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Java的直接内存（Direct Memory）是什么意思？

article 2025/2/12 18:14:08

直接内存：

直接内存（Direct Memory） 指的是 JVM 之外、直接向操作系统申请的一块内存区域。它不受 JVM 堆（Heap）大小的限制，而是由操作系统的 本机内存（Native Memory） 管理。

1. 为什么需要直接内存？

直接内存的主要目的是提高 I/O 读写性能，因为它可以绕过 Java 堆，直接和操作系统交互，减少数据在 JVM 内部的复制次数。

在 Java 里面，所有数据最终都需要从内存到 CPU 处理，而 Java 传统的堆内存操作涉及多次复制：

Java 堆 ⬌ JVM 本地方法 ⬌ 操作系统内核缓冲区 ⬌ 磁盘或网络
传统方式下，每次 I/O 操作，数据必须从堆复制到本地缓冲区，然后再写入操作系统，这会影响性能。

直接内存的优势： ✅ 减少数据拷贝，提升 I/O 速度
✅ 避免 GC 干扰（垃圾回收不会管理直接内存）

常见的使用场景：

NIO（New IO）：Java NIO 提供的 ByteBuffer.allocateDirect() 允许分配直接内存，避免 I/O 复制。
Netty：高性能网络框架 Netty 也大量使用直接内存来优化网络通信。
数据库驱动（如 MySQL JDBC Driver）：某些数据库驱动（如 MySQL Connector）会使用直接内存加速数据传输。

2. 直接内存的分配

直接内存不受 Java 堆的 -Xmx 限制，但受 操作系统总内存 和 -XX:MaxDirectMemorySize 限制。

(1) 使用 `ByteBuffer.allocateDirect()` 申请直接内存

import java.nio.ByteBuffer;

public class DirectMemoryDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 申请 100MB 直接内存
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(100 * 1024 * 1024);
        System.out.println("直接内存分配成功！");
    }
}

解释：

ByteBuffer.allocateDirect(size) 会在堆外申请 size 大小的内存。
直接内存不会受 GC 影响，但需要手动释放（否则可能 OOM）。

3. 直接内存的限制

虽然直接内存有优势，但也有一些缺点和限制：

(1) 受 `-XX:MaxDirectMemorySize` 限制

JVM 参数 -XX:MaxDirectMemorySize 控制最大直接内存大小，例如：

java -XX:MaxDirectMemorySize=512M DirectMemoryDemo

如果分配的直接内存超过限制，会抛出 OutOfMemoryError: Direct buffer memory。

(2) 不能被 GC 直接回收

直接内存不会受到 Java GC 的管理，因此：

如果程序没有释放直接内存，会造成内存泄漏。
GC 只会在 ByteBuffer 对象被回收时，尝试释放直接内存，但释放时间不可控。

(3) 需要手动释放

Java NIO 的 ByteBuffer.allocateDirect() 申请的直接内存是由 Cleaner 进行回收的，但不会立即释放。
可以用反射调用 Cleaner.clean() 方法手动释放：

import sun.misc.Cleaner;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.lang.reflect.Method;

public class DirectMemoryClean {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(100 * 1024 * 1024);
        System.out.println("直接内存分配成功！");

        // 释放直接内存
        Method cleanerMethod = buffer.getClass().getMethod("cleaner");
        cleanerMethod.setAccessible(true);
        Cleaner cleaner = (Cleaner) cleanerMethod.invoke(buffer);
        cleaner.clean();

        System.out.println("直接内存已释放！");
    }
}

由于 Cleaner 需要 sun.misc 包，Java 9+ 之后推荐使用 Unsafe 或者 Netty 的 PlatformDependent.freeDirectBuffer() 进行释放。

4. 直接内存 vs Java 堆内存

对比项	直接内存（Direct Memory）	堆内存（Heap Memory）
存储位置	JVM 之外，操作系统内存	JVM 内部，由 GC 管理
访问速度	快，直接与 OS 交互	较慢，需要数据拷贝
GC 管理	不受 GC 影响，需手动释放	受 GC 影响，自动管理
I/O 操作	适合高频 I/O 操作	适合普通对象存储
适用场景	NIO、Netty、数据库驱动	普通 Java 对象管理