JVM说---直接内存的使用
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· 2023-05-07
前言：学习底层原理有的时候不一定你是要用到他，而是学习他们的设计思想和思路。再或者，当你在日常工作中遇到棘手的问题时候，可以拓展解决问题的思路
分享大纲：本次分享主要由io与nio读取文件速度差异的情况，去了解nio为什么读取大文件的时候效率较高，查看nio是如何使用直接内存的,再深入到如何使用直接内存
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JVM说---直接内存的使用
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1.新建虚引用
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2.声明清理缓存任务
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3.ReferenceHandler进行调用
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1.nio与io读写文件的效率比对
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2.直接内存的读写性能强的原理
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3.nio使用直接内存的源码解读
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4.直接内存的使用方式
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5.总结
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1.nio与io读写文件的效率比对
首先上代码，有兴趣的同学可以将代码拿下来进行调试查看
主函数调用
为排除当前环境不同导致的文件读写效率不同问题，使用多线程分别调用io方法和nio方法
分别进行IO调用和NIO调用
通nio和io的读取写入文件方式进行操作
结果
经过多次测试后，发现nio读取文件的效率是高于io的，尤其是读取大文件的时候
11:12:26.606 [Thread-1] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 1157
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ms % Task name
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01157 100% nioDirectTimeWatch
11:12:27.146 [Thread-0] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 1704
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ms % Task name
-----------------------------------------
01704 100% ioTimeWatch
提出疑问
那到底为什么nio的速度要快于普通的io呢，结合源码查看以及网上的资料，核心原因是：
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nio读取文件的时候，使用直接内存进行读取
那么，如果在nio中也不使用直接内存的话，会是什么情况呢？
再次验证
新增使用堆内存读取文件
执行时间验证如下：
11:30:35.050 [Thread-1] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 2653
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ms % Task name
-----------------------------------------
02653 100% nioDirectTimeWatch
11:30:35.399 [Thread-2] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 3038
-----------------------------------------
ms % Task name
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03038 100% nioHeapTimeWatch
11:30:35.457 [Thread-0] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 3096
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ms % Task name
-----------------------------------------
03096 100% ioTimeWatch
根据上述的实际验证，nio读写文件比较快的主要原因还是在于使用了直接内存，那么为什么会出现这种情况呢？
2.直接内存的读写性能强的原理
直接上图说明
堆内存读写文件的步骤：
当JVM想要去和磁盘进行交互的时候，因为JVM和操作系统之间存在读写屏障，所以在进行数据交互的时候需要进行频繁的复制
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先由操作系统进行磁盘的读取，将读取数据放入系统内存缓冲区中
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JVM与系统内存缓冲区进行数据拷贝
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应用程序再到JVM的堆内存空间中进行数据的获取
直接内存读写文件的步骤
如果使用直接内存进行文件读取的时候，步骤如下
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会直接调用native方法allocateMemory进行直接内存的分配
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操作系统将文件读取到这部分的直接内存中
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应用程序可以通过JVM堆空间的DirectByteBuffer进行读取
与使用对堆内存读写文件的步骤相比减少了数据拷贝的过程，避免了不必要的性能开销，因此NIO中使用了直接内存，对于性能提升很多
那么，直接内存的使用方式是什么样的呢？
3.nio使用直接内存的源码解读
在阅读源码之前呢，我们首先对于两个知识进行补充，
虚引用Cleanersun.misc.Cleaner
什么是虚引用
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虚引用所引用的对象，永远不会被回收，除非指向这个对象的所有虚引用都调用了clean函数，或者所有这些虚引用都不可达
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必须关联一个引用队列
Cleaner继承自虚引用PhantomReference，关联引用队列ReferenceQueue<Object>
概述的说一下，他的作用就是，JVM会将其对应的Cleaner加入到pending-Reference链表中，同时通知ReferenceHandler线程处理，ReferenceHandler收到通知后，会调用Cleaner#clean方法
Unsafesun.misc.Unsafe
位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。
直接内存是如何进行申请的
java.nio.DirectByteBuffer
进入到DirectBuffer中进行查看
源码解读
PS:只需要读核心的划红框的位置的源码，其他内容按个人兴趣阅读
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直接调用ByteBuffer.allocateDirect方法
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声明一个一个DirectByteBuffer对象
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在DirectByteBuffer的构造方法中主要进行三个步骤
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步骤1：调用Unsafe的native方法allocateMemory进行缓存空间的申请,获取到的base为内存的地址
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步骤2：设置内存空间需要和步骤1联合进行使用
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步骤3：使用虚引用Cleaner类型，创建一个缓存的释放的虚引用
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直接缓存是如何释放的
我们前面说的了Cleaner的使用方式，那么cleaner在直接内存的释放中的流程是什么样的呢？
1.新建虚引用
java.nio.DirectByteBuffer
步骤如下
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调用Cleaner.create()方法
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将当前新建的Cleaner加入到链表中
2.声明清理缓存任务
查看java.nio.DirectByteBuffer.Deallocator的方法
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实现了Runnable接口
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run方法中调用了unsafe的native方法freeMemory()进行内存的释放
当前线程优先级最高，调用方法
tryHandlePending
进入方法中，会调用c.clean c-->(Cleaner)
clean方法为Cleaner中声明的Runnable，调用其run()方法
Cleaner中的声明：
private final Runnable thunk;
回到《声明清理缓存任务》这一节，查看Deallocator，使用unsafe的native方法
freeMemory
进行缓存的释放
4.直接内存的使用方式
直接内存特性
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nio中比较经常使用，用于数据缓冲区ByteBuffer
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因为其不受JVM的垃圾回收管理，故分配和回收的成本较高
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使用直接内存的读写性能非常高
直接内存是否会内存溢出
直接内存是跟系统内存相关的，如果不做控制的话，走的是当前系统的内存，当然JVM中也可以对其使用的大小进行控制，设置JVM参数-XX:MaxDirectMemorySize=5M，再执行的时候就会出现内存溢出
直接内存是否会被JVM的GC影响
如果在直接内存声明的下面调用System.gc();，因为会触发一次FullGC，则对象会被回收，则ReferenceHandler中的会被调用，直接内存会被释放
我想使用直接内存，怎么办
如果你很想使用直接内存，又想让直接内存尽快的释放，是不是我直接调用System.gc();就行？
答案是不行的
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首先调用
System.gc();会触发FullGC，造成stop the world，影响系统性能 -
系统怕有初级研发显式调用
System.gc();会配置JVM参数：-XX:+DisableExplicitGC，禁止显式调用
如果还想调用的话，自己使用Unsafe进行操作，以下为示例代码
PS:仅为建议，如果没有对于Unsafe有很高的理解，请勿尝试
package com.lzl.netty.study.jvm;
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
/**
* 使用Unsafe对象操作直接内存
*
* @author liuzuolong
* @date 2022/7/1
**/
public class UnsafeOperateDirectMemory {
private static final int SIZE_100MB = 100 * 1024 * 1024;
public static void main(String[] args) {
Unsafe unsafe = getUnsafePersonal();
long base = unsafe.allocateMemory(SIZE_100MB);
unsafe.setMemory(base, SIZE_100MB, (byte) 0);
unsafe.freeMemory(base);
}
/**
* 因为Unsafe为底层对象,所以正式是无法获取的,但是反射是万能的,可以通过反射进行获取
* Unsafe自带的方法getUnsafe 是不能使用的,会抛异常SecurityException
* 获取 Unsafe对象
*
* @return unsafe对象
* @see sun.misc.Unsafe#getUnsafe()
*/
public static Unsafe getUnsafePersonal() {
Field f;
Unsafe unsafe;
try {
f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) f.get(null);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException("initial the unsafe failure...");
}
return unsafe;
}
}
5.总结
JVM相关知识是中高级研发人员必备的知识，学习他的一些运行原理，对我们的日常工作会有很大的帮助