我们已经知道,在网络编程中,为了避免频繁的在用户空间与内核空间拷贝数据,通常会直接从内核空间中申请内存,存放数据,在Java中,把内核空间的内存称之为直接内存,nio包中的ByteBuffer的allocateDirect方法,就是帮助我们申请直接内存的,代码如下所示:public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {

return new DirectByteBuffer(capacity);

}

在上述代码片段中,返回的是一个DirectByteBuffer对象,其是ByteBuffer的子类,对于直接内存的分配,就是在这个类中实现的。

有经验的读者可能知道,在java中,直接内存的申请与释放是通过Unsafe类的allocateMemory方法和freeMemory方法来实现的,且对于直接内存的释放,必须手工调用freeMemory方法,因为JVM只能帮我们管理堆内存,直接内存不在其管理范围之内。

DirectByteBuffer帮我们简化了直接内存的使用,我们不需要直接操作Unsafe类来进行直接内存的申请与释放,那么其是如何实现的呢?

直接内存的申请:

在DirectByteBuffer实例通过构造方法创建的时候,会通过Unsafe类的allocateMemory方法 帮我们申请直接内存资源。

直接内存的释放:

DirectByteBuffer本身是一个Java对象,其是位于堆内存中的,JDK的GC机制可以自动帮我们回收,但是其申请的直接内存,不再GC范围之内,无法自动回收。好在JDK提供了一种机制,可以为堆内存对象注册一个钩子函数(其实就是实现Runnable接口的子类),当堆内存对象被GC回收的时候,会回调run方法,我们可以在这个方法中执行释放DirectByteBuffer引用的直接内存,即在run方法中调用Unsafe 的freeMemory 方法。注册是通过sun.misc.Cleaner类来实现的。

下面通过源码进行分析:class DirectByteBuffer extends MappedByteBuffer  implements DirectBuffer

{

....

//构造方法

DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private

super(-1, 0, cap, cap);

boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();

int ps = Bits.pageSize();

long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));//对申请的直接内存大小,进行重新计算

Bits.reserveMemory(size, cap);

long base = 0;

try {

base = unsafe.allocateMemory(size); //分配直接内存,base表示的是直接内存的开始地址

} 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));//注册钩子函数,释放直接内存

att = null;

}

....

}

可以看到构造方法中的确是用了unsafe.allocateMemory方法帮我们分配了直接内存,另外,在构造方法的最后,通过 Cleaner.create方法注册了一个钩子函数,用于清除直接内存的引用。

Cleaner.create方法声明如下所示:public static Cleaner create(Object heapObj, Runnable task)

其中第一个参数是一个堆内存对象,第二个参数是一个Runnable任务,表示这个堆内存对象被回收的时候,需要执行的回调方法。我们可以看到在DirectByteBuffer的最后一行中,传入的这两个参数分别是this,和一个Deallocator(实现了Runnable接口),其中this表示就是当前DirectByteBuffer实例,也就是当前DirectByteBuffer被回收的时候,回调Deallocator的run方法

Deallocator就是用于清除DirectByteBuffer引用的直接内存,代码如下所示: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) {

// Paranoia

return;

}

unsafe.freeMemory(address);//清除直接内存

address = 0;

Bits.unreserveMemory(size, capacity);

}

}

可以看到run方法中调用了unsafe.freeMemory方法释放了直接内存的引用。

关于System.gc对直接内存释放的影响

细心的读者,可能注意到了,在DirectByteBuffer实例创建的时候,分配内存之前调用了Bits.reserveMemory方法,如果分配失败调用了Bits.unreserveMemory,同时在Deallocator释放完直接内存的时候,也调用了Bits.unreserveMemory方法。

这两个方法,主要是记录jdk已经使用的直接内存的数量,当分配直接内存时,需要进行增加,当释放时,需要减少,源码如下:static void reserveMemory(long size, int cap) {

//如果直接有足够多的直接内存可以用,直接增加直接内存引用的计数

synchronized (Bits.class) {

if (!memoryLimitSet && VM.isBooted()) {

maxMemory = VM.maxDirectMemory();

memoryLimitSet = true;

}

// -XX:MaxDirectMemorySize limits the total capacity rather than the

// actual memory usage, which will differ when buffers are page

// aligned.

if (cap <= maxMemory - totalCapacity) {//维护已经使用的直接内存的数量

reservedMemory += size;

totalCapacity += cap;

count++;

return;

}

}

//如果没有有足够多的直接内存可以用,先进行垃圾回收

System.gc();

try {

Thread.sleep(100);//休眠100秒,等待垃圾回收完成

} catch (InterruptedException x) {

// Restore interrupt status

Thread.currentThread().interrupt();

}

synchronized (Bits.class) {//休眠100毫秒后,增加直接内存引用的计数

if (totalCapacity + cap > maxMemory)

throw new OutOfMemoryError("Direct buffer memory");

reservedMemory += size;

totalCapacity += cap;

count++;

}

}

//释放内存时,减少引用直接内存的计数

static synchronized void unreserveMemory(long size, int cap) {

if (reservedMemory > 0) {

reservedMemory -= size;

totalCapacity -= cap;

count--;

assert (reservedMemory > -1);

}

}

通过上面代码的分析,我们事实上可以认为Bits类是直接内存的分配担保,当有足够的直接内存可以用时,增加直接内存应用计数,否则,调用System.gc,进行垃圾回收,需要注意的是,System.gc只会回收堆内存中的对象,但是我们前面已经讲过,DirectByteBuffer对象被回收时,那么其引用的直接内存也会被回收,试想现在刚好有其他的DirectByteBuffer可以被回收,那么其被回收的直接内存就可以用于本次DirectByteBuffer直接的内存的分配。

因此我们经常看到,有一些文章讲解在使用Nio的时候,不要禁用System.gc,也就是启动JVM的时候,不要传入-XX:+DisableExplicitGC参数,因为这样可能会造成直接内存溢出。道理很明显,因为直接内存的释放与获取比堆内存更加耗时,每次创建DirectByteBuffer实例分配直接内存的时候,都调用System.gc,可以让已经使用完的DirectByteBuffer得到及时的回收。

虽然System.gc只是建议JVM去垃圾回收,可能JVM并不会立即回收,但是频繁的建议,JVM总不会视而不见。

不过,这并不是绝对的,因为System.gc导致的是FullGC,可能会暂停用户线程,也就是JVM不能继续响应用户的请求,对于一些要求延时比较短的应用,是不希望JVM频繁的进行FullGC的。

所以笔者的建议是:禁用System.gc,调大最大可以使用的直接内存。如:

-XX:+DisableExplicitGC -XX:MaxDirectMemorySize=256M

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