深入Java Unsafe API：在高性能框架中实现非阻塞、直接内存访问

深入Java Unsafe API：在高性能框架中实现非阻塞、直接内存访问

大家好！今天我们来深入探讨 Java Unsafe API，看看如何在高性能框架中利用它实现非阻塞、直接内存访问。 Unsafe 常常被认为是一个“危险”的API，因为它允许我们绕过 JVM 的安全机制，直接操作内存。但正是这种能力，使得构建高性能、低延迟的系统成为可能。

1. Unsafe API 概述

Unsafe 类位于 sun.misc 包下，由引导类加载器加载，因此普通用户代码无法直接访问。 我们通常通过反射来获取 Unsafe 的实例：

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;

public class UnsafeAccessor {

    private static final Unsafe UNSAFE;

    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (Exception e) {
            throw new Error("Failed to get Unsafe instance", e);
        }
    }

    public static Unsafe getUnsafe() {
        return UNSAFE;
    }
}

这个类通过反射获取了 Unsafe.theUnsafe 静态字段，并使其可访问，从而获得了 Unsafe 的实例。 注意：由于 Unsafe 的特殊性，我们需要在运行时添加 --add-opens java.base/java.lang=ALL-UNNAMED 等JVM参数，才能正常使用反射。

Unsafe 提供了大量的底层操作方法，主要可以分为以下几类：

• 内存管理: 分配、释放内存 (allocateMemory, freeMemory)
• 直接内存访问: 读写基本类型和对象 (getInt, putInt, getObject, putObject)
• CAS 操作: 原子比较并交换 (compareAndSwapInt, compareAndSwapLong, compareAndSwapObject)
• 线程同步: park/unpark 线程
• 类和对象操作: 获取字段偏移量、创建对象 (objectFieldOffset, allocateInstance)
• 数组操作: 获取数组元素偏移量、批量复制数组 (arrayBaseOffset, arrayIndexScale, copyMemory)

2. 直接内存访问 (Direct Memory Access – DMA)

Unsafe 最大的价值之一在于它提供的直接内存访问能力。 与 JVM 堆内存不同，直接内存是由操作系统管理的，不受 JVM 的垃圾回收机制影响。 这可以减少 GC 停顿，提高性能。

2.1 分配和释放直接内存

Unsafe 提供了 allocateMemory(long bytes) 和 freeMemory(long address) 方法来分配和释放直接内存。 这些方法直接调用操作系统的内存分配函数，效率很高。

import sun.misc.Unsafe;

public class DirectMemoryExample {

    private static final Unsafe UNSAFE = UnsafeAccessor.getUnsafe();
    private static final long SIZE = 1024; // 1KB

    public static void main(String[] args) {
        long address = UNSAFE.allocateMemory(SIZE);
        try {
            System.out.println("Allocated memory at address: 0x" + Long.toHexString(address));

            // Write data to memory
            UNSAFE.putInt(address, 12345);
            System.out.println("Wrote integer: " + UNSAFE.getInt(address));

            // Read data from memory
            int value = UNSAFE.getInt(address);
            System.out.println("Read integer: " + value);

        } finally {
            UNSAFE.freeMemory(address);
            System.out.println("Freed memory at address: 0x" + Long.toHexString(address));
        }
    }
}

2.2 直接内存读写

Unsafe 提供了 getInt(long address), putInt(long address, int value), getLong(long address), putLong(long address, long value) 等一系列方法来直接读写内存中的基本类型数据。 它也提供了 getObject(Object o, long offset), putObject(Object o, long offset, Object x) 用于读写对象引用，但是需要格外小心，因为这绕过了类型检查，容易导致安全问题。

import sun.misc.Unsafe;

public class DirectMemoryReadWrite {

    private static final Unsafe UNSAFE = UnsafeAccessor.getUnsafe();

    public static void main(String[] args) {
        long address = UNSAFE.allocateMemory(8); // 8 bytes for a long
        try {
            // Write a long value to direct memory
            UNSAFE.putLong(address, 0x1234567890ABCDEFL);

            // Read the long value from direct memory
            long value = UNSAFE.getLong(address);
            System.out.println("Value read from direct memory: 0x" + Long.toHexString(value));

        } finally {
            UNSAFE.freeMemory(address);
        }
    }
}

2.3 堆外内存的优势

使用堆外内存的主要优势包括：

• 减少 GC 压力: 堆外内存不受 GC 管理，避免了频繁的 GC 停顿，提高了系统响应速度。
• 更大的内存空间: 可以使用超过 JVM 堆大小的内存，突破了 JVM 的内存限制。
• 跨进程共享: 通过内存映射文件 (Memory-Mapped Files) 可以实现跨进程数据共享。
• 零拷贝 (Zero-Copy): 在网络传输等场景下，可以减少数据拷贝次数，提高传输效率。 例如，Kafka 使用堆外内存来存储消息，从而提高吞吐量。

3. 非阻塞并发控制 (Non-Blocking Concurrency Control)

Unsafe 提供了强大的 CAS (Compare-And-Swap) 操作，可以用于实现非阻塞并发控制。 CAS 操作是一种原子操作，它比较内存中的值与期望值，如果相等，则更新为新值。 整个过程是原子的，不会被中断。

3.1 CAS 操作

Unsafe 提供了 compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int update), compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long update), compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update) 等方法来实现 CAS 操作。

• o: 要操作的对象。
• offset: 字段在对象中的偏移量。
• expected: 期望值。
• update: 要更新的新值。

如果对象 o 中偏移量 offset 处的值等于 expected，则更新为 update，并返回 true；否则，不更新，返回 false。

3.2 使用 CAS 实现原子计数器

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;

public class AtomicCounter {

    private static final Unsafe UNSAFE = UnsafeAccessor.getUnsafe();
    private static final long VALUE_OFFSET;

    private volatile int value;

    static {
        try {
            VALUE_OFFSET = UNSAFE.objectFieldOffset(AtomicCounter.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public AtomicCounter(int initialValue) {
        this.value = initialValue;
    }

    public int incrementAndGet() {
        int current;
        int next;
        do {
            current = value;
            next = current + 1;
        } while (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, VALUE_OFFSET, current, next));
        return next;
    }

    public int get() {
        return value;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicCounter counter = new AtomicCounter(0);
        int numThreads = 10;
        Thread[] threads = new Thread[numThreads];

        for (int i = 0; i < numThreads; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    counter.incrementAndGet();
                }
            });
            threads[i].start();
        }

        for (int i = 0; i < numThreads; i++) {
            threads[i].join();
        }

        System.out.println("Counter value: " + counter.get()); // Expected: 100000
    }
}

在这个例子中，incrementAndGet() 方法使用 CAS 操作来原子地增加计数器的值。 它在一个循环中不断尝试，直到 CAS 操作成功为止。 这种方式避免了使用锁，提高了并发性能。

3.3 ABA 问题

CAS 操作存在 ABA 问题。 如果一个值从 A 变为 B，又变回 A，CAS 操作会认为这个值没有发生变化。 这在某些情况下可能会导致错误。

例如，假设一个链表节点被两个线程同时操作。 线程 1 想要删除节点 A，它首先读取 A 的值。 此时，线程 2 也想要删除节点 A，它成功地删除了 A，并插入了新的节点 A’，使得 A 再次出现。 当线程 1 再次执行 CAS 操作时，它会认为 A 没有发生变化，从而错误地删除了 A’。

解决 ABA 问题的常见方法是使用版本号 (version number) 或者时间戳 (timestamp)。 每次修改值时，都增加版本号或更新时间戳。 CAS 操作同时比较值和版本号/时间戳，从而避免 ABA 问题。 Java 的 AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference 类就是用来解决 ABA 问题的。

4. Unsafe 在高性能框架中的应用

Unsafe API 在许多高性能框架中被广泛使用，例如：

• Netty: 使用直接内存 (Direct Buffers) 来实现零拷贝，提高网络传输效率。
• Kafka: 使用堆外内存来存储消息，减少 GC 停顿，提高吞吐量。
• Cassandra: 使用直接内存来存储数据，减少 GC 压力，提高性能。
• Disruptor: 使用 Unsafe 进行内存屏障控制，实现高性能的并发队列。
• OpenJDK: 内部的很多并发工具类，如 ConcurrentHashMap 和 AtomicInteger 等，都使用了 Unsafe 来实现原子操作。

这些框架利用 Unsafe 的直接内存访问和非阻塞并发控制能力，实现了高性能、低延迟的系统。

4.1 Netty 中的 Direct Buffers

Netty 使用 PooledByteBufAllocator 来分配和管理直接内存。 DirectByteBuf 是 Netty 中直接内存缓冲区的实现。 它使用 Unsafe API 来直接读写内存，避免了 JVM 堆内存的拷贝，提高了网络传输效率。

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.PooledByteBufAllocator;

public class NettyDirectBufferExample {

    public static void main(String[] args) {
        PooledByteBufAllocator allocator = PooledByteBufAllocator.DEFAULT;
        ByteBuf buffer = allocator.directBuffer(16); // Allocate 16 bytes of direct memory

        try {
            buffer.writeInt(0x12345678);
            System.out.println("Wrote integer: 0x12345678");

            int value = buffer.readInt();
            System.out.println("Read integer: 0x" + Integer.toHexString(value));

        } finally {
            buffer.release(); // Release the direct buffer
        }
    }
}

4.2 Disruptor 中的内存屏障

Disruptor 是一个高性能的并发队列，它使用 Unsafe API 来进行内存屏障 (Memory Barrier) 控制。 内存屏障可以保证指令的执行顺序，避免指令重排序带来的问题。 Disruptor 使用 sun.misc.Unsafe.storeFence() (since Java 9) 或其他方式来确保数据的可见性和顺序性，从而实现高效的并发访问。

5. 使用 Unsafe 的注意事项

虽然 Unsafe API 提供了强大的功能，但也需要谨慎使用，因为它绕过了 JVM 的安全机制，容易导致安全问题。

• 内存泄漏: 如果分配了直接内存，但没有及时释放，会导致内存泄漏。
• 非法内存访问: 如果访问了不属于你的内存区域，会导致程序崩溃。
• 数据竞争: 如果没有正确地进行并发控制，会导致数据竞争和不一致性。
• 可移植性问题: Unsafe API 是非标准的，不同的 JVM 实现可能有所不同。
• 维护性问题: 使用 Unsafe 的代码通常比较难以理解和维护。
• 安全问题: 绕过了 JVM 安全机制，可能导致安全漏洞。

因此，在使用 Unsafe API 时，需要充分了解其原理和风险，并进行充分的测试。 尽可能地封装 Unsafe API，提供更高级别的抽象，以降低使用难度和风险。

6. 其他替代方案

在某些情况下，可以使用其他替代方案来避免直接使用 Unsafe API。

• java.nio: Java NIO 提供了 ByteBuffer 类，可以用于直接内存访问。 ByteBuffer.allocateDirect() 方法可以分配直接内存。
• VarHandle (Java 9): VarHandle 提供了更安全、更高级别的内存访问方式。 它可以用于读取和更新对象的字段和数组元素，支持原子操作和内存屏障。
• 并发工具类: Java 提供了许多并发工具类，例如 AtomicInteger, AtomicLong, ConcurrentHashMap 等，可以用于实现线程安全的数据结构和算法。
• 第三方库: 有一些第三方库提供了更高级别的抽象，封装了 Unsafe API，例如 Agrona。

使用这些替代方案可以降低使用 Unsafe API 的风险，并提高代码的可维护性和可移植性。

7. 如何选择合适的方案

选择合适的方案取决于具体的需求和场景。

方案	优点	缺点	适用场景