1碉京、什么是堆外內(nèi)存
堆外內(nèi)存是相對于堆內(nèi)內(nèi)存的一個概念僵芹。堆內(nèi)內(nèi)存是由JVM所管控的Java進(jìn)程內(nèi)存瀑志，我們平時在Java中創(chuàng)建的對象都處于堆內(nèi)內(nèi)存中，并且它們遵循JVM的內(nèi)存管理機(jī)制脖阵，JVM會采用垃圾回收機(jī)制統(tǒng)一管理它們的內(nèi)存皂股。

堆外內(nèi)存使用Native函數(shù)庫（通過Unsafe類的allocateMemory()方法申請分配內(nèi)存，底層會調(diào)用操作系統(tǒng)的的malloc函數(shù)）直接分配(native堆)命黔，然后通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作呜呐。

2、堆外內(nèi)存解決了什么問題
解決HeapByteBuffer存在的問題：
如果os和jvm都是用jvm里邊的數(shù)據(jù)區(qū)域悍募， 但是jvm會對這塊內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行GC回收蘑辑，可能會對這塊內(nèi)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，根據(jù)我們的假設(shè)坠宴，由于這塊區(qū)域os也在使用以躯，jvm對這塊共享數(shù)據(jù)發(fā)生了變更，os那邊就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯亂的情況。那么如果不讓jvm對這塊共享區(qū)域進(jìn)行GC是不是可以避免這個問題呢忧设？答案是不行的，也會存在問題颠通，如果jvm不對其進(jìn)行GC回收址晕，jvm這邊可能會出現(xiàn)OOM的內(nèi)存溢出。因此只能拷貝jvm的那一份到os的內(nèi)存空間顿锰，即使jvm那邊的數(shù)據(jù)區(qū)域被改變谨垃，但是os里邊的不會受到影響，等os使用io結(jié)束后會對這塊區(qū)域進(jìn)行回收硼控，因?yàn)檫@是os的管理范圍之內(nèi)刘陶。這樣就造成性能降低。
因此牢撼，在JDK1.4中新加入了NIO匙隔，引入了一種基于通道（Channel）和緩存區(qū)（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存(native堆)熏版，然后通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作纷责。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因?yàn)楸苊饬嗽贘ava堆和Native堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)撼短。

3再膳、堆外內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)
DirectByteBuffer 對象引用位于 Java 內(nèi)存模型的堆里面，JVM 可以對 DirectByteBuffer 的對象進(jìn)行內(nèi)存分配和回收管理曲横，一般使用 DirectByteBuffer 的靜態(tài)方法 allocateDirect() 創(chuàng)建 DirectByteBuffer 實(shí)例并分配內(nèi)存喂柒。

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

DirectByteBuffer 內(nèi)部的字節(jié)緩沖區(qū)位在于堆外的（用戶態(tài)）直接內(nèi)存，它是通過 Unsafe 的本地方法 allocateMemory() 進(jìn)行內(nèi)存分配禾嫉，底層調(diào)用的是操作系統(tǒng)的 malloc() 函數(shù)灾杰。

DirectByteBuffer(int cap) {
    super(-1, 0, cap, cap);
    boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
    int ps = Bits.pageSize();
    long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
    Bits.reserveMemory(size, cap);

    long base = 0;
    try {
        base = unsafe.allocateMemory(size);
    } catch (OutOfMemoryError x) {
        Bits.unreserveMemory(size, cap);
        throw x;
    }
    unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
    if (pa && (base % ps != 0)) {
        address = base + ps - (base & (ps - 1));
    } else {
        address = base;
    }
    cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
    att = null;
}

除此之外，初始化 DirectByteBuffer 時還會創(chuàng)建一個 Deallocator 線程夭织，并通過 Cleaner 的 freeMemory() 方法來對直接內(nèi)存進(jìn)行回收操作吭露，freeMemory() 底層調(diào)用的是操作系統(tǒng)的 free() 函數(shù)。

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) {
            return;
        }
        unsafe.freeMemory(address);
        address = 0;
        Bits.unreserveMemory(size, capacity);
    }
}

由于使用 DirectByteBuffer 分配的是系統(tǒng)本地的內(nèi)存尊惰，不在 JVM 的管控范圍之內(nèi)讲竿，因此直接內(nèi)存的回收和堆內(nèi)存的回收不同，直接內(nèi)存如果使用不當(dāng)弄屡，很容易造成 OutOfMemoryError题禀。

DirectByteBuffer 和零拷貝有什么關(guān)系？

DirectByteBuffer 是 MappedByteBuffer 的具體實(shí)現(xiàn)類膀捷。實(shí)際上迈嘹，Util.newMappedByteBuffer() 方法通過反射機(jī)制獲取 DirectByteBuffer 的構(gòu)造器，然后創(chuàng)建一個 DirectByteBuffer 的實(shí)例，對應(yīng)的是一個單獨(dú)用于內(nèi)存映射的構(gòu)造方法：

protected DirectByteBuffer(int cap, long addr, FileDescriptor fd, Runnable unmapper) {
    super(-1, 0, cap, cap, fd);
    address = addr;
    cleaner = Cleaner.create(this, unmapper);
    att = null;
}

在 MappedByteBuffer 進(jìn)行內(nèi)存映射時秀仲，它的 map() 方法會通過 Util.newMappedByteBuffer() 來創(chuàng)建一個緩沖區(qū)實(shí)例融痛，初始化的代碼如下：

static MappedByteBuffer newMappedByteBuffer(int size, long addr, FileDescriptor fd,
                                            Runnable unmapper) {
    MappedByteBuffer dbb;
    if (directByteBufferConstructor == null)
        initDBBConstructor();
    try {
        dbb = (MappedByteBuffer)directByteBufferConstructor.newInstance(
            new Object[] { new Integer(size), new Long(addr), fd, unmapper });
    } catch (InstantiationException | IllegalAccessException | InvocationTargetException e) {
        throw new InternalError(e);
    }
    return dbb;
}

private static void initDBBRConstructor() {
    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
        public Void run() {
            try {
                Class<?> cl = Class.forName("java.nio.DirectByteBufferR");
                Constructor<?> ctor = cl.getDeclaredConstructor(
                    new Class<?>[] { int.class, long.class, FileDescriptor.class,
                                    Runnable.class });
                ctor.setAccessible(true);
                directByteBufferRConstructor = ctor;
            } catch (ClassNotFoundException | NoSuchMethodException |
                     IllegalArgumentException | ClassCastException x) {
                throw new InternalError(x);
            }
            return null;
        }});
}

因此，除了允許分配操作系統(tǒng)的直接內(nèi)存以外神僵，DirectByteBuffer 本身也具有文件內(nèi)存映射的功能雁刷。我們需要關(guān)注的是，DirectByteBuffer 在 MappedByteBuffer 的基礎(chǔ)上提供了內(nèi)存映像文件的隨機(jī)讀取 get() 和寫入 write() 的操作保礼。

內(nèi)存映像文件的隨機(jī)讀操作

public byte get() {
    return ((unsafe.getByte(ix(nextGetIndex()))));
}

public byte get(int i) {
    return ((unsafe.getByte(ix(checkIndex(i)))));
}

內(nèi)存映像文件的隨機(jī)寫操作

public ByteBuffer put(byte x) {
    unsafe.putByte(ix(nextPutIndex()), ((x)));
    return this;
}

public ByteBuffer put(int i, byte x) {
    unsafe.putByte(ix(checkIndex(i)), ((x)));
    return this;
}

內(nèi)存映像文件的隨機(jī)讀寫都是借助 ix() 方法實(shí)現(xiàn)定位的沛励， ix() 方法通過內(nèi)存映射空間的內(nèi)存首地址（address）和給定偏移量 i 計(jì)算出指針地址，然后由 unsafe 類的 get() 和 put() 方法和對指針指向的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取或?qū)懭搿?/p>

private long ix(int i) {
    return address + ((long)i << 0);
}