JVM内存架构补充——堆外内存

申请堆外内存

除了堆内存可以存放对象数据以外，我们也可以申请堆外内存（直接内存），也就是不受JVM管控的内存区域，这部分区域的内存需要我们自行去申请和释放，实际上本质就是JVM通过C/C++调用malloc函数申请的内存，当然得我们自己去释放了。不过虽然是直接内存，不会受到堆内存容量限制，但是依然会受到本机最大内存的限制，所以还是有可能抛出OutOfMemoryError异常。

这里我们需要提到一个堆外内存操作类：Unsafe，就像它的名字一样，虽然Java提供堆外内存的操作类，但是实际上它是不安全的，只有你完全了解底层原理并且能够合理控制堆外内存，才能安全地使用堆外内存。

注意这个类不让我们new，也没有直接获取方式（压根就没想让我们用）：

public final class Unsafe {

    private static native void registerNatives();
    static {
        registerNatives();
        sun.reflect.Reflection.registerMethodsToFilter(Unsafe.class, "getUnsafe");
    }

    private Unsafe() {}

    private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();
  
    @CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
        if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader()))
            throw new SecurityException("Unsafe");   //不是JDK的类，不让用。
        return theUnsafe;
    }

所以我们这里就通过反射给他giao出来：

public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException {
    Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
    unsafeField.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
    
}

成功拿到Unsafe类之后，我们就可以开始申请堆外内存了，比如我们现在想要申请一个int大小的内存空间，并在此空间中存放一个int类型的数据：

public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException {
    Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
    unsafeField.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);

    //申请4字节大小的内存空间，并得到对应位置的地址
    long address = unsafe.allocateMemory(4);
    //在对应的地址上设定int的值
    unsafe.putInt(address, 6666666);
    //获取对应地址上的Int型数值
    System.out.println(unsafe.getInt(address));
    //释放申请到的内容
    unsafe.freeMemory(address);

    //由于内存已经释放，这时数据就没了
    System.out.println(unsafe.getInt(address));
}

我们可以来看一下allocateMemory底层是如何调用的，这是一个native方法，我们来看C++源码：

UNSAFE_ENTRY(jlong, Unsafe_AllocateMemory0(JNIEnv *env, jobject unsafe, jlong size)) {
  size_t sz = (size_t)size;

  sz = align_up(sz, HeapWordSize);
  void* x = os::malloc(sz, mtOther);   //这里调用了os::malloc方法

  return addr_to_java(x);
} UNSAFE_END

接着来看：

void* os::malloc(size_t size, MEMFLAGS flags) {
  return os::malloc(size, flags, CALLER_PC);
}

void* os::malloc(size_t size, MEMFLAGS memflags, const NativeCallStack& stack) {
	...
  u_char* ptr;
  ptr = (u_char*)::malloc(alloc_size);   //调用C++标准库函数 malloc(size)
	....
  // we do not track guard memory
  return MemTracker::record_malloc((address)ptr, size, memflags, stack, level);
}

所以，我们上面的Java代码转换为C代码，差不多就是这个意思：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main(){
    int * a = malloc(sizeof(int));
    *a = 6666666;
    printf("%d\n", *a);
    free(a);
    printf("%d\n", *a);
}

所以说，直接内存实际上就是JVM申请的一块额外的内存空间，但是它并不在受管控的几种内存空间中，当然这些内存依然属于是JVM的，由于JVM提供的堆内存会进行垃圾回收等工作，效率不如直接申请和操作内存来得快，一些比较追求极致性能的框架会用到堆外内存来提升运行速度，如nio框架。

当然，Unsafe类不仅仅只是这些功能，在其他系列课程中，我们还会讲到它。