Buffer源码深入分析BufferMappedByteBufferHaep****BufferDirectByteBuffer

本机环境：

<code>Linux 4.4.0-21-generic #37-Ubuntu SMP Mon Apr 18 18:33:37 UTC 2016 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux</code>

Buffer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：<code>ssize_t read(int fd,void *buf,size_t nbytes)</code>，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。

<code>-XX:MaxDirectMemorySize</code>，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<code>FileChannel.map(MapMode mode,long position, long size)</code>得到MappedByteBuffer，下面结合源码说明MappedByteBuffer的产生过程。

<code>FileChannel.map</code>的源码：

<code>map0</code>的源码实现：

虽然<code>FileChannel.map()</code>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的细节。

该类型的Buffer可以通过下面方式产生：

<code>ByteBuffer.allocate(int capacity)</code>

<code>ByteBuffer.wrap(byte[] array)</code>

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。

<code>ByteBuffer.wrap(byte[] array,int offset, int length)</code>

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<code>ByteBuffer.allocateDirect(int capacity)</code> 产生。

<code>ByteBuffer.allocateDirect()</code>源码如下：

<code>DirectByteBuffer()</code>源码如下：

<code>unsafe.allocateMemory()</code>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。

本文转自  zddnd  51CTO博客，原文链接:http://blog.51cto.com/13013666/1943055