Java 堆外内存操作和使用场景

JDK5 之后才出现了堆外内存得API给到开发进行调用，那么我们为什么要使用堆外内存呢？

加速GC回收，大量对象产生在堆内，GC回收得压力是很大得
更自由、更高效得使用整个计算机内存
更高性能得跨进程数据通信，避免了主内存得多次copy

使用堆外内存需要考虑哪些问题呢？

准确得时间释放无需在使用得堆外内存

带着上面得问题我们接着往下看

Java 堆外内存得操作方式

利用unsafe直接操作（危险性比较高，官方不推荐）
利用NIO得ByteBuffer，JVM会进行堆外内存管理，当堆内得引用对象被回收时会自动回收相关得堆外内存（推荐）

DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作，ByteBuffer 提供了如下常用方法来跟堆外内存打交道：

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity)
- 分配堆外内存，返回一个 DirectByteBuffer 堆外内存对象 return new DirectByteBuffer(capacity);
public abstract ByteBuffer put(byte b);
- 向堆外内存中存放一个字节
public abstract byte get();
- 从堆外内存中读取一个字节
public final ByteBuffer put(byte[] src)
- 向堆外内存中存放一个字节数组
public ByteBuffer get(byte[] dst)
- 从堆外内存中读取一个字节数组
public abstract ByteBuffer putInt(int value);
- 向堆外内存中存放一个 int
public abstract int getInt();
- 从堆外内存中读取一个 int
public abstract IntBuffer asIntBuffer()
- 转换为一个 IntBuffer
public abstract ByteBuffer putLong(long value); 同上，以此类推
public abstract boolean isDirect();
- 判断是否为堆外内存

ByteBuffer 包含了如下的几个属性：

private int mark = -1;：标记位置，记录当前 position 的值
private int position = 0;：当前位置
private int limit;：限制大小
private int capacity;：空间容量
基本关系 mark <= position <= limit <= capacity

public class ByteBufferTest {
    public static void main(String[] args){
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect( 1024 );
        byteBuffer.putChar( 'A' );
        byteBuffer.putLong( 333l );
        byteBuffer.position(0);
        System.out.println(byteBuffer.getChar());
        System.out.println(byteBuffer.getLong());
        System.out.println(byteBuffer.limit());
        System.out.println(byteBuffer.position());
    }
}

堆外内存的设置

堆外内存的限额默认与堆内内存(由-XMX 设定)相仿，可用 -XX:MaxDirectMemorySize 重新设定。
当使用达到了阈值的时候将调用 System.gc 来做一次 Full GC，以此来回收掉没有被使用的堆外内存。

堆外内存的分配

在 DirectByteBuffer 中，首先向 Bits 类申请额度，Bits 类有一个全局的 totalCapacity 变量，记录着全部 DirectByteBuffer 的总大小，每次申请，都先看看是否超限：

如果已经超限，会主动执行 Sytem.gc()，期待能主动回收一点堆外内存。然后休眠一百毫秒，看看 totalCapacity 降下来没有，如果内存还是不足，就抛出大家最头痛的 OOM 异常。
如果额度被批准，就调用大名鼎鼎的 sun.misc.Unsafe 去分配内存，返回内存基地址，Unsafe 的 C++实现，标准的 malloc。然后再调一次 Unsafe 把这段内存给清零。

堆外内存基于 GC 的回收

存在于堆内的 DirectByteBuffer 对象很小，只存着基地址和大小等几个属性，和一个 Cleaner，但它代表着后面所分配的一大段内存，是所谓的冰山对象。
通过前面说的 Cleaner，堆内的 DirectByteBuffer 对象被 GC 时，它背后的堆外内存也会被回收。
这里可以看到一种尴尬的情况，因为 DirectByteBuffer 本身的个头很小，只要熬过了 Young GC，即使已经失效了也能在老生代里舒服的呆着，不容易把老生代撑爆触发 Full GC，如果没有别的大块头进入老生代触发Full GC，就一直在那耗着，占着一大片堆外内存不释放。
这时，就只能靠前面提到的申请额度超限时触发的 System.gc()来救场了。