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【从零开始学习JVM | 第六篇】快速了解 直接内存

前言:

当谈及Java虚拟机(JVM)的内存管理时,我们通常会想到堆内存和栈内存。然而,还有一种被称为"直接内存"的特殊内存区域,它在Java应用程序中起着重要的作用。直接内存提供了一种与Java堆内存和本地内存进行交互的方式,同时也为我们提供了更高效的内存管理手段。

在本文中,我们将深入探讨JVM直接内存的概念、工作原理和使用场景。我们将介绍直接内存与Java堆内存的对比,探讨其中的异同点。此外,我们还将探讨如何使用Java NIO库来操作直接内存,以及如何通过合理的使用直接内存来提升应用程序的性能。

目录

前言:

直接内存:

直接内存的优点:

 如何操作直接内存:

JAVA代码方式:

 手动设置方式:

JVM使用场景:

总结:


直接内存:

        在Java虚拟机(JVM)中,直接内存(Direct Memory) 是一块与Java堆独立管理的内存区域。它是通过Java NIO(New I/O)库引入的一种特性。与Java堆相比,直接内存的分配和释放不受Java堆大小限制,因此可以在一些特定场景下提供更高的性能。        

直接内存 在《Java虚拟机规范》中并不存在,所以不属于Java运行时的内存区域。

直接内存提升了IO操作的效率,在传统的IO操作中,我们的执行流程是这样的:

 本地文件先要读取到内存当中,然后再复制到Java堆中,才可以进行读操作。

而如果我们使用直接内存,就不需要再去将数据复制到Java堆中才可以进行读操作,而是在堆中创建一个Java对象的引用。

通过这种方式减少了数据复制的开销,提高了效率。

直接内存的优点:

  1. 无需垃圾回收:直接内存并不受Java堆的垃圾回收机制管理,不会占用宝贵的堆空间,也不会对垃圾回收器产生额外的压力。
  2. 与本地操作系统直接交互:直接内存是通过使用本地方法库(Native Libraries)来与操作系统进行交互的。这意味着可以利用操作系统提供的高效的内存管理功能,如零拷贝等。
  3. 基于操作系统的零拷贝:在使用直接内存进行I/O操作时,可以通过零拷贝技术将数据直接从直接内存传输到网络或磁盘上,避免了数据复制的开销,提高了性能。
  4. 分配和释放成本较高:由于直接内存需要与操作系统进行交互,所以它的分配和释放成本相对较高,而且需要谨慎管理以避免资源泄漏。

 如何操作直接内存:

JAVA代码方式:

        在Java中,可以使用  java.nio.ByteBuffer  类来创建直接内存数据。直接内存是通过操作系统分配的内存,不受 Java 堆内存大小的限制,通常用于需要频繁 I/O 操作的场景。

import java.nio.ByteBuffer;public class DirectMemoryExample {public static void main(String[] args) {// 分配直接内存,创建一个容量为 10 字节的 ByteBufferByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(10);// 在直接内存中写入数据for (int i = 0; i < 10; i++) {directBuffer.put((byte) i);}// 读取直接内存中的数据directBuffer.flip();while (directBuffer.hasRemaining()) {System.out.print(directBuffer.get() + " ");}// 释放直接内存,显式调用释放方法clean(directBuffer);}// 释放直接内存的方法public static void clean(final ByteBuffer buffer) {if (buffer.isDirect()) {try {sun.misc.Cleaner cleaner = ((sun.nio.ch.DirectBuffer) buffer).cleaner();if (cleaner != null) {cleaner.clean();}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
}

 手动设置方式:

可以通过 -XX:MaxDirectMemorySize  JVM 参数来手动设置直接内存的最大值。该参数用于限制直接内存的大小,当超出该值时,会抛出OutOfMemoryError异常。

下面是一个示例的 JVM 启动参数:

java -XX:MaxDirectMemorySize=1g MyApplication

这个命令会将直接内存的最大值设置为 1GB,并启动 MyApplication  应用程序。

需要注意的是   -XX:MaxDirectMemorySize   参数只是用于限制直接内存的大小,并不代表实际分配的直接内存大小。例如,如果分配的直接内存大小超过了该参数所设置的上限,也不会立即抛出异常,而是视情况在发生 GC 或者其他操作时释放部分直接内存。因此,在使用直接内存时,需要根据实际情况合理设置该参数的值,避免过度占用系统资源。

JVM使用场景:

  1. 网络编程:在网络通信中,需要频繁地进行数据的读取和发送,如果使用堆内存,就需要将数据先读入堆内存,再复制到网络缓冲区中,这样会增加不必要的开销。使用直接内存,可以直接将数据映射到网络缓冲区,避免数据复制,提高了网络通信的效率。

  2. 文件操作:在读写大文件时,使用传统的文件读写方式,需要将数据先读入堆内存,再进行处理。使用直接内存,可以直接将文件映射到内存中,避免了数据复制,减少了 I/O 操作的次数,提高了文件读写的效率。

  3. 图像处理和多媒体应用:在图像处理和多媒体应用中,需要频繁地进行像素数据的读取和处理。使用直接内存,可以将像素数据映射到内存中,避免了数据复制,提高了图像处理和多媒体应用的效率。

需要注意的是,使用直接内存时需要特别谨慎,因为直接内存是由操作系统分配的,不受 JVM 垃圾回收机制的管理,如果分配过多的直接内存,可能会导致操作系统资源耗尽,从而影响系统的稳定性。因此,在使用直接内存时,需要根据实际情况合理设置直接内存的大小,并在使用完毕后及时释放直接内存。

总结:

        总的来说,JVM 直接内存在现代 Java 应用程序中扮演着重要的角色。它主要用于提高 I/O 操作的效率,特别是在涉及网络通信、文件操作和大规模数据处理时。通过直接内存,可以避免数据的额外复制,直接在操作系统级别操作数据,从而提高了应用程序的性能和吞吐量。

然而,使用直接内存也需要谨慎对待。由于直接内存不受 JVM 垃圾回收机制管理,过度使用可能导致操作系统资源耗尽,影响系统的稳定性。因此,在使用直接内存时,需要合理设置直接内存的大小,并确保及时释放不再需要的直接内存,以避免潜在的问题。

综上所述,合理利用 JVM 直接内存可以有效提升 Java 应用程序的性能,但同时也需要注意资源管理和释放,以确保系统的稳定性和可靠性。

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