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。
bytecharshort都可以自动提升为int,如果操作数有long,就会自动提升为longfloatdouble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"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"

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

Java基本数据类型
Java中大端与小端



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