset
long maxSize = 0;
for (Field f : fields) {
long offset = u.objectFieldOffset(f);
if (offset > maxSize) {
maxSize = offset;
}
}
return ((maxSize/8) + 1) * 8; // padding
}
算法的思路非常清晰：從底層子類開始，依次取出它自己和它的所有超類的非靜態域，放置到一個HashSet中（重復的只計算一次，Java是單繼承），然后使用objectFieldOffset()獲得一個最大偏移，最后還考慮了對齊。
在32位的JVM中，可以通過讀取class文件偏移為12的long來獲取size。
public static long sizeOf(Object object){
return getUnsafe().getAddress(
normalize(getUnsafe().getInt(object, 4L)) + 12L);
}
其中normalize()函數是一個將有符號int轉為無符號long的方法
private static long normalize(int value) {
if(value >= 0) return value;
return (0L >>> 32) & value;
}
兩個sizeOf()計算的類的尺寸是一致的。最標准的sizeOf()實現是使用java.lang.instrument，但是，它需要指定命令行參數-javaagent。
（4）實現Java淺復制
標准的淺復制方案是實現Cloneable接口或者自己實現的復制函數，它們都不是多用途的函數。通過結合sizeOf()方法，可以實現淺復制。
static Object shallowCopy(Object obj) {
long size = sizeOf(obj);
long start = toAddress(obj);
long address = getUnsafe().allocateMemory(size);
getUnsafe().copyMemory(start, address, size);
return fromAddress(address);
}
以下的toAddress()和fromAddress()分別將對象轉換到它的地址以及相反操作。
static long toAddress(Object obj) {
Object[] array = new Object[] {obj};
long baseOffset = getUnsafe().arrayBaseOffset(Object[].class);
return normalize(getUnsafe().getInt(array, baseOffset));
}
static Object fromAddress(long address) {
Object[] array = new Object[] {null};
long baseOffset = getUnsafe().arrayBaseOffset(Object[].class);
getUnsafe().putLong(array, baseOffset, address);
return array[0];
}
以上的淺復制函數可以應用於任意java對象，它的尺寸是動態計算的。
（5）消去內存中的密碼
密碼字段存儲在String中，但是，String的回收是受到JVM管理的。最安全的做法是，在密碼字段使用完之后，將它的值覆蓋。
Field stringValue = String.class.getDeclaredField("value");
stringValue.setAccessible(true);
char[] mem = (char[]) stringValue.get(password);
for (int i=0; i < mem.length; i++) {
mem[i] = '?';
}
（6）動態加載類
標准的動態加載類的方法是Class.forName()(在編寫jdbc程序時，記憶深刻)，使用Unsafe也可以動態加載java 的class文件。
byte[] classContents = getClassContent();
Class c = getUnsafe().defineClass(
null, classContents, 0, classContents.length);
c.getMethod("a").invoke(c.newInstance(), null); // 1
getClassContent()方法，將一個class文件，讀取到一個byte數組。
private static byte[] getClassContent() throws Exception {
File f = new File("/home/mishadoff/tmp/A.class");
FileInputStream input = new FileInputStream(f);
byte[] content = new byte[(int)f.length()];
input.read(content);
input.close();
return content;
}
動態加載、代理、切片等功能中可以應用。
（7）包裝受檢異常為運行時異常。
getUnsafe().throwException(new IOException());
當你不希望捕獲受檢異常時，可以這樣做（並不推薦）。
（8）快速序列化
標准的java Serializable速度很慢，它還限制類必須有public無參構造函數。Externalizable好些，它需要為要序列化的類指定模式。流行的高效序列化庫，比如kryo依賴於第三方庫，會增加內存的消耗。可以通過getInt(),getLong(),getObject()等方法獲取類中的域的實際值，將類名稱等信息一起持久化到文件。kryo有使用Unsafe的嘗試，但是沒有具體的性能提升的數據。（http://code.google.com/p/kryo/issues/detail?id=75）
（9）在非Java堆中分配內存
使用java 的new會在堆中為對象分配內存，並且對象的生命周期內，會被JVM GC管理。
class SuperArray {
private final static int BYTE = 1;
private long size;
private long address;
public SuperArray(long size) {
this.size = size;
address = getUnsafe().allocateMemory(size * BYTE);
}
public void set(long i, byte value) {
getUnsafe().putByte(address + i * BYTE, value);
}
public int get(long idx) {
return getUnsafe().getByte(address + idx * BYTE);
}
public long size() {
return size;
}
}
Unsafe分配的內存，不受Integer.MAX_VALUE的限制，並且分配在非堆內存，使用它時，需要非常謹慎：忘記手動回收時，會產生內存泄露；非法的地址訪問時，會導致JVM崩潰。在需要分配大的連續區域、實時編程（不能容忍JVM延遲）時，可以使用它。java.nio使用這一技術。
（10）Java並發中的應用
通過使用Unsafe.compareAndSwap()可以用來實現高效的無鎖數據結構。
class CASCounter implements Counter {
private volatile long counter = 0;
private Unsafe unsafe;
private long offset;
public CASCounter() throws Exception {
unsafe = getUnsafe();
offset = unsafe.objectFieldOffset(CASCounter.class.getDeclaredField("counter"));
}
@Override
public void increment() {
long before = counter;
while (!unsafe.compareAndSwapLong(this, offset, before, before + 1)) {
before = counter;
}
}
@Override
public long getCounter() {
return counter;
}
}
通過測試，以上數據結構與java的原子變量的效率基本一致，Java原子變量也使用Unsafe的compareAndSwap()方法，而這個方法最終會對應到cpu的對應原語，因此，它的效率非常高。這里有一個實現無鎖HashMap的方案（http://www.azulsystems.com/about_us/presentations/lock-free-hash ，這個方案的思路是：分析各個狀態，創建拷貝，修改拷貝，使用CAS原語，自旋鎖），在普通的服務器機器（核心<32），使用ConcurrentHashMap（JDK8以前，默認16路分離鎖實現，JDK8中ConcurrentHashMap已經使用無鎖實現）明顯已經夠用。