1.Unsafe类简介

Unsafe类是在sun.misc包下，不属于Java标准。但是很多Java的基础类库，包括一些被广泛使用的高性能开发库都是基于Unsafe类开发的，比如Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等。Unsafe类在提升Java运行效率，增强Java语言底层操作能力方面起了很大的作用。
Unsafe类使Java拥有了像C语言的指针一样操作内存空间的能力，同时也带来了指针的问题。过度的使用Unsafe类会使得出错的几率变大，因此Java官方并不建议使用的，官方文档也几乎没有。
Unsafe类包路径变化
1.8之前Unsafe的包路径为：

package sun.misc;

而到了java9，它的包路径改成了下面这个，说明这个类已经开放使用。

package jdk.internal.misc;

获取Unsafe实例方式
1.8之前Unsafe是不公开的类，只能通过反射或者使用系统类加载器使用，利用反射的使用方式如下。这里不再详细分析。

Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);

而到了java9，Unsafe包含了一个静态方法，可以直接拿到theUnsafe对象。如下。

/**
 * 给调用者提供执行不安全操作的能力
 */
public static Unsafe getUnsafe() {
    return theUnsafe;
}

2.Unsafe类功能分类

2.1 内存管理。包括分配内存、释放内存等。

该部分包括了allocateMemory（分配内存）、reallocateMemory（重新分配内存）、copyMemory（拷贝内存）、freeMemory（释放内存）、getAddress（获取内存地址）、addressSize、pageSize、getInt（获取内存地址指向的整数）、getIntVolatile（获取内存地址指向的整数，并支持volatile语义）、putInt（将整数写入指定内存地址）、putIntVolatile（将整数写入指定内存地址，并支持volatile语义）、putOrderedInt（将整数写入指定内存地址、有序或者有延迟的方法）等方法。getXXX和putXXX包含了各种基本类型的操作。

利用copyMemory方法，我们可以实现一个通用的对象拷贝方法，无需再对每一个对象都实现clone方法，当然这通用的方法只能做到对象浅拷贝。

2.2 非常规的对象实例化。

allocateInstance()方法提供了另一种创建实例的途径。通常我们可以用new或者反射来实例化对象，使用allocateInstance()方法可以直接生成对象实例，且无需调用构造方法和其它初始化方法。

这在对象反序列化的时候会很有用，能够重建和设置final字段，而不需要调用构造方法。

2.3 操作类、对象、变量。

这部分包括了staticFieldOffset（静态域偏移）、defineClass（定义类）、defineAnonymousClass（定义匿名类）、ensureClassInitialized（确保类初始化）、objectFieldOffset（对象域偏移）等方法。

通过这些方法我们可以获取对象的指针，通过对指针进行偏移，我们不仅可以直接修改指针指向的数据（即使它们是私有的），甚至可以找到JVM已经认定为垃圾、可以进行回收的对象。

2.4 数组操作。

这部分包括了arrayBaseOffset（获取数组第一个元素的偏移地址）、arrayIndexScale（获取数组中元素的增量地址）等方法。arrayBaseOffset与arrayIndexScale配合起来使用，就可以定位数组中每个元素在内存中的位置。

由于Java的数组最大值为Integer.MAX_VALUE，使用Unsafe类的内存分配方法可以实现超大数组。实际上这样的数据就可以认为是C数组，因此需要注意在合适的时间释放内存。

2.5 多线程同步。包括锁机制、CAS操作等。

这部分包括了monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit、compareAndSwapInt、compareAndSwap等方法。

其中monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit已经被标记为deprecated，不建议使用。

Unsafe类的CAS操作可能是用的最多的，它为Java的锁机制提供了一种新的解决办法，比如AtomicInteger等类都是通过该方法来实现的。compareAndSwap方法是原子的，可以避免繁重的锁机制，提高代码效率。这是一种乐观锁，通常认为在大部分情况下不出现竞态条件，如果操作失败，会不断重试直到成功。

2.6 挂起与恢复。

这部分包括了park、unpark等方法。

将一个线程进行挂起是通过park方法实现的，调用 park后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中，LockSupport类中有各种版本pack方法，但最终都调用了Unsafe.park()方法。

2.7 内存屏障。

这部分包括了loadFence、storeFence、fullFence等方法。这是在Java 8新引入的，用于定义内存屏障，避免代码重排序。

loadFence() 表示该方法之前的所有load操作在内存屏障之前完成。同理storeFence()表示该方法之前的所有store操作在内存屏障之前完成。fullFence()表示该方法之前的所有load、store操作在内存屏障之前完成。

3.ConcurrentHashMap中使用Unsafe

 // Unsafe mechanics
    private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long SIZECTL;
    private static final long TRANSFERINDEX;
    private static final long BASECOUNT;
    private static final long CELLSBUSY;
    private static final long CELLVALUE;
    private static final int ABASE;
    private static final int ASHIFT;

    static {

获取ConcurrentHashMap类的域变量sizeCtl transferIndex等

        SIZECTL = U.objectFieldOffset
            (ConcurrentHashMap.class, "sizeCtl");
        TRANSFERINDEX = U.objectFieldOffset
            (ConcurrentHashMap.class, "transferIndex");
        BASECOUNT = U.objectFieldOffset
            (ConcurrentHashMap.class, "baseCount");
        CELLSBUSY = U.objectFieldOffset
            (ConcurrentHashMap.class, "cellsBusy");

        CELLVALUE = U.objectFieldOffset
            (CounterCell.class, "value");

获取ConcurrentHashMap类Node[]数组第一个元素的偏移地址ABASE，获取数组中元素的增量地址scale

        ABASE = U.arrayBaseOffset(Node[].class);
        int scale = U.arrayIndexScale(Node[].class);
        if ((scale & (scale - 1)) != 0)
            throw new Error("array index scale not a power of two");
        ASHIFT = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);

        // Reduce the risk of rare disastrous classloading in first call to
        // LockSupport.park: https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8074773
        Class ensureLoaded = LockSupport.class;
    }

参考

1）说一说Java的Unsafe类
2）解析java9中的Unsafe

Java Unsafe类