Java直接（堆外）内存使用详解

本篇主要讲解如何使用直接内存（堆外内存），并按照下面的步骤进行说明：

相关背景-->读写操作-->关键属性-->读写实践-->扩展-->参考说明

希望对想使用直接内存的朋友，提供点快捷的参考。

数据类型

下面这些，都是在使用 DirectBuffer中必备的一些常识，暂作了解吧！如果想要深入理解，可以看看下面参考的那些博客。

基本类型长度

在Java中有很多的基本类型，比如：

• byte，一个字节是8位bit，也就是1B
• short，16位bit，也就是2B
• int，32位bit，也就是4B
• long, 64位bit，也就是8B
• char，16位bit，也就是2B
• float，32位bit，也就是4B
• double，64位bit，也就是8B

不同的类型都会按照自己的位数来存储，并且可以自动进行转换提升。
byte、 char、 short都可以自动提升为 int，如果操作数有 long，就会自动提升为 long， float和 double也是如此。

大端小端

由于一个数据类型可能有很多个字节组成的，那么它们是如何摆放的。这个是有讲究的：

• 大端：低地址位 存放 高有效字节
• 小端：低地址位 存放 低有效字节

举个例子，一个 char是有两个字节组成的，这两个字节存储可能会显示成如下的模样，比如字符 a:

              低地址位    高地址位
大端；        00              96
小端：        96              00

String与new String的区别

再说说 "hello"和 new String("hello")的区别：

如果是 "hello"，JVM会先去共享的字符串池中查找，有没有 "hello"这个词，如果有直接返回它的引用；如果没有，就会创建这个对象，再返回。因此， "a"+"b"相当于存在3个对象，分别是 "a"、 "b"、 "ab"。

而 new String("hello")，则省去了查找的过程，直接就创建一个 hello的对象，并且返回引用。

读写数据

在直接内存中，通过 allocateDirect(int byte_length)申请直接内存。这段内存可以理解为一段普通的基于 Byte的数组，因此插入和读取都跟普通的数组差不多。

只不过提供了基于不同数据类型的插入方法，比如：

• put(byte) 插入一个byte
• put(byte[]) 插入一个byte数组
• putChar(char) 插入字符
• putInt(int) 插入Int
• putLong(long) 插入long

等等….详细的使用方法，也可以参考下面的图片：

对应读取数据，跟写入差不多：

注意所有没有index参数的方法，都是按照当前position的位置进行操作的。

下面看看什么是position，还有什么其他的属性吧！

基本的属性值

它有几个关键的指标：

mark-->position-->limit-->capacity

另外,还有 remaining=limit-position。

先说说他们的意思吧！

当前位置——position

position是当前数组的指针，指示当前数据位置。举个例子：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
buffer.putChar('a');
System.out.println(buffer);
buffer.putChar('c');
System.out.println(buffer);
buffer.putInt(10);
System.out.println(buffer);

由于一个char是2个字节，一个Int是4个字节，因此position的位置分别是:

2,4,8

注意，Position的位置是插入数据的当前位置，如果插入数据，就会自动后移。
也就是说，如果存储的是两个字节的数据，position的位置是在第三个字节上，下标就是2。

java.nio.DirectByteBuffer[pos=2 lim=1024 cap=1024]
java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=1024 cap=1024]
java.nio.DirectByteBuffer[pos=8 lim=1024 cap=1024]

• position可以通过position()获得，也可以通过position(int)设置。

//position(int)方法的源码
public final Buffer position(int newPosition) {
        if ((newPosition > limit) || (newPosition < 0))
            throw new IllegalArgumentException();
        position = newPosition;
        if (mark > position) mark = -1;
        return this;
    }

注意：position的位置要比limit小，比mark大

空间容量——capacity

capacity是当前申请的直接内存的容量，它是申请后就不会改变的。

• capacity则可以通过capacity()方法获得。

限制大小——limit

我们可能想要改变这段直接内存的大小，因此可以通过一个叫做Limit的属性设置。

• limit则可以通过limit()获得，通过limit(int)进行设置。

注意limit要比mark和position大，比capacity小。

//limit(int)方法的源码
public final Buffer limit(int newLimit) {
        if ((newLimit > capacity) || (newLimit < 0))
            throw new IllegalArgumentException();
        limit = newLimit;
        if (position > limit) position = limit;
        if (mark > limit) mark = -1;
        return this;
    }

标记位置——mark

mark，就是一个标记为而已，记录当前的position的值。常用的场景，就是记录某一次插入数据的位置，方便下一次进行回溯。

• 可以使用 mark()方法进行标记，
• 使用 reset()方法进行清除，
• 使用 rewind()方法进行初始化

  //mark方法标记当前的position,默认为-1
  public final Buffer mark() {
  mark = position;
  return this;
  }
  //reset方法重置mark的位置，position的位置，不能小于mark的位置，否则会出错
  public final Buffer reset() {
  int m = mark;
  if (m < 0)
      throw new InvalidMarkException();
  position = m;
  return this;
  }
  //重置mark为-1.position为0
  public final Buffer rewind() {
  position = 0;
  mark = -1;
  return this;
  }

  使用案例

  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
  buffer.putChar('a');
  buffer.putChar('c');
  System.out.println("插入完数据 " + buffer);
  buffer.mark();// 记录mark的位置
  buffer.position(30);// 设置的position一定要比mark大，否则mark无法重置
  System.out.println("reset前 " + buffer);
  buffer.reset();// 重置reset ，reset后的position=mark
  System.out.println("reset后 " + buffer);
  buffer.rewind();//清除标记，position变成0，mark变成-1
  System.out.println("清除标记后 " + buffer);

  可以看到如下的运行结果：

  插入完数据 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=1024 cap=1024]
  reset前 java.nio.DirectByteBuffer[pos=30 lim=1024 cap=1024]
  reset后 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=1024 cap=1024]
  清除标记后 java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=1024 cap=1024]

剩余空间——remaing

remaing则表示当前的剩余空间：

  public final int remaining() {
        return limit - position;
    }

读写实践

写操作主要就是按照自己的数据类型，写入到直接内存中，注意每次写入数据的时候，position都会自动加上写入数据的长度，指向下一个该写入的起始位置：

下面看看如何写入一段byte[]或者字符串：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(10);
byte[] data = {1,2};
buffer.put(data);
System.out.println("写byte[]后 " + buffer);
buffer.clear();
buffer.put("hello".getBytes());
System.out.println("写string后 " + buffer);

输出的内容为:

写byte[]后 java.nio.DirectByteBuffer[pos=2 lim=10 cap=10]
写string后 java.nio.DirectByteBuffer[pos=5 lim=10 cap=10]

读的时候，可以通过一个外部的 byte[]数组进行读取。由于没有找到直接操作直接内存的方法: 因此如果想在JVM应用中使用直接内存，需要申请一段堆中的空间，存放数据。

如果有更好的方法，还请留言。

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(10);
buffer.put(new byte[]{1,2,3,4});
System.out.println("刚写完数据 " +buffer);
buffer.flip();
System.out.println("flip之后 " +buffer);
byte[] target = new byte[buffer.limit()];
buffer.get(target);//自动读取target.length个数据
for(byte b : target){
    System.out.println(b);
}
System.out.println("读取完数组 " +buffer);

输出为

刚写完数据 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=10 cap=10]
flip之后 java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=4 cap=10]
1
2
3
4
读取完数组 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=4 cap=10]

常用方法

上面的读写例子中，有几个常用的方法：

clear()

这个方法用于清除mark和position，还有limit的位置：

public final Buffer clear() {
        position = 0;
        limit = capacity;
        mark = -1;
        return this;
    }

flip()

这个方法主要用于改变当前的Position为limit，主要是用于读取操作。

   public final Buffer flip() {
        limit = position;
        position = 0;
        mark = -1;
        return this;
    }

compact()

这个方法在读取一部分数据的时候比较常用。
它会把当前的Position移到0，然后position+1移到1。

    public ByteBuffer compact() {
        int pos = position();
        int lim = limit();
        assert (pos <= lim);
        int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);

        unsafe.copyMemory(ix(pos), ix(0), rem << 0);
        position(rem);
        limit(capacity());
        discardMark();
        return this;
    }

比如一段空间内容为:

123456789

当position的位置在2时，调用compact方法，会变成：

345678989

isDirect()

这个方法用于判断是否是直接内存。如果是返回true，如果不是返回false。

rewind()

这个方法用于重置mark标记：

 public final Buffer rewind() {
        position = 0;
        mark = -1;
        return this;
    }

参考

1  Java基本数据类型
2  Java中大端与小端

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