Java直接（堆外）內存使用詳解

本篇主要講解如何使用直接內存（堆外內存），並按照下面的步驟進行說明：

相關背景-->讀寫操作-->關鍵屬性-->讀寫實踐-->擴展-->參考說明

希望對想使用直接內存的朋友，提供點快捷的參考。

數據類型

下面這些，都是在使用DirectBuffer中必備的一些常識，暫作了解吧。

基本類型長度

在Java中有很多的基本類型，比如：

• byte，一個字節是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

不同的類型都會按照自己的位數來存儲，並且可以自動進行轉換提升。
byte、char、short都可以自動提升為int，如果操作數有long，就會自動提升為long，float和double也是如此。

大端小端

由於一個數據類型可能有很多個字節組成的，那麼它們是如何擺放的。這個是有講究的：

• 大端：低地址位 存放 高有效字節
• 小端：低地址位 存放 低有效字節

舉個例子，一個char是有兩個字節組成的，這兩個字節存儲可能會顯示成如下的模樣，比如字符a:

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

String與new String的區別

再說說"hello"和new String("hello")的區別：

如果是"hello"，JVM會先去共享的字符串池中查找，有沒有"hello"這個詞，如果有直接返回它的引用；如果沒有，就會創建這個對象，再返回。因此，"a"+"b"相當於存在3個對象，分別是"a"、"b"、"ab"。

而new String("hello")，則省去了查找的過程，直接就創建一個hello的對象，並且返回引用。

讀寫數據

在直接內存中，通過allocateDirect(int byte_length)申請直接內存。這段內存可以理解為一段普通的基於Byte的數組，因此插入和讀取都跟普通的數組差不多。

只不過提供了基於不同數據類型的插入方法，比如：

• put(byte) 插入一個byte
• put(byte[]) 插入一個byte數組
• putChar(char) 插入字符
• putInt(int) 插入Int
• putLong(long) 插入long

等等....詳細的使用方法，也可以參考下面的圖片：

對應讀取數據，跟寫入差不多：

注意所有沒有index參數的方法，都是按照當前position的位置進行操作的。

下面看看什麼是position，還有什麼其他的屬性吧！

基本的屬性值

它有幾個關鍵的指標：

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

另外,還有remaining=limit-position。

先說說他們的意思吧！

當前位置——position

position是當前數組的指針，指示當前數據位置。舉個例子：

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);

由於一個char是2個字節，一個Int是4個字節，因此position的位置分別是:

2,4,8

注意，Position的位置是插入數據的當前位置，如果插入數據，就會自動後移。
也就是說，如果存儲的是兩個字節的數據，position的位置是在第三個字節上，下標就是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可以通過position()獲得，也可以通過position(int)設置。

//position(int)方法的源碼
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

空間容量——capacity

capacity是當前申請的直接內存的容量，它是申請後就不會改變的。

• capacity則可以通過capacity()方法獲得。

限制大小——limit

我們可能想要改變這段直接內存的大小，因此可以通過一個叫做Limit的屬性設置。

• limit則可以通過limit()獲得，通過limit(int)進行設置。

注意limit要比mark和position大，比capacity小。

//limit(int)方法的源碼
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;
    }

標記位置——mark

mark，就是一個標記為而已，記錄當前的position的值。常用的場景，就是記錄某一次插入數據的位置，方便下一次進行回溯。

• 可以使用mark()方法進行標記，
• 使用reset()方法進行清除，

• 使用rewind()方法進行初始化

  //mark方法標記當前的position,默認為-1
  public final Buffer mark() {
  mark = position;
  return this;
  }
  //reset方法重置mark的位置，position的位置，不能小於mark的位置，否則會出錯
  public final Buffer reset() {
  int m = mark;
  if (m < 0)
      throw new InvalidMarkException();
  position = m;
  return this;
  }
  //重置mark為-1.position為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("插入完數據 " + buffer);
  buffer.mark();// 記錄mark的位置
  buffer.position(30);// 設置的position一定要比mark大，否則mark無法重置
  System.out.println("reset前 " + buffer);
  buffer.reset();// 重置reset ，reset後的position=mark
  System.out.println("reset後 " + buffer);
  buffer.rewind();//清除標記，position變成0，mark變成-1
  System.out.println("清除標記後 " + buffer);

  可以看到如下的運行結果：

  插入完數據 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=1024 cap=1024]
  reset前 java.nio.DirectByteBuffer[pos=30 lim=1024 cap=1024]
  reset後 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=1024 cap=1024]
  清除標記後 java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=1024 cap=1024]

剩余空間——remaing

remaing則表示當前的剩余空間：

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

讀寫實踐

寫操作主要就是按照自己的數據類型，寫入到直接內存中，注意每次寫入數據的時候，position都會自動加上寫入數據的長度，指向下一個該寫入的起始位置：

下面看看如何寫入一段byte[]或者字符串：

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

輸出的內容為:

寫byte[]後 java.nio.DirectByteBuffer[pos=2 lim=10 cap=10]
寫string後 java.nio.DirectByteBuffer[pos=5 lim=10 cap=10]

讀的時候，可以通過一個外部的byte[]數組進行讀取。由於沒有找到直接操作直接內存的方法: 因此如果想在JVM應用中使用直接內存，需要申請一段堆中的空間，存放數據。

如果有更好的方法，還請留言。

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(10);
buffer.put(new byte[]{1,2,3,4});
System.out.println("剛寫完數據 " +buffer);
buffer.flip();
System.out.println("flip之後 " +buffer);
byte[] target = new byte[buffer.limit()];
buffer.get(target);//自動讀取target.length個數據
for(byte b : target){
    System.out.println(b);
}
System.out.println("讀取完數組 " +buffer);

輸出為

剛寫完數據 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=10 cap=10]
flip之後 java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=4 cap=10]
1
2
3
4
讀取完數組 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=4 cap=10]

常用方法

上面的讀寫例子中，有幾個常用的方法：

clear()

這個方法用於清除mark和position，還有limit的位置：

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

flip()

這個方法主要用於改變當前的Position為limit，主要是用於讀取操作。

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

compact()

這個方法在讀取一部分數據的時候比較常用。
它會把當前的Position移到0，然後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;
    }

比如一段空間內容為:

123456789

當position的位置在2時，調用compact方法，會變成：

345678989

isDirect()

這個方法用於判斷是否是直接內存。如果是返回true，如果不是返回false。

rewind()

這個方法用於重置mark標記：

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