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，访问直接内存的速度会优于 Java 堆。即读写性能高。

  • 因此出于性能考虑，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。

直接内存的简单体验

/**
 *  IO                  NIO (New IO / Non-Blocking IO)
 *  byte[] / char[]     Buffer
 *  Stream              Channel
 *
 * 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();
    }
}

使用本地内存读写数据的测试

public class BufferTest1 {

    private static final String TO = "D:\\软件设计师.zip";
    private static final int _100Mb = 1024 * 1024 * 100;

    public static void main(String[] args) {
        long sum = 0;
        String src = "D:\\软件设计师.zip";//1.8G
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            String dest = "D:\\软件设计师_" + i + ".zip";
            // 传统方式
//            sum += io(src,dest);//22672
            // nio 方式
            sum += directBuffer(src, dest);//10155
        }

        System.out.println("总花费的时间为：" + sum);
    }

    private static long directBuffer(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(_100Mb);
            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[_100Mb];
            while (true) {
                int len = fis.read(buffer);
                if (len == -1) {
                    break;
                }
                fos.write(buffer, 0, len);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (fis != null) {
                try {
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
            if (fos != null) {
                try {
                    fos.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        }


        long end = System.currentTimeMillis();

        return end - start;
    }
}

直接内存的 OOM 与内存大小的设置

• 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 堆和直接内存的总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 MaxDirectMemorySize 设置。
• 如果不指定，默认与堆的最大值 - Xmx 参数值一致。

实例一

/**
 * 本地内存的 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) {
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
                list.add(byteBuffer);
                count++;
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } finally {
            System.out.println(count);
        }
    }
}

实例二

/**
 * -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);
        }
    }
}

总结

简单来说：java process memory = java heap + native memory。

注意

ChatGPT：这个公式并不完全正确，因为它忽略了一些 JVM 还需要的内存区域，如元空间（Metaspace）、线程栈（Thread Stack）和代码缓存（Code Cache）等。

一个更准确的公式是：

java process memory = java heap + native memory + metaspace + thread stack + code cache + ...

其中：

• java heap 是 JVM 用来存储 Java 对象的内存区域，受到 -Xms 和 -Xmx 参数的限制。
• native memory 是 JVM 用来存储本地数据的内存区域，不受到 Java 垃圾回收器的管理，可以通过 NIO、JNI 或 Unsafe 类来分配和释放。
• metaspace 是 JVM 用来存储类的元数据的内存区域，不属于堆内存，受到 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 参数的限制。
• thread stack 是 JVM 用来存储每个线程的局部变量和方法调用的内存区域，受到 -Xss 参数的限制。
• code cache 是 JVM 用来存储 JIT 编译后的机器指令的内存区域，受到 -XX:InitialCodeCacheSize 和 -XX:ReservedCodeCacheSize 参数的限制。