【Java技术专题】较为深度的分析JVM的直接内存「上篇」

每日一句

我们始于迷惘，终于更高水平的迷惘。（我最喜欢的名句，哈哈）

JDK7和JDK8的内存结构对比

从上面的图中可以看到Java8相比Java7来讲将方法区的实现，从非堆空间（其实逻辑与堆相连，所属于运行时数据区内部）迁移到了本地内存中，不会造成FullGC过多的压力以及与老年代的耦合度过高的问题，减少FullGC的扫描范围，从而改为手动去回收机制（也可以自动回收需要配置调整）。
之前的文章里面介绍了JVM的运行时数据区的相关介绍，一直对直接内存的研究和学习较少，现在我们就开始介绍一下直接内存的分配方式以及回收方式。

直接内存的定义

1. 常见于NIO操作时，用于数据缓冲区（ByteBuffer.allocate），当然也可以采用Unsafe类进行native方法运作进行申请直接内存。

2. 分配回收成本较高（属于操作系统内存），但读写性能高。（因为直接内存不需要经过JVM解释器进行地址映射转换到系统真正内存，故此读写速度会比堆内存在快很多，但是申请和回收机制角度而言复杂，因为属于直接由操作系统进行管理，而非JVM直接进行管理。

3. 不受JVM内存回收管理（依旧存在内存溢出的问题），此外受限制与操作系统物理内存，以及我们可以手动设置它的阈值（MaxDirectMemory），默认情况下来讲直接内存几乎没有限制（当没有超出物理内存的控制而言）

4. jvm的内存分配与回收是自动的，不需要手动调用任何的方法，但是直接内存需要我们手动调用方法。

直接内存基本使用（IO操作举例）

1. Java堆内存：

2. 使用直接内存后，可以减少步骤：

可以看出来，直接内存无需进行与java堆内存进行映射和转换，可以直接去操作系统内存。

直接内存导致的内存溢出问题

书写程序：每次都分配直接内存，直到内存溢出

public class Test1 {
    static int _100Mb=1024*1024*100;

    public static void main(String[] args) {
        List<ByteBuffer> list=new ArrayList<>();
        int i=0;
        try {
           while (true){
               ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocateDirect(_100Mb);
               list.add(byteBuffer);
               i++;
           }
        }finally {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

测试结果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
    at java.nio.Bits.reserveMemory(Bits.java:694)
    at java.nio.DirectByteBuffer.(DirectByteBuffer.java:123)
    at java.nio.ByteBuffer.allocateDirect(ByteBuffer.java:311)
    at pers.zhb.test.Test1.main(Test1.java:15)

直接内存的分配与回收（底层通过Unsafe对象管理）

直接内存的分配与回收

运行程序前：

直接内存的分配与释放程序：

public class Test1 {
    static int _1Gb=1024*1024*1024;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocateDirect(_1Gb);
        System.out.println("分配完毕");
        System.in.read();
        System.out.println("开始释放");
        byteBuffer=null;
        System.gc();
    }
}

分配直接内存后：

可以看出来相关的多出一个java的进程，并且内存占用1037M，所以也证实了我们的猜测和预想。

在IDEA的控制台点击回车对内存进行释放：

可以看到恢复到了原始的状态。

控制台打印出分配与回收的提示：

分配完毕
开始释放
Process finished with exit code 0

其中System.gc() ,强制执行FullGC，回收掉byteBuffer对象

至此，我们的推测全部验证通过，直接内存会采用另外一个进程去存储相关的系统内存区域，并且不属于jvm内存之内的管理。

Unsafe实现对直接内存的分配与回收：

public class Test1 {
    static int _1Gb=1024*1024*1024;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Unsafe unsafe=getUnsafe();
        //分配内存
        long base=unsafe.allocateMemory(_1Gb);
        unsafe.setMemory(base,_1Gb,(byte)0);
        System.in.read();
        //释放内存
        unsafe.freeMemory(base);
        System.in.read();
    }
	
    public static Unsafe getUnsafe(){
        Field field= null;
        try {
            field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        field.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe= null;
        try {
            unsafe = (Unsafe)field.get(null);
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return unsafe;
    }
}

jvm的内存分配与回收是自动的，不需要手动调用任何的方法，但是直接内存需要我们手动调用方法。

ByteBuffer源码

ByteBuffer (属于工具方法、工厂方法)

ByteBuffer byteBuffer= ByteBuffer.allocateDirect(_1Gb);

allocateDirect（分配内存方法）

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
    return new DirectByteBuffer(capacity);
}

DirectByteBuffer（直接内存的对象）

DirectByteBuffer(int cap) {
        super(-1, 0, cap, cap);
        boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
        int ps = Bits.pageSize();
        long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
        Bits.reserveMemory(size, cap);

        long base = 0;
        try {
            base = unsafe.allocateMemory(size);
        } catch (OutOfMemoryError x) {
            Bits.unreserveMemory(size, cap);
            throw x;
        }
        unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
        if (pa && (base % ps != 0)) {
            // Round up to page boundary
            address = base + ps - (base & (ps - 1));
        } else {
            address = base;
        }
        cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
        att = null;
 }

底层用到的依旧是unsafe对象

优缺点

优点

• 减少了垃圾回收

堆外内存是直接受操作系统管理(不是JVM)。这样做能保持一个较小的堆内内存，以减少垃圾收集对应用的影响。

• 提升IO速度

堆内内存由JVM管理，属于“用户态”；而堆外内存由OS管理，属于“内核态”。如果从堆内向磁盘写数据时，数据会被先复制到堆外内存，即内核缓冲区，然后再由OS写入磁盘，使用堆外内存避免了这个操作。

缺点

• 没有JVM协助管理内存，需要我们自己手动来管理堆外内存，防止内存溢出同时也为了避免一直有FULL GC，最终导致物理内存被耗完。

我们会指定直接内存的最大值，通过-XX：MaxDirectMemorySize来指定，当达到阈值的时候，调用system.gc来进行一次full gc，把那些没有被使用的直接内存回收掉。

• 此外，分配直接内存和回收内存的性能和速度也比较复杂，所以成本也会很高，特别是回收需要FullGC、分配内存的时候，需要切换一次用户态到系统态的操作，分配直接内存，从而用用户态的句柄来引用系统态的内存空间。