Unsafe 与 ByteBuffer 那些事

发布时间：2025-11-04 07:44:04 来源：创站工坊 作者：应用开发

本文转载自微信公众号「Kirito的那事技术分享」，作者kiritomoe 。那事转载本文请联系Kirito的那事技术分享公众号。

前言

记得初学 Java 那会，那事刚学完语法基础，那事就接触到了反射这个 Java 提供的那事特性，尽管在现在看来，那事这是那事非常基础的知识点，但那时候无疑是那事兴奋的，瞬间觉得自己脱离了“Java 初学者”的那事队伍。随着工作经验的那事积累，我也逐渐学习到了很多类似的那事让我为之而兴奋的知识点，Unsafe 的那事使用技巧无疑便是其中一个。

sun.misc.Unsafe 是那事 JDK 原生提供的一个工具类，包含了很多在 Java 语言看来很 cool 的那事操作，例如内存分配与回收、CAS 操作、类实例化、高防服务器内存屏障等。正如其命名一样，由于其可以直接操作内存，执行底层系统调用，其提供的操作也是比较危险的。Unsafe 在扩展 Java 语言表达能力、便于在更高层(Java层)代码里实现原本要在更低层(C层)实现的核心库功能上起到了很大的作用。

从 JDK9 开始，Java 模块化设计的限制，使得非标准库的模块都无法访问到 sun.misc.Unsafe。但在 JDK8 中，我们仍然可以直接操作 Unsafe，再不学习，后面可能就没机会了。

使用 Unsafe

Unsafe 被设计的初衷，并不是希望被一般开发者调用，所以我们不能通过 new 或者工厂方法去实例化 Unsafe 对象，通常可以采用反射的方法获取到 Unsafe 实例：

拿到之后，便可以用这个全局的单例对象去为所欲为了。

功能概览

图片来源于网络，我直接借用过来了。上图包含了 Unsafe 的亿华云众多功能，还算全面。如果全部介绍，文章篇幅会过长，形式难免会流水账，我打算结合我的一些项目经验以及一些比赛经验，从实践角度聊聊 Unsafe 的一些使用技巧。

内存分配&存取

Java 其实也可以像 C++ 那样直接操作内存，借助 Unsafe 就可以。让我们先来看一个 ByteBuffer 的示例，我们将会开辟一个 16 字节的内存空间，先后写入并读取 4 个 int 类型的数据。

熟悉 nio 操作的同学对上面的示例应该不会感到陌生，这是很基础也是很标准的内存使用方式。那换做是 Unsafe 怎么实现同样的效果的?

两段代码输出结果一致：

下面针对使用到的 Unsafe 的 API，逐个介绍：

这个 native 方法分配的是堆外内存，免费信息发布网返回的 long 类型数值，便是内存的首地址，可以作为 Unsafe 其他 API 的入参。你如果见过 DirectByteBuffer 的源码，会发现其实它内部就是使用 Unsafe 封装的。说到 DirectByteBuffer，这里额外提一句，ByteBuffer.allocateDirect 分配的堆外内存会受到 -XX:MaxDirectMemorySize 的限制，而 Unsafe 分配的堆外内存则不会受到限制，当然啦，也不会受到 -Xmx 的限制。如果你正在参加什么比赛并且受到了什么启发，可以把“爷懂了”打在公屏上。

看到另外两个 API putInt 和 getInt ，你应当会意识到，肯定会有其他字节操作的 API，例如 putByte/putShort/putLong ，当然 put 和 get 也是成对出现的。这一系列 API 里面也有注意点，建议需要成对的使用，否则可能会因为字节序问题，导致解析失败。可以看下面的例子：

输出如下：

可以发现当我们使用 Unsafe 进行 putInt，再使用 ByteBuffer 进行 getInt，结果会不符合预期，需要对结果进行字节序变化之后，才恢复正确。这其实是因为，ByteBuffer 内部判断了当前操作系统的字节序，对于 int 这种多字节的数据类型，我的测试机器使用大端序存储，而 Unsafe 默认以小短序存储导致。如果你拿捏不准，建议配套使用写入和读取 API，以避免字节序问题。对字节序不了解的同学可以参考我的另外一篇文章：《“字节序”是个什么鬼》。

内存复制

内存复制在实际应用场景中还是很常见的需求，例如上一篇文章我刚介绍过的，堆内内存写入磁盘时，需要先复制到堆外内存，再例如我们做内存聚合时，需要缓冲一部分数据，也会涉及到内存复制。你当然也可以通过 ByteBuffer 或者 set/get 去进行操作，但肯定不如 native 方法来的高效。Unsafe 提供了内存拷贝的 native 方法，可以实现堆内到堆内、堆外到堆外、堆外和堆内互相拷贝，总之就是哪儿到哪儿都可以拷贝。

对于堆内内存来说，我们可以直接给 src 传入对象数组的首地址，并且指定 offset 为对应数组类型的偏移量，可以通过 arrayBaseOffset 方法获取堆内内存存储对象的偏移量

例如获取 byte[] 的固定偏移量可以这样操作：unsafe.arrayBaseOffset(byte[].class)

对于堆外内存来说，会更加直观一点，dst 设为 null，dstOffset 设置为 Unsafe 获取的内存地址即可。

堆内内存复制到堆外内存的示例代码：

在实际应用中，大多数 ByteBuffer 相关的源码在涉及到内存复制时，都使用了 copyMemory 方法。

非常规实例化对象

在 JDK9 模块化之前，如果不希望将一些类开放给其他用户使用，或者避免被随意实例化(单例模式)，通常有两个常见做法

案例一：私有化构造器

如果希望实例化该对象，第一时间想到的可能是反射创建

不出所料，我们获得了一个异常

稍作调整，调用构造器创建实例

it works!输出如下：

当然，Unsafe 也提供了 allocateInstance 方法

也可以实现实例化，而且更为直观

同样 works!输出如下：

注意这里有一个细节，allocateInstance 没有触发构造方法。

案例二：package level 实例

注意，这里我定义了一个 package 级别可访问的对象 PackageFoo，只有 moe.cnkirito 包下的类可以访问。

我们同样先尝试使用反射

得到了意料之中的报错：

再试试 Unsafe 呢?

由于在 com.bellamm 包下，我们甚至无法在编译期定义 PackageFoo 类，只能通过反射机制在运行时，获取 moe.cnkirito.PackageFoo 的方法，配合 Unsafe 实例化，最终实现调用，成功输出 hello world。

我们花了这么大的篇幅进行实验来说明了两种限制案例，以及 Unsafe 的解决方案，还需要有实际的应用场景佐证 Unsafe#allocateInstance 的价值。我简单列举两个场景：

序列化框架在使用反射无法创建对象时，可以尝试使用 Unsafe 创建，作为兜底逻辑。

获取包级别保护的类，再借助于反射机制，可以魔改一些源码实现或者调用一些 native 方法，此法慎用，不建议在生产使用。

示例代码：动态修改堆外内存限制，覆盖 JVM 启动参数：-XX:MaxDirectMemorySize

总结

先大概介绍这三个 Unsafe 用法吧，已经是我个人认为比较常用的几个 Unsafe 案例了。

Unsafe 这个东西，会用的人基本都知道不能瞎用;不会用的话，看个热闹，知道 Java 有这个机制总比不知道强对吧。当然，本文也介绍了一些实际场景可能必须得用 Unsafe，但更多还是出现在各个底层源码之中。

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