Netty系列之Direct Buffers

1、什么是堆外内存
堆外内存是相对于堆内内存的一个概念。堆内内存是由JVM所管控的Java进程内存，我们平时在Java中创建的对象都处于堆内内存中，并且它们遵循JVM的内存管理机制，JVM会采用垃圾回收机制统一管理它们的内存。

堆外内存使用Native函数库（通过Unsafe类的allocateMemory()方法申请分配内存，底层会调用操作系统的的malloc函数）直接分配(native堆)，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。

2、堆外内存解决了什么问题
解决HeapByteBuffer存在的问题：
如果os和jvm都是用jvm里边的数据区域， 但是jvm会对这块内存区域进行GC回收，可能会对这块内存的数据进行更改，根据我们的假设，由于这块区域os也在使用，jvm对这块共享数据发生了变更，os那边就会出现数据错乱的情况。那么如果不让jvm对这块共享区域进行GC是不是可以避免这个问题呢？答案是不行的，也会存在问题，如果jvm不对其进行GC回收，jvm这边可能会出现OOM的内存溢出。因此只能拷贝jvm的那一份到os的内存空间，即使jvm那边的数据区域被改变，但是os里边的不会受到影响，等os使用io结束后会对这块区域进行回收，因为这是os的管理范围之内。这样就造成性能降低。
因此，在JDK1.4中新加入了NIO，引入了一种基于通道（Channel）和缓存区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存(native堆)，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

3、堆外内存的实现
DirectByteBuffer 对象引用位于 Java 内存模型的堆里面，JVM 可以对 DirectByteBuffer 的对象进行内存分配和回收管理，一般使用 DirectByteBuffer 的静态方法 allocateDirect() 创建 DirectByteBuffer 实例并分配内存。

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
    return new DirectByteBuffer(capacity);
}

DirectByteBuffer 内部的字节缓冲区位在于堆外的（用户态）直接内存，它是通过 Unsafe 的本地方法 allocateMemory() 进行内存分配，底层调用的是操作系统的 malloc() 函数。

DirectByteBuffer(int cap) {
    super(-1, 0, cap, cap);
    boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
    int ps = Bits.pageSize();
    long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
    Bits.reserveMemory(size, cap);

    long base = 0;
    try {
        base = unsafe.allocateMemory(size);
    } catch (OutOfMemoryError x) {
        Bits.unreserveMemory(size, cap);
        throw x;
    }
    unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
    if (pa && (base % ps != 0)) {
        address = base + ps - (base & (ps - 1));
    } else {
        address = base;
    }
    cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
    att = null;
}

除此之外，初始化 DirectByteBuffer 时还会创建一个 Deallocator 线程，并通过 Cleaner 的 freeMemory() 方法来对直接内存进行回收操作，freeMemory() 底层调用的是操作系统的 free() 函数。

private static class Deallocator implements Runnable {
    private static Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

    private long address;
    private long size;
    private int capacity;

    private Deallocator(long address, long size, int capacity) {
        assert (address != 0);
        this.address = address;
        this.size = size;
        this.capacity = capacity;
    }

    public void run() {
        if (address == 0) {
            return;
        }
        unsafe.freeMemory(address);
        address = 0;
        Bits.unreserveMemory(size, capacity);
    }
}

由于使用 DirectByteBuffer 分配的是系统本地的内存，不在 JVM 的管控范围之内，因此直接内存的回收和堆内存的回收不同，直接内存如果使用不当，很容易造成 OutOfMemoryError。

DirectByteBuffer 和零拷贝有什么关系？

DirectByteBuffer 是 MappedByteBuffer 的具体实现类。实际上，Util.newMappedByteBuffer() 方法通过反射机制获取 DirectByteBuffer 的构造器，然后创建一个 DirectByteBuffer 的实例，对应的是一个单独用于内存映射的构造方法：

protected DirectByteBuffer(int cap, long addr, FileDescriptor fd, Runnable unmapper) {
    super(-1, 0, cap, cap, fd);
    address = addr;
    cleaner = Cleaner.create(this, unmapper);
    att = null;
}

在 MappedByteBuffer 进行内存映射时，它的 map() 方法会通过 Util.newMappedByteBuffer() 来创建一个缓冲区实例，初始化的代码如下：

static MappedByteBuffer newMappedByteBuffer(int size, long addr, FileDescriptor fd,
                                            Runnable unmapper) {
    MappedByteBuffer dbb;
    if (directByteBufferConstructor == null)
        initDBBConstructor();
    try {
        dbb = (MappedByteBuffer)directByteBufferConstructor.newInstance(
            new Object[] { new Integer(size), new Long(addr), fd, unmapper });
    } catch (InstantiationException | IllegalAccessException | InvocationTargetException e) {
        throw new InternalError(e);
    }
    return dbb;
}

private static void initDBBRConstructor() {
    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
        public Void run() {
            try {
                Class<?> cl = Class.forName("java.nio.DirectByteBufferR");
                Constructor<?> ctor = cl.getDeclaredConstructor(
                    new Class<?>[] { int.class, long.class, FileDescriptor.class,
                                    Runnable.class });
                ctor.setAccessible(true);
                directByteBufferRConstructor = ctor;
            } catch (ClassNotFoundException | NoSuchMethodException |
                     IllegalArgumentException | ClassCastException x) {
                throw new InternalError(x);
            }
            return null;
        }});
}

因此，除了允许分配操作系统的直接内存以外，DirectByteBuffer 本身也具有文件内存映射的功能。我们需要关注的是，DirectByteBuffer 在 MappedByteBuffer 的基础上提供了内存映像文件的随机读取 get() 和写入 write() 的操作。

内存映像文件的随机读操作

public byte get() {
    return ((unsafe.getByte(ix(nextGetIndex()))));
}

public byte get(int i) {
    return ((unsafe.getByte(ix(checkIndex(i)))));
}

内存映像文件的随机写操作

public ByteBuffer put(byte x) {
    unsafe.putByte(ix(nextPutIndex()), ((x)));
    return this;
}

public ByteBuffer put(int i, byte x) {
    unsafe.putByte(ix(checkIndex(i)), ((x)));
    return this;
}

内存映像文件的随机读写都是借助 ix() 方法实现定位的， ix() 方法通过内存映射空间的内存首地址（address）和给定偏移量 i 计算出指针地址，然后由 unsafe 类的 get() 和 put() 方法和对指针指向的数据进行读取或写入。

private long ix(int i) {
    return address + ((long)i << 0);
}