Java直接内存访问的技巧
Feb262013
作者：逍遥冲 发布：2013-02-26 21:35 分类： 阅读：23,814 浏览数
Java被设计成一个安全，可管理的环境，然而 Java HotSpot有一个后门，提供了对低级别的，对直接内存和线程的操作。这个后门是—-sun.misc.Unsafe。这个类在JDK中有广泛的应用，例如，java.nio和java.util.concurrent。很难想象在日常开发中使用这些危险的，不可移植和未经校验的API。然而,Unsafe提供一种简单的方法来观察HotSpot JVM内部的一些技巧。
获取Unsafe
sun.misc.Unsafe这个类的访问是受限的，它的构造方法是私有的，相应的工厂方法要求必须被Bootloader载入才能使用，也就是说，只有JDK内部分才能使用这个工厂方法来构造Unsafe对象。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | public final class Unsafe {
...
private Unsafe() {}
private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();
...
public static Unsafe getUnsafe() {
Class cc = sun.reflect.Reflection.getCallerClass(2);
if (cc.getClassLoader() != null)
throw new SecurityException("Unsafe");
return theUnsafe;
}
...
}
|
幸运地是，有一个theUnsafe属性可以被利用来检索Unsafe实例，我们可以见到的写一个反射方法，来获取Unsafe实例：
| 1 2 3 4 5 6 7 | public static Unsafe getUnsafe() {
try {
Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
return (Unsafe)f.get(null);
} catch (Exception e) { /* ... */ }
}
|
下面将学习一些Unsafe的方法。
1.long getAddress(long address) 和void putAddress(long address, long x)
对直接内存进行读写。
2.int getInt(Object o, long offset) , void putInt(Object o, long offset, int x)
另一个类似的方法对直接内存进行读写，将C语言的结构体和Java对象进行转换。
3.long allocateMemory(long bytes)
这个可以看做是C语言的malloc()函数的一种包装。
sizeof()函数
Java对象的结构如下图所示：
第一个技巧，是模拟C语言的sizefo()函数，这个函数返回对象的字节大小。我们可以用如下的代码实现sizeof()函数：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | public static long sizeOf(Object object) {
Unsafe unsafe = getUnsafe();
return unsafe.getAddress( normalize( unsafe.getInt(object, 4L) ) + 12L );
}
public static long normalize(int value) {
if(value >= 0) return value;
return (~0L >>> 32) & value;
}
|
我们需要使用normalize()函数，因为如果内存地址如果在2^31和2^32之间，将会自动的覆盖邻近的整型，也就是说用补码的方式进行存储。让我们在32位JVM（JDK6或者7）中进行测试：
| 1 2 3 4 5 | // 执行sizeOf(new MyStructure())得到如下的结果:
class MyStructure { } // 8: 4 (起始标记) + 4 (指向类的指针)
class MyStructure { int x; } // 16: 4 (起始标记) + 4 (指向类的指针) + 4 (int) + 4 填充字节用来对齐64位块
class MyStructure { int x; int y; } // 16: 4 (起始标记) + 4 (指向类的指针) + 2*4
|
直接内存管理
Unsafe允许通过allcateMemory和freeMemory方法对内存进行显示的分配和回收，直接分配的内存不在GC的控制内，并且不受限于JVM堆的大小。通常，通过NIO的脱离堆约束的缓冲，这些方法是安全有效的，但是有趣的是这让标准的Java引用映射非堆内存变成了可能：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 | MyStructure structure = new MyStructure(); // create a test object
structure.x = 777;
long size = sizeOf(structure);
long offheapPointer = getUnsafe().allocateMemory(size);
getUnsafe().copyMemory(
structure, // source object
0, // source offset is zero - copy an entire object
null, // destination is specified by absolute address, so destination object is null
offheapPointer, // destination address
size
); // test object was copied to off-heap
Pointer p = new Pointer(); // Pointer is just a handler that stores address of some object
long pointerOffset = getUnsafe().objectFieldOffset(Pointer.class.getDeclaredField("pointer"));
getUnsafe().putLong(p, pointerOffset, offheapPointer); // set pointer to off-heap copy of the test object
structure.x = 222; // rewrite x value in the original object
System.out.println( ((MyStructure)p.pointer).x ); // prints 777
....
class Pointer {
Object pointer;
}
|
所以，事实上是可以对真实对象进行内存分配和回收的，不单单只是NIO中的字节缓冲。当然，有一个比较大的问题是，GC将会在这样的内存欺骗之后发生。
继承自Final类和void*
想象一下有一个以String为参数的方法，但它需要经行外部的重载。具体代码如下：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | Carrier carrier = new Carrier();
carrier.secret = 777;
String message = (String)(Object)carrier; // ClassCastException
handler( message );
...
void handler(String message) {
System.out.println( ((Carrier)(Object)message).secret );
}
...
class Carrier {
int secret;
}
|
为了让这段代码能工作，首先需要更改Carrier类去伪装成String的子类。superclasses列表被存储在Carrier类结构体28的位置，如上文图中所示。原则上，添加如下的代码可以让Carrer转化成String：
| 1 2 3 | long carrierClassAddress = normalize( unsafe.getInt(carrier, 4L) );
long stringClassAddress = normalize( unsafe.getInt("", 4L) );
unsafe.putAddress(carrierClassAddress + 32, stringClassAddress); // insert pointer to String class to the list of Carrier's superclasses
|
这样，类型转化可以正常工作。然而，这样的转换方式是不切当并且违反虚拟机规范的。更详细的方法将包含如下的步骤：
1.在Carrier类中32的位置实际上包含了一个指向Carrier类自己的指针，所以这个指针将被转移到36的位置上，不仅仅是被指针重写到String类。
2.当Carrier继承自String的时候，String类的final标记将被移掉。
结论
sun.misc.Unsafe提供了几乎是不受限制的监控和修改虚拟机运行时数据结构的能力。尽管这些能力几乎是和Java开发本身不相干的，但是对于想要学习HotSpot虚拟机但是没有C++代码调试，或者需要去创建特别的分析工具的人来说，Unsafe是一个伟大的工具。
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