1.5 DirectByteBuffer内存释放

我们已经知道，在网络编程中，为了避免频繁的在用户空间与内核空间拷贝数据，通常会直接从内核空间中申请内存，存放数据，在Java中，把内核空间的内存称之为直接内存，nio包中的ByteBuffer的allocateDirect方法，就是帮助我们申请直接内存的，代码如下所示：

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

在上述代码片段中，返回的是一个DirectByteBuffer对象，其是ByteBuffer的子类，对于直接内存的分配，就是在这个类中实现的。

有经验的读者可能知道，在java中，直接内存的申请与释放是通过Unsafe类的allocateMemory方法和freeMemory方法来实现的，且对于直接内存的释放，必须手工调用freeMemory方法，因为JVM只能帮我们管理堆内存，直接内存不在其管理范围之内。

DirectByteBuffer帮我们简化了直接内存的使用，我们不需要直接操作Unsafe类来进行直接内存的申请与释放，那么其是如何实现的呢？

直接内存的申请：

在DirectByteBuffer实例通过构造方法创建的时候，会通过Unsafe类的allocateMemory方法 帮我们申请直接内存资源。

直接内存的释放：

DirectByteBuffer本身是一个Java对象，其是位于堆内存中的，JDK的GC机制可以自动帮我们回收，但是其申请的直接内存，不再GC范围之内，无法自动回收。好在JDK提供了一种机制，可以为堆内存对象注册一个钩子函数(其实就是实现Runnable接口的子类)，当堆内存对象被GC回收的时候，会回调run方法，我们可以在这个方法中执行释放DirectByteBuffer引用的直接内存，即在run方法中调用Unsafe 的freeMemory 方法。注册是通过sun.misc.Cleaner类来实现的。

下面通过源码进行分析：

class DirectByteBuffer extends MappedByteBuffer  implements DirectBuffer
{
    ....
    //构造方法
    DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private
    
        super(-1, 0, cap, cap);
        boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
        int ps = Bits.pageSize();
        long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));//对申请的直接内存大小，进行重新计算
        Bits.reserveMemory(size, cap);
    
        long base = 0;
        try {
            base = unsafe.allocateMemory(size); //分配直接内存，base表示的是直接内存的开始地址
        } catch (OutOfMemoryError x) {
            Bits.unreserveMemory(size, cap);
            throw x;
        }
        unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
        if (pa && (base % ps != 0)) {
            // Round up to page boundary
            address = base + ps - (base & (ps - 1));
        } else {
            address = base;
        }
        cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));//注册钩子函数，释放直接内存
        att = null;
    
    }
      ....
}

可以看到构造方法中的确是用了unsafe.allocateMemory方法帮我们分配了直接内存，另外，在构造方法的最后，通过 Cleaner.create方法注册了一个钩子函数，用于清除直接内存的引用。

Cleaner.create方法声明如下所示：

public static Cleaner create(Object heapObj, Runnable task)

其中第一个参数是一个堆内存对象，第二个参数是一个Runnable任务，表示这个堆内存对象被回收的时候，需要执行的回调方法。我们可以看到在DirectByteBuffer的最后一行中，传入的这两个参数分别是this，和一个Deallocator(实现了Runnable接口)，其中this表示就是当前DirectByteBuffer实例，也就是当前DirectByteBuffer被回收的时候，回调Deallocator的run方法

Deallocator就是用于清除DirectByteBuffer引用的直接内存，代码如下所示：

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) {
            // Paranoia
            return;
        }
        unsafe.freeMemory(address);//清除直接内存
        address = 0;
        Bits.unreserveMemory(size, capacity);
    }

}

可以看到run方法中调用了unsafe.freeMemory方法释放了直接内存的引用。

关于System.gc对直接内存释放的影响

细心的读者，可能注意到了，在DirectByteBuffer实例创建的时候，分配内存之前调用了Bits.reserveMemory方法，如果分配失败调用了Bits.unreserveMemory，同时在Deallocator释放完直接内存的时候，也调用了Bits.unreserveMemory方法。

这两个方法，主要是记录jdk已经使用的直接内存的数量，当分配直接内存时，需要进行增加，当释放时，需要减少，源码如下：

static void reserveMemory(long size, int cap) {
    //如果直接有足够多的直接内存可以用，直接增加直接内存引用的计数
    synchronized (Bits.class) {
        if (!memoryLimitSet && VM.isBooted()) {
            maxMemory = VM.maxDirectMemory();
            memoryLimitSet = true;
        }
        // -XX:MaxDirectMemorySize limits the total capacity rather than the
        // actual memory usage, which will differ when buffers are page
        // aligned.
        if (cap <= maxMemory - totalCapacity) {//维护已经使用的直接内存的数量
            reservedMemory += size;
            totalCapacity += cap;
            count++;
            return;
        }
    }
   //如果没有有足够多的直接内存可以用，先进行垃圾回收
    System.gc();
    try {
        Thread.sleep(100);//休眠100秒，等待垃圾回收完成
    } catch (InterruptedException x) {
        // Restore interrupt status
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
    synchronized (Bits.class) {//休眠100毫秒后，增加直接内存引用的计数
        if (totalCapacity + cap > maxMemory)
            throw new OutOfMemoryError("Direct buffer memory");
        reservedMemory += size;
        totalCapacity += cap;
        count++;
    }

}
//释放内存时，减少引用直接内存的计数
static synchronized void unreserveMemory(long size, int cap) {
    if (reservedMemory > 0) {
        reservedMemory -= size;
        totalCapacity -= cap;
        count--;
        assert (reservedMemory > -1);
    }
}

通过上面代码的分析，我们事实上可以认为Bits类是直接内存的分配担保，当有足够的直接内存可以用时，增加直接内存应用计数，否则，调用System.gc，进行垃圾回收，需要注意的是，System.gc只会回收堆内存中的对象，但是我们前面已经讲过，DirectByteBuffer对象被回收时，那么其引用的直接内存也会被回收，试想现在刚好有其他的DirectByteBuffer可以被回收，那么其被回收的直接内存就可以用于本次DirectByteBuffer直接的内存的分配。

因此我们经常看到，有一些文章讲解在使用Nio的时候，不要禁用System.gc，也就是启动JVM的时候，不要传入-XX:+DisableExplicitGC参数，因为这样可能会造成直接内存溢出。道理很明显，因为直接内存的释放与获取比堆内存更加耗时，每次创建DirectByteBuffer实例分配直接内存的时候，都调用System.gc，可以让已经使用完的DirectByteBuffer得到及时的回收。

虽然System.gc只是建议JVM去垃圾回收，可能JVM并不会立即回收，但是频繁的建议，JVM总不会视而不见。

不过，这并不是绝对的，因为System.gc导致的是FullGC，可能会暂停用户线程，也就是JVM不能继续响应用户的请求，对于一些要求延时比较短的应用，是不希望JVM频繁的进行FullGC的。

所以笔者的建议是：禁用System.gc，调大最大可以使用的直接内存。如：