Buffer源码深入分析

本机环境：
Linux 4.4.0-21-generic #37-Ubuntu SMP Mon Apr 18 18:33:37 UTC 2016 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/LinuxBuffer的类图如下：除了Boolean，其他基本数据类型都有对应的Buffer，但是只有ByteBuffer才能和Channel交互。只有ByteBuffer才能产生Direct的buffer，其他数据类型的Buffer只能产生Heap类型的Buffer。ByteBuffer可以产生其他数据类型的视图Buffer，如果ByteBuffer本身是Direct的，则产生的各视图Buffer也是Direct的。首选说说JVM是怎么进行IO操作的。JVM在需要通过操作系统调用完成IO操作，比如可以通过read系统调用完成文件的读取。read的原型是：ssize_t read(int fd,void *buf,size_t nbytes)，和其他的IO系统调用类似，一般需要缓冲区作为其中一个参数，该缓冲区要求是连续的。Buffer分为Direct和Heap两类，下面分别说明这两类buffer。Heap类型的Buffer存在于JVM的堆上，这部分内存的回收与整理和普通的对象一样。Heap类型的Buffer对象都包含一个对应基本数据类型的数组属性（比如：final **[] hb），数组才是Heap类型Buffer的底层缓冲区。
但是Heap类型的Buffer不能作为缓冲区参数直接进行系统调用，主要因为下面两个原因。JVM在GC时可能会移动缓冲区（复制-整理），缓冲区的地址不固定。系统调用时，缓冲区需要是连续的，但是数组可能不是连续的（JVM的实现没要求连续）。所以使用Heap类型的Buffer进行IO时，JVM需要产生一个临时Direct类型的Buffer，然后进行数据复制，再使用临时Direct的Buffer作为参数进行操作系统调用。这造成很低的效率，主要是因为两个原因：需要把数据从Heap类型的Buffer里面复制到临时创建的Direct的Buffer里面。可能产生大量的Buffer对象，从而提高GC的频率。所以在IO操作时，可以通过重复利用Buffer进行优化。Direct类型的buffer，不存在于堆上，而是JVM通过malloc直接分配的一段连续的内存，这部分内存成为直接内存，JVM进行IO系统调用时使用的是直接内存作为缓冲区。
-XX:MaxDirectMemorySize，通过这个配置可以设置允许分配的最大直接内存的大小（MappedByteBuffer分配的内存不受此配置影响）。
直接内存的回收和堆内存的回收不同，如果直接内存使用不当，很容易造成OutOfMemoryError。JAVA没有提供显示的方法去主动释放直接内存，sun.misc.Unsafe类可以进行直接的底层内存操作，通过该类可以主动释放和管理直接内存。同理，也应该重复利用直接内存以提高效率。This is a little bit backwards: By rights MappedByteBuffer should be a subclass of DirectByteBuffer, but to keep the spec clear and simple, and for optimization purposes, it’s easier to do it the other way around.This works because DirectByteBuffer is a package-private class.（本段话摘自MappedByteBuffer的源码）实际上，MappedByteBuffer属于映射buffer（自己看看虚拟内存），但是DirectByteBuffer只是说明该部分内存是JVＭ在直接内存区分配的连续缓冲区，并不一是映射的。也就是说MappedByteBuffer应该是DirectByteBuffer的子类，但是为了方便和优化，把MappedByteBuffer作为了DirectByteBuffer的父类。另外，虽然MappedByteBuffer在逻辑上应该是DirectByteBuffer的子类，而且MappedByteBuffer的内存的GC和直接内存的GC类似（和堆GC不同），但是分配的MappedByteBuffer的大小不受-XX:MaxDirectMemorySize参数影响。
MappedByteBuffer封装的是内存映射文件操作，也就是只能进行文件IO操作。MappedByteBuffer是根据mmap产生的映射缓冲区，这部分缓冲区被映射到对应的文件页上，属于直接内存在用户态，通过MappedByteBuffer可以直接操作映射缓冲区，而这部分缓冲区又被映射到文件页上，操作系统通过对应内存页的调入和调出完成文件的写入和写出。通过FileChannel.map(MapMode mode,long position, long size)得到MappedByteBuffer，下面结合源码说明MappedByteBuffer的产生过程。FileChannel.map的源码：map0的源码实现：虽然FileChannel.map()的zise参数是long，但是size的大小最大为Integer.MAX_VALUE,也就是最大只能映射最大2G大小的空间。实际上操作系统提供的MMAP可以分配更大的空间，但是JAVA限制在2G，ByteBuffer等Buffer也最大只能分配2G大小的缓冲区。
MappedByteBuffer是通过mmap产生得到的缓冲区，这部分缓冲区是由操作系统直接创建和管理的，最后JVM通过unmmap让操作系统直接释放这部分内存。下面以ByteBuffer为例，说明Heap类型Buffer免费云主机域名的细节。
该类型的Buffer可以通过下面方式产生：ByteBuffer.allocate(int capacity)ByteBuffer.wrap(byte[] array)
使用传入的数组作为底层缓冲区，变更数组会影响缓冲区，变更缓冲区也会影响数组。ByteBuffer.wrap(byte[] array,int offset, int length)
使用传入的数组的一部分作为底层缓冲区，变更数组的对应部分会影响缓冲区，变更缓冲区也会影响数组。DirectByteBuffer只能通过ByteBuffer.allocateDirect(int capacity)产生。
ByteBuffer.allocateDirect()源码如下：DirectByteBuffer()源码如下：unsafe.allocateMemory()的源码在openjdk/src/openjdk/hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp中。具体的源码如下：JVM通过malloc分配得到连续的缓冲区，这部分缓冲区可以直接作为缓冲区参数进行操作系统调用。

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