【JVM基础06】——组成-直接内存详解

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1- 引言：直接内存概述

1-1 直接内存是什么？直接内存的定义(What)

• 直接内存：并不属于 JVM 中的内存结构，不由 JVM 进行管理。是虚拟机的系统内存，常见于 NIO 操作时，用于数据缓冲区，它分配回收成本较高，但读写性能高。

1-2 为什么用直接内存？Java程序对直接内存的使用 (Why)

• 高性能需求：直接内存的读写性能高于传统的JVM堆内存，因为减少了内存复制的次数。在进行大量数据的读写操作时，使用直接内存可以显著提高性能。
• NIO操作：Java NIO（Non-blocking IO）库通过使用直接内存来提升IO操作的吞吐量。直接内存允许Java程序直接访问操作系统的内存，从而减少了数据在系统缓冲区和Java堆缓冲区之间复制的开销。
• 资源共享：直接内存是操作系统内存的一部分，可以被操作系统和Java程序共享访问，这使得数据处理更加高效。
• 避免垃圾回收：直接内存不受JVM的垃圾回收机制影响，减少了由于垃圾回收导致的性能波动，对一些高性能应用场景尤为重要。

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2- ⭐核心：详解直接内存(How)

2-1 文件拷贝案例介绍对比常规 IO(BIO) 和 NIO

• Java 代码完成文件拷贝
• 场景：E:/bak1 下有文件 需要拷贝到 ——>E:/bak2 文件夹下

package com.heima.jvm;import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;public class DirectMemoryDemo {static final String FROM = "E:\\bak1\\01-java成神之路.mp4";static final String TO = "E:\\bak2\\abc.mp4";static final int _1Mb = 1024 * 1024;public static void main(String[] args) {io(); // 256.8563directBuffer(); // 63.2449}private static void directBuffer() {long start = System.nanoTime();try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel();FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel()) {ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(_1Mb);while (true) {int len = from.read(bb);if (len == -1) break;bb.flip();to.write(bb);bb.clear();}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}long end = System.nanoTime();System.out.println("NIO Time: " + (end - start) / 1e6 + " ms");}private static void io() {long start = System.nanoTime();try (FileInputStream fis = new FileInputStream(FROM);FileOutputStream fos = new FileOutputStream(TO)) {byte[] buffer = new byte[_1Mb];int len;while ((len = fis.read(buffer)) != -1) {fos.write(buffer, 0, len);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}long end = System.nanoTime();System.out.println("IO Time: " + (end - start) / 1e6 + " ms");}
}

• 结果分析：NIO 比 BIO 效率更高

常规 IO 的操作流程

• Java本身不具备磁盘读写的能力，如果 Java 需要对磁盘进行读写，必须调用操作系统提供的函数（Native 修饰的本地方法）

①内存操作 ——> CPU状态切换

• Java程序运行在用户态（User Space），当需要进行磁盘读写操作时，必须切换到内核态（Kernel Space）。这种切换会消耗CPU资源。

②内存操作 ——> 数据读取和缓冲区使用:

• 通过调用操作系统的函数，将磁盘文件读取到系统缓存区中。
• 为了避免内存占用过大，操作系统利用缓冲区分批次读取数据。

③系统缓冲区与Java缓冲区的交互：

• 系统的缓冲区中 Java 代码无法直接运行，因此 Java 程序需要在堆内存中分配一块缓冲区（Java缓冲区）来存储数据，通常通过new byte[]的方式分配。

⑤数据复制:

• 数据从系统缓冲区复制到Java缓冲区。
• Java代码通过读取Java缓冲区中的数据进行操作。
• 由于存在两块缓冲区，数据需要在两块内存中存储两次，这会导致不必要的复制操作，从而降低效率。

问题所在：多次数据复制

• 因为数据需要从系统缓冲区复制到Java缓冲区，导致了数据的重复存储。
• 这种多次数据复制不仅消耗内存资源，还会影响整体性能。

NIO 的操作流程

• 在 NIO 的过程中，操作系统直接在内存中划分出了一个 直接内存 缓冲区， Java 代码也可以直接在直接访问直接内存。
• 直接内存对于操作系统和 Java 来说都是可以共享的区域，这就是直接内存。这就是直接内存带来的好处，直接提高了文件的 IO 操作。

3- 小结：

3-1 什么是直接内存？