Java中的内存从广义上可以划分为两个部分，一部分是受JVM管理的堆内存，另一部分则是不受JVM管理的堆外内存，也称为直接内存。直接内存由操作系统来管理，这部分内存的应用可以减少垃圾收集对应用程序的影响。
直接内存概述
直接内存不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。直接内存是在Java堆外的、直接向操作系统申请的内存区间。直接内存来源于NIO(Non-Blocking IO)，可以通过ByteBuffer类操作。ByteBuffer类调用allocateDirect()方法可以申请直接内存，方法内部创建了一个DirectByteBuffer对象，DirectByteBuffer对象存储直接内存的起始地址和大小，据此就可以操作直接内存。直接内存和堆内存之间的关系如图所示。
查看直接内存的占用和释放
import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.Scanner;
public class BufferTest {
private static final int BUFFER = 1024 * 1024 * 1024;//1GB
public static void main(String[] args) {
//直接分配本地内存空间
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
System.out.println("直接内存分配完毕,请求指示!");
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
scanner.next();
System.out.println("直接内存开始释放!");
byteBuffer = null;
System.gc();
scanner.next();
}
}
直接分配后的本地内存空间如图所示:
释放内存后的本地内存空间如图所示:
通常，访问直接内存的速度会优于Java堆，读写性能更高。因此出于性能考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。Java的NIO库允许Java程序使用直接内存，用于数据缓冲区。
通过前面的案例我们可以把Java进程占用的内存理解为两部分，分别是JVM内存和直接内存。前面我们讲解方法区的时候，不同版本JDK中方法区的实现是不一样的，JDK 7使用永久代实现方法区，永久代中的数据还是使用JVM内存存储数据。JDK 8使用元空间实现方法区，元空间中的数据放在了本地内存当中，直接内存和元空间一样都属于堆外内存。
直接内存的优势
文件读写必然涉及磁盘的读写，但是Java本身不具备磁盘读写的能力，因此借助操作系统提供的方法，在Java中表现出来的形式就是Java中的本地方法接口调用本地方法库。普通IO读取一份物理磁盘的文件到内存中，需要下面两步。
(1)把磁盘文件中的数据读取到系统内存中。
(2)把系统内存中的数据读取到JVM堆内存中。
如图所示，为了使得数据可以在系统内存和JVM堆内存之间相互复制，需要在系统内存和JVM堆内存都复制一份磁盘文件。这样做不仅浪费空间，而且传输效率低下。
当使用NIO时，如图所示。操作系统划出一块直接缓冲区可以被Java代码直接访问。这样当读取文件的时候步骤如下。
(1)物理磁盘读取文件到直接内存。
(2)JVM通过NIO库直接访问数据。
以上步骤便省略了系统内存和JVM内存直接互相复制的过程，不仅节省了内存空间，也提高了数据传输效率。可以这样理解：直接内存是在系统内存和Java堆内存之间开辟出的一块共享区域，供操作系统和Java代码访问。
IO和NIO的性能比较
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class BufferTest1 {
private static final int _100Mb = 1024 * 1024 * 100;
public static void main(String[] args) {
String userHome = System.getProperty("user.home");
long sum = 0;
String src = userHome + "/Downloads/JDK/jdk8.tar.gz";
for (int i = 0; i < 3; i++) {
String dest = userHome + "/Downloads/JDK/jdk8.tar.gz" + i;
//sum += io(src,dest);//1515
sum += directBuffer(src, dest);//1022
System.out.println("总花费的时间为:" + sum);
}
}
private static long directBuffer(String src, String dest) {
long start = System.currentTimeMillis();
FileChannel inChannel = null;
FileChannel outChannel = null;
try {
inChannel = new FileInputStream(src).getChannel();
outChannel = new FileOutputStream(dest).getChannel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_100Mb);
while (inChannel.read(byteBuffer) != -1) {
byteBuffer.flip();//修改为读数据模式
outChannel.write(byteBuffer);
byteBuffer.clear();//清空
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (inChannel != null) {
try {
inChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (outChannel != null) {
try {
outChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
long end = System.currentTimeMillis();
return end - start;
}
private static long io(String src, String dest) {
long start = System.currentTimeMillis();
FileInputStream fis = null;
FileOutputStream fos = null;
try {
fis = new FileInputStream(src);
fos = new FileOutputStream(dest);
byte[] buffer = new byte[_100Mb];
while (true) {
int len = fis.read(buffer);
if (len == -1)
break;
fos.write(buffer, 0, len);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (fis != null) {
try {
fis.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (fos != null) {
try {
fos.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
long end = System.currentTimeMillis();
return end - start;
}
}
直接内存异常
直接内存也可能导致OutOfMemoryError异常。由于直接内存在Java堆外，因此它的大小不会直接受限于-Xmx指定的最大堆大小，但是系统内存也是有限的，Java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。接下来通过一个案例演示直接内存的内存溢出现象，如代码清单所示。
import sun.misc.VM;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.ArrayList;
/**
* 直接内存内存的OOM: OutOfMemoryError:Direct buffer memory
*
* -XX:MaxDirectMemorySize 设置最大直接内存
* -Xmx60m 设置最大堆内存
* 默认 MaxDirectMemorySize 等于 Xmx
*/
public class BufferTest2 {
private static final int BUFFER = 1024 * 1024 * 20;//20MB
public static void main(String[] args) {
// 获取Java虚拟机中的Runtime实例
Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
// 获取JVM的最大内存
long maxMemory = runtime.maxMemory();
System.out.println("Max Memory: " + maxMemory + " bytes");
long maxDirectMemory = VM.maxDirectMemory();
System.out.println("Max Direct Memory: " + maxDirectMemory + " bytes");
ArrayList<ByteBuffer> list = new ArrayList<>();
int count = 0;
try {
while (true) {
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
list.add(byteBuffer);
count++;
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
} finally {
System.out.println(count);
}
}
}
直接内存由于不受JVM的内存管理，所以需要开发人员自己来管理，以防内存溢出，通常有两种方式。
(1)当ByteBuffer对象不再使用的时候置为null，调用System.gc()方法告诉JVM可以回收ByteBuffer对象，最终系统调用freemermory()方法释放内存。System.gc()会引起一次Full GC，通常比较耗时，影响程序执行。
(2)调用Unsafe类中的freemermory()方法释放内存。可以通过参数-XX:MaxDirectMemorySize来指定直接内存的最大值。若不设置-XX:MaxDirectMemorySize参数，其默认值与-Xmx参数配置的堆内存的最大值一致。
