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JVM说--直接内存的使用

2023-02-10 15:00 https://my.oschina.net/u/4090830/blog/7634283 京东云开发者次阅读条评论

作者：京东物流刘作龙

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，可以多一条解决问题的方式

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

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

package com.lzl.netty.study.jvm;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.util.StopWatch;

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

/**
 * java对于直接内存使用的测试类
 *
 * @author liuzuolong
 * @date 2022/6/29
 **/
@Slf4j
public class DirectBufferTest {


    private static final int SIZE_10MB = 10 * 1024 * 1024;


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //读取和写入不同的文件,保证互不影响
        String filePath1 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/ioInputFile.zip";
        String filePath2 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioDirectInputFile.zip";
        String filePath3 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioHeapInputFile.zip";
        String toPath1 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/ioOutputFile.zip";
        String toPath2 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioDirectOutputFile.zip";
        String toPath3 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioHeapOutputFile.zip";
        Integer fileByteLength = SIZE_10MB;
        //新建io读取文件的线程
        Thread commonIo = new Thread(() -> {
            commonIo(filePath1, fileByteLength, toPath1);
        });
        //新建nio使用直接内存读取文件的线程
        Thread nioWithDirectBuffer = new Thread(() -> {
            nioWithDirectBuffer(filePath2, fileByteLength, toPath2);
        });
        //新建nio使用堆内存读取文件的线程
        Thread nioWithHeapBuffer = new Thread(() -> {
            nioWithHeapBuffer(filePath3, fileByteLength, toPath3);
        });
        nioWithDirectBuffer.start();
        commonIo.start();
        nioWithHeapBuffer.start();
    }

    public static void commonIo(String filePath, Integer byteLength, String toPath) {
        //进行时间监控
        StopWatch ioTimeWatch = new StopWatch();
        ioTimeWatch.start("ioTimeWatch");
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(filePath);
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream(toPath);
        ) {
            byte[] readByte = new byte[byteLength];
            int readCount = 0;
            while ((readCount = fis.read(readByte)) != -1) {
                // 读取了多少个字节，转换多少个。
                fos.write(readByte, 0, readCount);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        ioTimeWatch.stop();
        log.info(ioTimeWatch.prettyPrint());
    }





    public static void nioWithDirectBuffer(String filePath, Integer byteLength, String toPath) {
        StopWatch nioTimeWatch = new StopWatch();
        nioTimeWatch.start("nioDirectTimeWatch");
        try (FileChannel fci = new RandomAccessFile(filePath, "rw").getChannel();
             FileChannel fco = new RandomAccessFile(toPath, "rw").getChannel();
        ) {
            // 读写的缓冲区（分配一块儿直接内存）
            //要与allocate进行区分
            //进入到函数中
            ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(byteLength);
            while (true) {
                int len = fci.read(bb);
                if (len == -1) {
                    break;
                }
                bb.flip();
                fco.write(bb);
                bb.clear();
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        nioTimeWatch.stop();
        log.info(nioTimeWatch.prettyPrint());
    }




    public static void nioWithHeapBuffer(String filePath, Integer byteLength, String toPath) {
        StopWatch nioTimeWatch = new StopWatch();
        nioTimeWatch.start("nioHeapTimeWatch");
        try (FileChannel fci = new RandomAccessFile(filePath, "rw").getChannel();
             FileChannel fco = new RandomAccessFile(toPath, "rw").getChannel();
        ) {
            // 读写的缓冲区（分配一块儿直接内存）
            //要与allocate进行区分
            ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(byteLength);
            while (true) {
                int len = fci.read(bb);
                if (len == -1) {
                    break;
                }
                bb.flip();
                fco.write(bb);
                bb.clear();
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        nioTimeWatch.stop();
        log.info(nioTimeWatch.prettyPrint());
    }

}

1.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

2.分别进行IO调用和NIO调用
通过nio和io的读取写入文件方式进行操作

3.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-----------------------------------------ms     %     Task name-----------------------------------------01157  100%  nioDirectTimeWatch11:12:27.146 [Thread-0] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 1704-----------------------------------------ms     %     Task name-----------------------------------------01704  100%  ioTimeWatch

4 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：
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？

5.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-----------------------------------------ms     %     Task name-----------------------------------------02653  100%  nioDirectTimeWatch11:30:35.399 [Thread-2] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 3038-----------------------------------------ms     %     Task name-----------------------------------------03038  100%  nioHeapTimeWatch11:30:35.457 [Thread-0] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 3096-----------------------------------------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
1.堆内存读写文件

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

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
JVM与系统内存缓冲区进行数据拷贝
应用程序再到JVM的堆内存空间中进行数据的获取

2.直接内存读写文件

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

会直接调用native方法allocateMemory进行直接内存的分配
操作系统将文件读取到这部分的直接内存中
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

1.虚引用Cleaner sun.misc.Cleaner

什么是虚引用
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

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

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

2.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。

3.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
- 直接调用ByteBuffer.allocateDirect方法
- 声明一个一个DirectByteBuffer对象
- 在DirectByteBuffer的构造方法中主要进行三个步骤
  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
  步骤2：设置内存空间需要和步骤1联合进行使用
  步骤3：使用虚引用Cleaner类型，创建一个缓存的释放的虚引用
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？

3.1 新建虚引用

java.nio.DirectByteBuffer

步骤如下
- 调用Cleaner.create()方法
- 将当前新建的Cleaner加入到链表中
3.2 声明清理缓存任务

查看java.nio.DirectByteBuffer.Deallocator的方法
- 实现了Runnable接口
- run方法中调用了unsafe的native方法freeMemory()进行内存的释放
3.3 ReferenceHandler进行调用

首先进入：java.lang.ref.Reference.ReferenceHandler

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
- nio中比较经常使用，用于数据缓冲区ByteBuffer
- 因为其不受JVM的垃圾回收管理，故分配和回收的成本较高
- 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
- 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