Java双刃剑之Unsafe类详解 (3)

需要注意,通过这种方式分配的内存属于堆外内存,是无法进行垃圾回收的,需要我们把这些内存当做一种资源去手动调用freeMemory方法进行释放,否则会产生内存泄漏。通用的操作内存方式是在try中执行对内存的操作,最终在finally块中进行内存的释放。

2、内存屏障

在介绍内存屏障前,需要知道编译器和CPU会在保证程序输出结果一致的情况下,会对代码进行重排序,从指令优化角度提升性能。而指令重排序可能会带来一个不好的结果,导致CPU的高速缓存和内存中数据的不一致,而内存屏障(Memory Barrier)就是通过组织屏障两边的指令重排序从而避免编译器和硬件的不正确优化情况。

在硬件层面上,内存屏障是CPU为了防止代码进行重排序而提供的指令,不同的硬件平台上实现内存屏障的方法可能并不相同。在java8中,引入了3个内存屏障的函数,它屏蔽了操作系统底层的差异,允许在代码中定义、并统一由jvm来生成内存屏障指令,来实现内存屏障的功能。Unsafe中提供了下面三个内存屏障相关方法:

//禁止读操作重排序 public native void loadFence(); //禁止写操作重排序 public native void storeFence(); //禁止读、写操作重排序 public native void fullFence();

内存屏障可以看做对内存随机访问的操作中的一个同步点,使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作。以loadFence方法为例,它会禁止读操作重排序,保证在这个屏障之前的所有读操作都已经完成,并且将缓存数据设为无效,重新从主存中进行加载。

看到这估计很多小伙伴们会想到volatile关键字了,如果在字段上添加了volatile关键字,就能够实现字段在多线程下的可见性。基于读内存屏障,我们也能实现相同的功能。下面定义一个线程方法,在线程中去修改flag标志位,注意这里的flag是没有被volatile修饰的:

@Getter class ChangeThread implements Runnable{ /**volatile**/ boolean flag=false; @Override public void run() { try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("subThread change flag to:" + flag); flag = true; } }

在主线程的while循环中,加入内存屏障,测试是否能够感知到flag的修改变化:

public static void main(String[] args){ ChangeThread changeThread = new ChangeThread(); new Thread(changeThread).start(); while (true) { boolean flag = changeThread.isFlag(); unsafe.loadFence(); //加入读内存屏障 if (flag){ System.out.println("detected flag changed"); break; } } System.out.println("main thread end"); }

运行结果:

subThread change flag to:false detected flag changed main thread end

而如果删掉上面代码中的loadFence方法,那么主线程将无法感知到flag发生的变化,会一直在while中循环。可以用图来表示上面的过程:

Java双刃剑之Unsafe类详解

了解java内存模型(JMM)的小伙伴们应该清楚,运行中的线程不是直接读取主内存中的变量的,只能操作自己工作内存中的变量,然后同步到主内存中,并且线程的工作内存是不能共享的。上面的图中的流程就是子线程借助于主内存,将修改后的结果同步给了主线程,进而修改主线程中的工作空间,跳出循环。

3、对象操作

a、对象成员属性的内存偏移量获取,以及字段属性值的修改,在上面的例子中我们已经测试过了。除了前面的putInt、getInt方法外,Unsafe提供了全部8种基础数据类型以及Object的put和get方法,并且所有的put方法都可以越过访问权限,直接修改内存中的数据。阅读openJDK源码中的注释发现,基础数据类型和Object的读写稍有不同,基础数据类型是直接操作的属性值(value),而Object的操作则是基于引用值(reference value)。下面是Object的读写方法:

//在对象的指定偏移地址获取一个对象引用 public native Object getObject(Object o, long offset); //在对象指定偏移地址写入一个对象引用 public native void putObject(Object o, long offset, Object x);

除了对象属性的普通读写外,Unsafe还提供了volatile读写有序写入方法。volatile读写方法的覆盖范围与普通读写相同,包含了全部基础数据类型和Object类型,以int类型为例:

//在对象的指定偏移地址处读取一个int值,支持volatile load语义 public native int getIntVolatile(Object o, long offset); //在对象指定偏移地址处写入一个int,支持volatile store语义 public native void putIntVolatile(Object o, long offset, int x);

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