JVM-直接内存原理

JVM直接内存

1. 直接内存原理

直接内存是操作系统内存的一部分，并不是由虚拟机管理的内存，不受垃圾回收管理器的管理。

​ 正常情况下的内存使用：

根据上图所示，java缓冲区的内存是由JVM进行分配和回收的，JVM本身相对于操作系统来说属于用户态的应用程序，如果进行文件读写操作，需要由用户态转到内核态，由操作系统提供读写服务。因此在进行文件读写时，需要进过两次拷贝。

​ 直接内存的使用情况：

根据上图可见，当java程序申请直接内存时，使用的的系统内存，并且java程序和操作系统都可以对这块内存进行操作，因此可以加快读写速度，但是直接内存不受GC的管理，分配的代价也比较大，常用于NIO操作，用作读写缓冲区。

当然，如果申请的直接内存过大，会出现OutOfMemoryError异常。

2. 直接内存的释放和回收

​ 使用ByteBuffer来申请直接内存：

ByteBuffer  buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

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

DirectByteBuffer的内部实现如下：

DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private

        super(-1, 0, cap, cap, null);
        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;
}

根据源码，我们可以看到申请内存实际上是通过一个UNSAFE对象来实现的，base = UNSAFE.allocateMemory(size);,通过使用allocateMemory方法来申请直接内存。同样在释放直接内存时，需要我们主动调用UNSAFE的freeMemory方法来释放内存。

具体在DirectByteBuffer的实现方法中，我们看到了使用了一个Cleaner(虚引用)来检测this，就是我们当前的ByteBuffer对象，一旦ByteBuffer对象被垃圾回收，那么就会由ReferenceHandler线程通过Cleaner的clean方法来调用freeMemory方法来释放直接内存。

根据源码可以看到，在创建Cleaner的同时，传入了Deallocator对象，在Deallocator对象存在一个run方法，该run方法内部调用了UNSAFE的freeMemory方法来释放直接内存。

 public void run() {
		if (address == 0) {
                // Paranoia
                return;
            }
            UNSAFE.freeMemory(address);
            address = 0;
            Bits.unreserveMemory(size, capacity);
}

在实际使用中，当ByteBuffer对象被回收后，Cleaner便可以通过UNSAFE的freeMemory方法来回收直接内存，当然，我们也可以直接调用UNSAFE的freeMemory方法来回收直接内存，但是UNSAFE一般由JVM内部使用，上层程序无法直接使用，需要通过反射来间接获取UNSAFE对象。