JVM内存结构与Java NIO优化实践

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JVM内存区域

首先，我们先回忆下， JVM结构中内存区域可以包括哪几个部分？

JVM（Java虚拟机）的内存结构主要分为以下几个部分，每个部分负责不同的功能，共同支撑Java程序的运行：

1. 程序计数器（Program Counter Register）

作用：
- 记录当前线程执行的字节码指令地址（行号）。
- 线程私有，确保多线程切换后能恢复到正确执行位置。
特点：
- 唯一不会抛出 OutOfMemoryError 的内存区域。

2. Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

作用：
- 存储方法的栈帧（Frame），包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等。
- 每个方法调用对应一个栈帧，方法结束时栈帧弹出。
线程私有：每个线程有独立的虚拟机栈。
异常：
- StackOverflowError：栈深度超过限制（如无限递归）。
- OutOfMemoryError：栈扩展失败（如线程过多）。

3. 本地方法栈（Native Method Stack）

作用：
- 为JVM调用本地（Native）方法（如C/C++代码）提供服务。
与虚拟机栈的区别：
- 虚拟机栈执行Java方法，本地方法栈执行Native方法。
异常：同虚拟机栈（StackOverflowError/OutOfMemoryError）。

4. Java堆（Java Heap）

作用：
- 存储所有对象实例和数组（通过 new 创建的对象）。
- 垃圾回收（GC）的主要区域。
线程共享：所有线程共享堆内存。
分代设计（JDK8及之前）：
- 新生代（Young Generation）：
  - Eden区、Survivor区（From/To）。
  - 存放新创建的对象，Minor GC回收。
- 老年代（Old Generation）：
  - 存放长期存活的对象，Major GC/Full GC回收。
- 元空间（Metaspace，JDK8+）：
  - 替代永久代（PermGen），存储类元数据、方法区信息。
异常：OutOfMemoryError（堆空间不足）。

5. 方法区（Method Area）

作用：
- 存储类信息（类名、字段、方法、常量池等）、静态变量（static）、即时编译器编译后的代码。
实现变化：
- JDK7及之前：永久代（PermGen）实现。
- JDK8+：元空间（Metaspace）替代，使用本地内存（Native Memory）。
异常：OutOfMemoryError（如加载过多类）。

理清JVM和Native的栈和堆

有没有注意到，上面的栈包括2种：一种是JVM栈，一种是本地（Native）方法栈。
本地方法为什么需要独立的栈？

语言差异：Native方法通常由C/C++实现，其调用约定（Calling Convention）、栈帧结构与Java方法不同。
线程安全：每个线程需要独立的Native栈，避免多线程调用Native方法时上下文混乱。

因此，本地方法栈虽然使用操作系统的Native内存，但由JVM统一规划和管理（如线程创建时分配栈大小，线程结束时释放）。

也就是说程序运行过程中，调用JNI方法会切换到本地方法栈，从native调用java方法又会切换到Jvm栈。

本地方法栈可以认为是JVM管理的Native内存，调用JNI方法切换到本地方法内分配的堆这部分内存又是谁管理的？
直接分配的Native堆（如malloc/new分配的内存），开发者手动管理（需显式free/delete），是开发者或第三方库通过系统调用分配的完全独立的Native内存。因此JVM不参与管理，需手动防止泄漏。

直接内存(堆外内存）

对于java而言，除了上面5个内存区域，其实还有一个概念，那就是直接内存。什么是直接内存？简单说就是通过java的方法分配的Native的堆内存（Java堆外直接内存）。由操作系统的本地内存（Native Memory）管理的。它受 -XX:MaxDirectMemorySize 参数限制，可以看作 JVM 允许 Java 代码使用的受控本地内存.