java 中Buffer源碼的分析
java 中Buffer源碼的分析
Buffer
Buffer的類圖如下:

除了Boolean,其他基本數(shù)據(jù)類型都有對應(yīng)的Buffer,但是只有ByteBuffer才能和Channel交互。只有ByteBuffer才能產(chǎn)生Direct的buffer,其他數(shù)據(jù)類型的Buffer只能產(chǎn)生Heap類型的Buffer。ByteBuffer可以產(chǎn)生其他數(shù)據(jù)類型的視圖Buffer,如果ByteBuffer本身是Direct的,則產(chǎn)生的各視圖Buffer也是Direct的。
Direct和Heap類型Buffer的本質(zhì)
首選說說JVM是怎么進行IO操作的。
JVM在需要通過操作系統(tǒng)調(diào)用完成IO操作,比如可以通過read系統(tǒng)調(diào)用完成文件的讀取。read的原型是:ssize_t read(int fd,void *buf,size_t nbytes),和其他的IO系統(tǒng)調(diào)用類似,一般需要緩沖區(qū)作為其中一個參數(shù),該緩沖區(qū)要求是連續(xù)的。
Buffer分為Direct和Heap兩類,下面分別說明這兩類buffer。
Heap
Heap類型的Buffer存在于JVM的堆上,這部分內(nèi)存的回收與整理和普通的對象一樣。Heap類型的Buffer對象都包含一個對應(yīng)基本數(shù)據(jù)類型的數(shù)組屬性(比如:final **[] hb),數(shù)組才是Heap類型Buffer的底層緩沖區(qū)。
但是Heap類型的Buffer不能作為緩沖區(qū)參數(shù)直接進行系統(tǒng)調(diào)用,主要因為下面兩個原因。
- JVM在GC時可能會移動緩沖區(qū)(復(fù)制-整理),緩沖區(qū)的地址不固定。
- 系統(tǒng)調(diào)用時,緩沖區(qū)需要是連續(xù)的,但是數(shù)組可能不是連續(xù)的(JVM的實現(xiàn)沒要求連續(xù))。
所以使用Heap類型的Buffer進行IO時,JVM需要產(chǎn)生一個臨時Direct類型的Buffer,然后進行數(shù)據(jù)復(fù)制,再使用臨時Direct的
Buffer作為參數(shù)進行操作系統(tǒng)調(diào)用。這造成很低的效率,主要是因為兩個原因:
- 需要把數(shù)據(jù)從Heap類型的Buffer里面復(fù)制到臨時創(chuàng)建的Direct的Buffer里面。
- 可能產(chǎn)生大量的Buffer對象,從而提高GC的頻率。所以在IO操作時,可以通過重復(fù)利用Buffer進行優(yōu)化。
Direct
Direct類型的buffer,不存在于堆上,而是JVM通過malloc直接分配的一段連續(xù)的內(nèi)存,這部分內(nèi)存成為直接內(nèi)存,JVM進行IO系統(tǒng)調(diào)用時使用的是直接內(nèi)存作為緩沖區(qū)。
-XX:MaxDirectMemorySize,通過這個配置可以設(shè)置允許分配的最大直接內(nèi)存的大?。∕appedByteBuffer分配的內(nèi)存不受此配置影響)。
直接內(nèi)存的回收和堆內(nèi)存的回收不同,如果直接內(nèi)存使用不當(dāng),很容易造成OutOfMemoryError。Java沒有提供顯示的方法去主動釋放直接內(nèi)存,sun.misc.Unsafe類可以進行直接的底層內(nèi)存操作,通過該類可以主動釋放和管理直接內(nèi)存。同理,也應(yīng)該重復(fù)利用直接內(nèi)存以提高效率。
MappedByteBuffer和DirectByteBuffer之間的關(guān)系
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.(本段話摘自MappedByteBuffer的源碼)
實際上,MappedByteBuffer屬于映射buffer(自己看看虛擬內(nèi)存),但是DirectByteBuffer只是說明該部分內(nèi)存是JVM在直接內(nèi)存區(qū)分配的連續(xù)緩沖區(qū),并不一是映射的。也就是說MappedByteBuffer應(yīng)該是DirectByteBuffer的子類,但是為了方便和優(yōu)化,把MappedByteBuffer作為了DirectByteBuffer的父類。另外,雖然MappedByteBuffer在邏輯上應(yīng)該是DirectByteBuffer的子類,而且MappedByteBuffer的內(nèi)存的GC和直接內(nèi)存的GC類似(和堆GC不同),但是分配的MappedByteBuffer的大小不受-XX:MaxDirectMemorySize參數(shù)影響。
MappedByteBuffer封裝的是內(nèi)存映射文件操作,也就是只能進行文件IO操作。MappedByteBuffer是根據(jù)mmap產(chǎn)生的映射緩沖區(qū),這部分緩沖區(qū)被映射到對應(yīng)的文件頁上,屬于直接內(nèi)存在用戶態(tài),通過MappedByteBuffer可以直接操作映射緩沖區(qū),而這部分緩沖區(qū)又被映射到文件頁上,操作系統(tǒng)通過對應(yīng)內(nèi)存頁的調(diào)入和調(diào)出完成文件的寫入和寫出。
MappedByteBuffer
通過FileChannel.map(MapMode mode,long position, long size)得到MappedByteBuffer,下面結(jié)合源碼說明MappedByteBuffer的產(chǎn)生過程。
FileChannel.map的源碼:
public MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size)
throws IOException
{
ensureOpen();
if (position < 0L)
throw new IllegalArgumentException("Negative position");
if (size < 0L)
throw new IllegalArgumentException("Negative size");
if (position + size < 0)
throw new IllegalArgumentException("Position + size overflow");
//最大2G
if (size > Integer.MAX_VALUE)
throw new IllegalArgumentException("Size exceeds Integer.MAX_VALUE");
int imode = -1;
if (mode == MapMode.READ_ONLY)
imode = MAP_RO;
else if (mode == MapMode.READ_WRITE)
imode = MAP_RW;
else if (mode == MapMode.PRIVATE)
imode = MAP_PV;
assert (imode >= 0);
if ((mode != MapMode.READ_ONLY) && !writable)
throw new NonWritableChannelException();
if (!readable)
throw new NonReadableChannelException();
long addr = -1;
int ti = -1;
try {
begin();
ti = threads.add();
if (!isOpen())
return null;
//size()返回實際的文件大小
//如果實際文件大小不符合,則增大文件的大小,文件的大小被改變,文件增大的部分默認設(shè)置為0。
if (size() < position + size) { // Extend file size
if (!writable) {
throw new IOException("Channel not open for writing " +
"- cannot extend file to required size");
}
int rv;
do {
//增大文件的大小
rv = nd.truncate(fd, position + size);
} while ((rv == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
}
//如果要求映射的文件大小為0,則不調(diào)用操作系統(tǒng)的mmap調(diào)用,只是生成一個空間容量為0的DirectByteBuffer
//并返回
if (size == 0) {
addr = 0;
// a valid file descriptor is not required
FileDescriptor dummy = new FileDescriptor();
if ((!writable) || (imode == MAP_RO))
return Util.newMappedByteBufferR(0, 0, dummy, null);
else
return Util.newMappedByteBuffer(0, 0, dummy, null);
}
//allocationGranularity的大小在我的系統(tǒng)上是4K
//頁對齊,pagePosition為第多少頁
int pagePosition = (int)(position % allocationGranularity);
//從頁的最開始映射
long mapPosition = position - pagePosition;
//因為從頁的最開始映射,增大映射空間
long mapSize = size + pagePosition;
try {
// If no exception was thrown from map0, the address is valid
//native方法,源代碼在openjdk/jdk/src/solaris/native/sun/nio/ch/FileChannelImpl.c,
//參見下面的說明
addr = map0(imode, mapPosition, mapSize);
} catch (OutOfMemoryError x) {
// An OutOfMemoryError may indicate that we've exhausted memory
// so force gc and re-attempt map
System.gc();
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException y) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
try {
addr = map0(imode, mapPosition, mapSize);
} catch (OutOfMemoryError y) {
// After a second OOME, fail
throw new IOException("Map failed", y);
}
}
// On Windows, and potentially other platforms, we need an open
// file descriptor for some mapping operations.
FileDescriptor mfd;
try {
mfd = nd.duplicateForMapping(fd);
} catch (IOException ioe) {
unmap0(addr, mapSize);
throw ioe;
}
assert (IOStatus.checkAll(addr));
assert (addr % allocationGranularity == 0);
int isize = (int)size;
Unmapper um = new Unmapper(addr, mapSize, isize, mfd);
if ((!writable) || (imode == MAP_RO)) {
return Util.newMappedByteBufferR(isize,
addr + pagePosition,
mfd,
um);
} else {
return Util.newMappedByteBuffer(isize,
addr + pagePosition,
mfd,
um);
}
} finally {
threads.remove(ti);
end(IOStatus.checkAll(addr));
}
}
map0的源碼實現(xiàn):
JNIEXPORT jlong JNICALL
Java_sun_nio_ch_FileChannelImpl_map0(JNIEnv *env, jobject this,
jint prot, jlong off, jlong len)
{
void *mapAddress = 0;
jobject fdo = (*env)->GetObjectField(env, this, chan_fd);
//linux系統(tǒng)調(diào)用是通過整型的文件id引用文件的,這里得到文件id
jint fd = fdval(env, fdo);
int protections = 0;
int flags = 0;
if (prot == sun_nio_ch_FileChannelImpl_MAP_RO) {
protections = PROT_READ;
flags = MAP_SHARED;
} else if (prot == sun_nio_ch_FileChannelImpl_MAP_RW) {
protections = PROT_WRITE | PROT_READ;
flags = MAP_SHARED;
} else if (prot == sun_nio_ch_FileChannelImpl_MAP_PV) {
protections = PROT_WRITE | PROT_READ;
flags = MAP_PRIVATE;
}
//這里就是操作系統(tǒng)調(diào)用了,mmap64是宏定義,實際最后調(diào)用的是mmap
mapAddress = mmap64(
0, /* Let OS decide location */
len, /* Number of bytes to map */
protections, /* File permissions */
flags, /* Changes are shared */
fd, /* File descriptor of mapped file */
off); /* Offset into file */
if (mapAddress == MAP_FAILED) {
if (errno == ENOMEM) {
//如果沒有映射成功,直接拋出OutOfMemoryError
JNU_ThrowOutOfMemoryError(env, "Map failed");
return IOS_THROWN;
}
return handle(env, -1, "Map failed");
}
return ((jlong) (unsigned long) mapAddress);
}
雖然FileChannel.map()的zise參數(shù)是long,但是size的大小最大為Integer.MAX_VALUE,也就是最大只能映射最大2G大小的空間。實際上操作系統(tǒng)提供的MMAP可以分配更大的空間,但是JAVA限制在2G,ByteBuffer等Buffer也最大只能分配2G大小的緩沖區(qū)。
MappedByteBuffer是通過mmap產(chǎn)生得到的緩沖區(qū),這部分緩沖區(qū)是由操作系統(tǒng)直接創(chuàng)建和管理的,最后JVM通過unmmap讓操作系統(tǒng)直接釋放這部分內(nèi)存。
Haep****Buffer
下面以ByteBuffer為例,說明Heap類型Buffer的細節(jié)。
該類型的Buffer可以通過下面方式產(chǎn)生:
- ByteBuffer.allocate(int capacity)
- ByteBuffer.wrap(byte[] array) 使用傳入的數(shù)組作為底層緩沖區(qū),變更數(shù)組會影響緩沖區(qū),變更緩沖區(qū)也會影響數(shù)組。
- ByteBuffer.wrap(byte[] array,int offset, int length)
使用傳入的數(shù)組的一部分作為底層緩沖區(qū),變更數(shù)組的對應(yīng)部分會影響緩沖區(qū),變更緩沖區(qū)也會影響數(shù)組。
DirectByteBuffer
DirectByteBuffer只能通過ByteBuffer.allocateDirect(int capacity) 產(chǎn)生。
ByteBuffer.allocateDirect()源碼如下:
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}
DirectByteBuffer()源碼如下:
DirectByteBuffer(int cap) { // package-private
super(-1, 0, cap, cap);
//直接內(nèi)存是否要頁對齊,我本機測試的不用
boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
//頁的大小,本機測試的是4K
int ps = Bits.pageSize();
//如果頁對齊,則size的大小是ps+cap,ps是一頁,cap也是從新的一頁開始,也就是頁對齊了
long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
//JVM維護所有直接內(nèi)存的大小,如果已分配的直接內(nèi)存加上本次要分配的大小超過允許分配的直接內(nèi)存的最大值會
//引起GC,否則允許分配并把已分配的直接內(nèi)存總量加上本次分配的大小。如果GC之后,還是超過所允許的最大值,
//則throw new OutOfMemoryError("Direct buffer memory");
Bits.reserveMemory(size, cap);
long base = 0;
try {
//是吧,unsafe可以直接操作底層內(nèi)存
base = unsafe.allocateMemory(size);
} catch (OutOfMemoryError x) {、
//沒有分配成功,把剛剛加上的已分配的直接內(nèi)存的大小減去。
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));
att = null;
}
unsafe.allocateMemory()的源碼在openjdk/src/openjdk/hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp中。具體的源碼如下:
UNSAFE_ENTRY(jlong, Unsafe_AllocateMemory(JNIEnv *env, jobject unsafe, jlong size))
UnsafeWrapper("Unsafe_AllocateMemory");
size_t sz = (size_t)size;
if (sz != (julong)size || size < 0) {
THROW_0(vmSymbols::java_lang_IllegalArgumentException());
}
if (sz == 0) {
return 0;
}
sz = round_to(sz, HeapWordSize);
//最后調(diào)用的是 u_char* ptr = (u_char*)::malloc(size + space_before + space_after),也就是malloc。
void* x = os::malloc(sz, mtInternal);
if (x == NULL) {
THROW_0(vmSymbols::java_lang_OutOfMemoryError());
}
//Copy::fill_to_words((HeapWord*)x, sz / HeapWordSize);
return addr_to_java(x);
UNSAFE_END
JVM通過malloc分配得到連續(xù)的緩沖區(qū),這部分緩沖區(qū)可以直接作為緩沖區(qū)參數(shù)進行操作系統(tǒng)調(diào)用。
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