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原文：https://cloud.tencent.com/developer/article/2357077

作者：程序員朱永勝

1. 什么是 JVM 直接內存?

JVM 直接內存（Direct Memory）是 JVM 運行時使用的一種特殊內存區域，它是 JVM 堆外的一塊內存空間。在 Java 中，我們使用java.nio 包和java.lang.System類中的arraycopy()方法等來操作直接內存。

與 Java 堆區不同，JVM 直接內存不受 Java 堆大小的限制，而是通過調用本地系統的接口分配內存，這是一種直接與操作系統交互的內存分配方式。JVM 直接內存可以通過 NIO（New Input/Output）庫進行直接的 I/O 操作，從而提高性能。

JVM 直接內存并不受 Java 對象的 GC 控制，因此需要手動管理內存的釋放。

2. 為什么需要 JVM 直接內存?

在某些場景下，使用 JVM 直接內存可以帶來一些優勢：

• 性能提升：JVM 直接內存的分配和釋放效率更高，操作速度比 Java 堆更快。對于需要高性能的應用，使用直接內存能有效減少 GC 的次數，相應地提升了系統的響應速度。
• 避免堆內存限制：Java 堆區的大小是有限制的，當堆內存不足時，會發生 OOM（Out of Memory）錯誤。而 JVM 直接內存并不受 Java 堆大小的限制，可以充分利用系統的物理內存。
• 直接 I/O 操作：使用 JVM 直接內存可以直接進行零拷貝的 I/O 操作，避免了數據在 Java 堆和內核空間之間的復制，提高了數據操作效率。

3. JVM 直接內存的實現原理?

JVM 直接內存的實現原理主要涉及 Java 的 NIO 庫和本地內存管理。

在 Java 中，可以通過ByteBuffer類來操作 JVM 直接內存。ByteBuffer 是一個可以進行高效地讀寫操作的數據緩沖區，它可以分配在 Java 堆上，也可以分配在直接內存上。分配在直接內存上的ByteBuffer 稱為直接緩沖區（Direct Buffer）。

直接緩沖區在分配時會調用本地系統的接口進行內存分配，生成一個本地內存地址。Java 虛擬機會使用這個本地內存地址與本地系統進行交互，實現直接的 I/O 操作。

當不再使用直接緩沖區時，必須手動調用ByteBuffer的clean()方法或顯式地調用System.gc()進行垃圾回收，釋放直接內存。

4. JVM 直接內存的使用示例

以下示例演示了如何利用 JVM 直接內存進行文件拷貝操作：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class DirectMemoryExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        FileInputStream fis = new FileInputStream("source.txt");
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("target.txt");

        FileChannel inChannel = fis.getChannel();
        FileChannel outChannel = fos.getChannel();

        // 分配直接緩沖區
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

        while (inChannel.read(buffer) != -1) {
            buffer.flip();
            outChannel.write(buffer);
            buffer.clear();
        }

        inChannel.close();
        outChannel.close();
        fis.close();
        fos.close();
    }
}

 在這個示例中，我們首先創建了一個ByteBuffer對象，通過調用allocateDirect()方法分配了一個直接緩沖區。然后使用FileChannel 進行文件的讀寫操作。

5. JVM 直接內存的優點

• 零拷貝：直接內存的零拷貝特性，可以直接進行 I/O 操作，提高了數據操作效率。
• 高性能：JVM 直接內存的分配和釋放效率較高，相較于 Java 堆區，可以提升系統的響應速度。
• 避免堆內存限制：JVM 直接內存不受 Java 堆大小的限制，可以充分利用系統的物理內存。

6. JVM 直接內存的缺點

• 手動釋放內存：JVM 直接內存需要手動釋放，如果忘記釋放，會導致內存泄漏。

7. JVM 直接內存的使用注意事項

• 注意內存釋放：使用完 JVM 直接內存后，必須進行釋放，避免內存泄漏。
• 直接內存上限：受-XX:MaxDirectMemorySize的限制，它的默認值是堆的最大值，即-Xms

8. 總結

JVM 直接內存是 JVM 運行時使用的一種特殊內存區域，可以通過 NIO 庫和ByteBuffer 進行操作。它具有零拷貝、高性能、避免堆內存限制的優點，但需要手動管理內存釋放。在使用直接內存時，需要注意內存的釋放，以及直接內存的上限。