JVM学习笔记：深入解析DirectByteBuffer与堆外内存

在Java虚拟机（JVM）中，内存管理是一个复杂但至关重要的主题。本文将重点讨论堆内存与堆外内存的区别，特别是DirectByteBuffer在堆外内存管理中的应用。

堆内存与堆外内存

Java应用程序运行时，JVM为其分配了一定的内存空间，这些内存可以大致分为两类：堆内存（Heap Memory）和堆外内存（Off-Heap Memory）。

堆内存主要用于存储对象实例，是垃圾回收器的主要工作区域。而堆外内存则位于JVM堆之外，主要用于存储一些需要频繁访问的数据，如网络缓冲区等，这部分内存不受JVM垃圾回收机制的直接管理。

从上图可以看出，Java进程的内存占用包括了堆内存（A1）、直接内存（B1）和其他原生代码分配的内存（B2）。其中，直接内存通常由DirectByteBuffer类管理，而其他原生代码分配的内存则可能涉及更底层的操作系统调用。

DirectByteBuffer详解

DirectByteBuffer是Java NIO包中一个非常重要的类，它允许程序直接在堆外分配内存，从而提高数据处理的效率，尤其是在网络通信和文件操作中。

使用示例

下面是一个简单的DirectByteBuffer使用示例：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 分配128字节的直接内存
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(128);
    // 写入数据
    buffer.put("写入到直接内存".getBytes(Charset.forName("utf-8")));
    // 切换到读模式
    buffer.flip();
    // 读取数据
    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
    buffer.get(bytes);
    System.out.println(new String(bytes, Charset.forName("utf-8")));
    System.gc(); // 建议手动触发垃圾回收，但不是必须的
}

内部机制

DirectByteBuffer的核心在于其构造函数，以下是构造函数的关键部分：

DirectByteBuffer(int cap) {
    super(-1, 0, cap, cap);
    boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned(); // 是否开启内存页对齐
    int ps = Bits.pageSize(); // 获取内存页大小
    long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0)); // 计算实际分配的内存大小
    Bits.reserveMemory(size, cap); // 控制直接内存的使用量
    long base = 0;
    try {
        base = unsafe.allocateMemory(size); // 分配内存
    } catch (OutOfMemoryError x) {
        Bits.unreserveMemory(size, cap);
        throw x;
    }
    unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0); // 初始化内存
    if (pa && (base % ps != 0)) {
        // 如果启用了内存页对齐，则调整基地址
        address = base + ps - (base & (ps - 1));
    } else {
        address = base;
    }
    cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap)); // 创建清理器
    att = null;
}

主要步骤包括：

1. 通过unsafe.allocateMemory(size)方法分配指定大小的内存。这是一个本地方法，通过JNI调用操作系统的内存分配函数（如malloc）。
2. 创建Cleaner对象，用于在对象不再被引用时自动释放内存。

Cleaner类继承自PhantomReference，当对象被垃圾回收器回收时，Cleaner的clean方法会被调用，进而执行Deallocator的run方法来释放内存。

private static class Deallocator implements Runnable {
    private static Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private long address;
    private long size;
    private int capacity;

    private Deallocator(long address, long size, int capacity) {
        assert (address != 0);
        this.address = address;
        this.size = size;
        this.capacity = capacity;
    }

    public void run() {
        if (address == 0) {
            return;
        }
        unsafe.freeMemory(address); // 释放内存
        address = 0;
        Bits.unreserveMemory(size, capacity); // 更新统计信息
    }
}

参考资料

• 堆外内存泄漏分析
• DirectByteBuffer原理详解