Java直接内存访问的技巧

2016/07/26 12:00
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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:JavaSE   阅读:23,814 浏览数   1条评论  

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。

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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:

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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) 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:

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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:

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// 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:

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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:

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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:

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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。

本文固定链接:http://www.xiaoyaochong.net/wordpress/index.php/2013/02/26/java%e7%9b%b4%e6%8e%a5%e5%86%85%e5%ad%98%e8%ae%bf%e9%97%ae%e7%9a%84%e6%8a%80%e5%b7%a7/ | 逍遥冲

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