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Java中內(nèi)存分配的幾種方法

更新時(shí)間：2014年03月21日 11:24:09 作者：

本文主要介紹Java中幾種分配內(nèi)存的方法。我們會(huì)看到如何使用sun.misc.Unsafe來統(tǒng)一操作任意類型的內(nèi)存。以前用C語言開發(fā)的同學(xué)通常都希望能在Java中通過較底層的接口來操作內(nèi)存，他們一定會(huì)對本文中要講的內(nèi)容感興趣

一、數(shù)組分配的上限

Java里數(shù)組的大小是受限制的，因?yàn)樗褂玫氖莍nt類型作為數(shù)組下標(biāo)。這意味著你無法申請超過Integer.MAX_VALUE（2^31-1）大小的數(shù)組。這并不是說你申請內(nèi)存的上限就是2G。你可以申請一個(gè)大一點(diǎn)的類型的數(shù)組。比如：

復(fù)制代碼代碼如下:

final long[] ar = new long[ Integer.MAX_VALUE ];

這個(gè)會(huì)分配16G -8字節(jié)，如果你設(shè)置的-Xmx參數(shù)足夠大的話（通常你的堆至少得保留50%以上的空間，也就是說分配16G的內(nèi)存，你得設(shè)置成-Xmx24G。這只是一般的規(guī)則，具體分配多大要看實(shí)際情況）。

不幸的是，在Java里，由于數(shù)組元素的類型的限制，你操作起內(nèi)存來會(huì)比較麻煩。在操作數(shù)組方面，ByteBuffer應(yīng)該是最有用的一個(gè)類了，它提供了讀寫不同的Java類型的方法。它的缺點(diǎn)是，目標(biāo)數(shù)組類型必須是byte[]，也就是說你分配的內(nèi)存緩存最大只能是2G。

二、把所有數(shù)組都當(dāng)作byte數(shù)組來進(jìn)行操作

假設(shè)現(xiàn)在2G內(nèi)存對我們來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如果是16G的話還算可以。我們已經(jīng)分配了一個(gè)long[]，不過我們希望把它當(dāng)作byte數(shù)組來進(jìn)行操作。在Java里我們得求助下C程序員的好幫手了——sun.misc.Unsafe。這個(gè)類有兩組方法：getN(object, offset),這個(gè)方法是要從object偏移量為offset的位置獲取一個(gè)指定類型的值并返回它，N在這里就是代表著那個(gè)要返回值的類型，而putN(Object,offset,value）方法就是要把一個(gè)值寫到Object的offset的那個(gè)位置。

不幸的是，這些方法只能獲取或者設(shè)置某個(gè)類型的值。如果你從數(shù)組里拷貝數(shù)據(jù)，你還需要unsafe的另一個(gè)方法，copyMemory(srcObject, srcOffset, destObject,destOffet,count)。這和System.arraycopy的工作方式類似，不過它拷貝的是字節(jié)而不是數(shù)組元素。

想通過sun.misc.Unsafe來訪問數(shù)組的數(shù)據(jù)，你需要兩個(gè)東西：

1.數(shù)組對象里數(shù)據(jù)的偏移量
2.拷貝的元素在數(shù)組數(shù)據(jù)里的偏移量
Arrays和Java別的對象一樣，都有一個(gè)對象頭，它是存儲(chǔ)在實(shí)際的數(shù)據(jù)前面的。這個(gè)頭的長度可以通過unsafe.arrayBaseOffset(T[].class)方法來獲取到，這里T是數(shù)組元素的類型。數(shù)組元素的大小可以通過unsafe.arrayIndexScale(T[].class) 方法獲取到。這也就是說要訪問類型為T的第N個(gè)元素的話，你的偏移量offset應(yīng)該是arrayOffset+N*arrayScale。

我們來寫個(gè)簡單的例子吧。我們分配一個(gè)long數(shù)組，然后更新它里面的幾個(gè)字節(jié)。我們把最后一個(gè)元素更新成-1（16進(jìn)制的話是0xFFFF FFFF FFFF FFFF)，然再逐個(gè)清除這個(gè)元素的所有字節(jié)。

復(fù)制代碼代碼如下:

final long[] ar = new long[ 1000 ];
final int index = ar.length - 1;
ar[ index ] = -1; //FFFF FFFF FFFF FFFF

System.out.println( "Before change = " + Long.toHexString( ar[ index ] ));

for ( long i = 0; i < 8; ++i )
{
unsafe.putByte( ar, longArrayOffset + 8L * index + i, (byte) 0);
System.out.println( "After change: i = " + i + ", val = " + Long.toHexString( ar[ index ] ));
}

想運(yùn)行上面這個(gè)例子的話，得在你的測試類里加上下面的靜態(tài)代碼塊：

復(fù)制代碼代碼如下:

private static final Unsafe unsafe;
static
{
    try
    {
        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        field.setAccessible(true);
        unsafe = (Unsafe)field.get(null);
    }
    catch (Exception e)
    {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

private static final long longArrayOffset = unsafe.arrayBaseOffset(long[].class);
輸出的結(jié)果是：

復(fù)制代碼代碼如下:

Before change = ffffffffffffffff
After change: i = 0, val = ffffffffffffff00
After change: i = 1, val = ffffffffffff0000
After change: i = 2, val = ffffffffff000000
After change: i = 3, val = ffffffff00000000
After change: i = 4, val = ffffff0000000000
After change: i = 5, val = ffff000000000000
After change: i = 6, val = ff00000000000000
After change: i = 7, val = 0

三、sun.misc.Unsafe的內(nèi)存分配

上面也說過了，在純Java里我們的能分配的內(nèi)存大小是有限的。這個(gè)限制在Java的最初版本里就已經(jīng)定下來了，那個(gè)時(shí)候人們都不敢相像分配好幾個(gè)G的內(nèi)存是什么情況。不過現(xiàn)在已經(jīng)是大數(shù)據(jù)的時(shí)代了，我們需要更多的內(nèi)存。在Java里，想獲取更多的內(nèi)存有兩個(gè)方法：

1.分配許多小塊的內(nèi)存，然后邏輯上把它們當(dāng)作一塊連續(xù)的大內(nèi)存來使用。
2.使用sun.misc.Unsafe.allcateMemory(long)來進(jìn)行內(nèi)存分配。
第一個(gè)方法只是從算法的角度來看比較有意思一點(diǎn)，所以我們還是來看下第二個(gè)方法。

sun.misc.Unsafe提供了一組方法來進(jìn)行內(nèi)存的分配，重新分配，以及釋放。它們和C的malloc/free方法很像：

1.long Unsafe.allocateMemory(long size)——分配一塊內(nèi)存空間。這塊內(nèi)存可能會(huì)包含垃圾數(shù)據(jù)（沒有自動(dòng)清零）。如果分配失敗的話會(huì)拋一個(gè)java.lang.OutOfMemoryError的異常。它會(huì)返回一個(gè)非零的內(nèi)存地址（看下面的描述）。
2.Unsafe.reallocateMemory(long address, long size)——重新分配一塊內(nèi)存，把數(shù)據(jù)從舊的內(nèi)存緩沖區(qū)（address指向的地方）中拷貝到的新分配的內(nèi)存塊中。如果地址等于0，這個(gè)方法和allocateMemory的效果是一樣的。它返回的是新的內(nèi)存緩沖區(qū)的地址。
3.Unsafe.freeMemory(long address)——釋放一個(gè)由前面那兩方法生成的內(nèi)存緩沖區(qū)。如果address為0什么也不干。

這些方法分配的內(nèi)存應(yīng)該在一個(gè)被稱為單寄存器地址的模式下使用：Unsafe提供了一組只接受一個(gè)地址參數(shù)的方法（不像雙寄存器模式，它們需要一個(gè)Object還有一個(gè)偏移量offset）。通過這種方式分配的內(nèi)存可以比你在-Xmx的Java參數(shù)里配置的還要大。

注意：Unsafe分配出來的內(nèi)存是無法進(jìn)行垃圾回收的。你得把它當(dāng)成一種正常的資源，自己去進(jìn)行管理。

下面是使用Unsafe.allocateMemory分配內(nèi)存的一個(gè)例子，同時(shí)它還檢查了整個(gè)內(nèi)存緩沖區(qū)是不是可讀寫的：

復(fù)制代碼代碼如下:

final int size = Integer.MAX_VALUE / 2;
final long addr = unsafe.allocateMemory( size );
try
{
    System.out.println( "Unsafe address = " + addr );
    for ( int i = 0; i < size; ++i )
    {
        unsafe.putByte( addr + i, (byte) 123);
        if ( unsafe.getByte( addr + i ) != 123 )
            System.out.println( "Failed at offset = " + i );
    }
}
finally
{
    unsafe.freeMemory( addr );
}

正如你所看見的，使用sun.misc.Unsafe你可以寫出非常通用的內(nèi)存訪問的代碼：不管是Java里分配的何種內(nèi)存，你都可以隨意讀寫任意類型的數(shù)據(jù)。

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