11-直接内存

直接内存概述

• 不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。
• 直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存区间。
• 来源于NIO，通过存在堆中的DirectByteBuffer操作Native内存

• 通常，访问直接内存速度会由于Java堆，即读写性能高。

  • 因为出于性能考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。
  • Java的NIO库允许Java程序使用直接内存，用于数据缓冲区

直接内存占用代码示例

/**
 * 查看直接内存的占用与释放
 */
public class BufferTest {
  private static final int BUFFER = 1024 * 1024 * 1024; // 1GB
  public static void main(String[] args) {
    // 直接分配本地内存空间
    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
    System.out.println("直接内存分配完毕，请求指示！");
    Scanner scanner = new Scanner(System.in);
    scanner.next();
    System.out.println("直接内存开始释放！");
    byteBuffer = null;
    System.gc();
    scanner.next();
  }
}

运行后，根据jps指令查看PID,在任务管理器中可以看到具体的内存占用

> jps
20192 BufferTest

可以看到占用1G多的内存空间，随便输入一串文字

可以看到内存占用降到18.3M

使用直接内存的原因

    读写文件，需要与磁盘交互，需要由用户态切换到内核太。在内核太时，需要内存如下图的操作，使用IO,这里需要两份内存存储重复数据，效率低

    使用NIO时，如下图，操作系统划分出的直接缓存区可以被Java代码直接访问，只有一份。NIO适合对大文件的读写操作。

代码示例：

/**
 * io与nio例子
 */
public class BufferTest1 {
  private static final String FILE = "D:\\迅雷下载\\新建文件夹\\XXX.mkv";
  private static final int _10Mb = 1024 * 1024 * 10;
  public static void main(String[] args) {
    long sum = 0;
    String src = FILE;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
      String dest = "D:\\迅雷下载\\新建文件夹\\XXX" + i + ".mkv";
      sum += directBudder(src, dest); // 总花费时间为：31345
//      sum += io(src, dest);         // 总花费时间为：62520
    }
    System.out.println("总花费时间为：" + sum);
  }
  private static long directBudder(String src, String dest) {
    long start = System.currentTimeMillis();
    FileChannel inChannel = null;
    FileChannel outChannel = null;
    try {
      inChannel = new FileInputStream(src).getChannel();
      outChannel = new FileOutputStream(dest).getChannel();
      ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_10Mb);
      while (inChannel.read(byteBuffer) != -1) {
        byteBuffer.flip(); // 修改为读数据模式
        outChannel.write(byteBuffer);
        byteBuffer.clear(); // 清空
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    } finally {
      if (inChannel != null) {
        try {
          inChannel.close();
        } catch (IOException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
      if (outChannel != null) {
        try {
          outChannel.close();
        } catch (IOException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
    long end = System.currentTimeMillis();
    return end - start;
  }
  private static long io(String src, String dest) {
    long start = System.currentTimeMillis();
    FileInputStream fis = null;
    FileOutputStream fos = null;
    try {
      fis = new FileInputStream(src);
      fos = new FileOutputStream(dest);
      byte[] buffer = new byte[_10Mb];
      while (true) {
        int len = fis.read(buffer);
        if (len == -1) {
          break;
        }
        fos.write(buffer, 0, len);
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    long end = System.currentTimeMillis();
    return end - start;
  }
}

结论：在视频大小1.5G的情况下，io耗时62520，nio耗时31345，nio较快

直接内存的特性：

• 也可能导致OutOfMemoryError异常
• 由于直接内存在Java堆外，因此它的大小不会直接受限于-Xmx指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，Java堆和直接内存和依然受限于操作系统能给出的最大内存。

• 缺点：

  • 分配回收成本较高
  • 不受JVM内存回收管理
• 直接内存大小可以通过-XX:MaxDirectMemorySize设置
• 如果不指定，默认与堆的最大值-Xmx参数值一致。

直接内存 OOM代码示例

/**
 * 本地内存OOM OutOfMemoryError: Direct buffer memory
 */
public class BufferTest2 {
  private static final int BUFFER = 1024 * 1024 * 20; // 20MB
  public static void main(String[] args) {
    ArrayList<ByteBuffer> list = new ArrayList<>();
    int count = 0;
    try {
      while (true) {
        // 使用直接内存
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
        list.add(byteBuffer);
        count++;
        try {
          Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }finally {
      System.out.println(count);
    }
  }
}

运行结果：

362
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
    at java.nio.Bits.reserveMemory(Bits.java:694)
    at java.nio.DirectByteBuffer.<init>(DirectByteBuffer.java:123)
    at java.nio.ByteBuffer.allocateDirect(ByteBuffer.java:311)
    at BufferTest2.main(BufferTest2.java:19)

UnSafe OutOfMemoryError代码示例

/**
 * -Xmx20m -XX:MaxDirectMemorySize=10m
 */
public class MaxDirectMemorySizeTest {
  private static final long _1MB = 1024 * 1024;
  public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException {
    Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
    unsafeField.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
    while (true) {
      unsafe.allocateMemory(_1MB);
    }
  }
}

运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at MaxDirectMemorySizeTest.main(MaxDirectMemorySizeTest.java:17)

结论：直接内存也会OOM

简单理解：

    java process memory = java heap + native memory