Difference between MappedByteBuffer and ByteBuffer.allocateDirect()

本文探讨了Java中MappedByteBuffer与ByteBuffer.allocateDirect()的区别。MappedByteBuffer由操作系统虚拟内存空间分配,读写操作由操作系统通过虚拟内存分页逻辑管理;而DirectByteBuffer则是直接分配在主机操作系统上的内存块。

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Difference between MappedByteBuffer and ByteBuffer.allocateDirect()

Java supports the concepts of both a memory-mapped file (represented by a MappedByteBuffer created via FileChannel.map) as well as a "direct" ByteBuffer (a block of native memory in the host OS).

Both of these buffer types are basically "direct" buffers into native OS memory space, so what is the difference between the two in the context of file operations?

The difference between the buffer types is that MappedByteBuffers are allocated in virtual-memory space in the operating system. R/W done with MappedByteBuffers is managed at the OS level by the VM paging logic. Direct ByteBuffers are just a solid slab of free memory (e.g. malloc) in RAM that you can utilize from within Java and treated by the OS as a standard memory allocation.

If you are running on a machine with a lot of RAM, MappedByteBuffers supports working with files up to 2GB easily; just memory-map the file and start working on it. You push the responsibility of memory-management onto the OS in this case, allowing it to page in or out portions of the file that you don't need in order to free up RAM for other processes on the host. All you need to focus on is operating on the file at the offsets you want.

If you are using files that get larger than 2GB or you need to utilize a much smaller and well-defined RAM requirement for file I/O without running the possibility of host-OS lockup as it pages data in/out, then you can allocate a direct ByteBuffer (e.g. 1MB in size) and fill it with the segments of the larger file you want via calls to FileChannel.read(ByteBuffer, position).

The benefit here is that the OS is able to perform the file-read operations directly into native memory space without passing it through the native-to-JVM barrier; allowing the OS to complete that operation as quickly as possible.

Once the buffer is filled, you can pull the data you want from the direct ByteBuffer into the JVM to operate on it easily.

BONUS

If the idea of direct memory via ByteBuffers sounds super slick to you, you might look at a strategy around allocating a big slab of direct memory at app startup then utilizing ByteBuffer.slice() to allow sub processes to get slices of it for processing.

This will bring you right back to the days of malloc/free inside of your Java apps, but if it makes sense for you, it can be a very flexible way to get some big performance wins.

Happy Coding!
<think>我们正在处理一个关于在unidbg中模拟Java NIO的ByteBuffer.allocateDirect方法调用的问题。unidbg是一个基于Unicorn引擎的动态二进制模拟工具,主要用于模拟执行AndroidLinux的本地库(so文件)。然而,用户想要模拟的是Java NIO中的ByteBuffer.allocateDirect方法,这是一个Java方法,通常由Java虚拟机(JVM)提供。 在Java中,ByteBuffer.allocateDirect方法用于分配直接字节缓冲区。直接缓冲区的内容将驻留在物理内存中,而不是JVM的堆中,这样可以提高I/O操作的性能(因为避免了从JVM堆到本地内存的复制)。 但是,unidbg主要模拟本地代码(如JNI函数),而不是Java方法。因此,我们需要考虑如何通过模拟JNI调用来实现allocateDirect的效果。在JNI中,分配直接缓冲区通常涉及调用NewDirectByteBuffer函数,但请注意,ByteBuffer.allocateDirect方法在JVM内部实现,最终会调用本地方法。 根据Java NIO的实现,allocateDirect方法最终会调用一个本地方法,例如: private native long allocateDirect(int capacity); 在OpenJDK中,这个本地方法的实现(在ByteBuffer.c中)会调用: JNIEXPORT jlong JNICALL Java_java_nio_ByteBuffer_allocateDirect(JNIEnv *env, jclass clazz, jlong capacity) { // ... 通常会调用malloc或类似函数分配内存,并返回内存地址 } 在unidbg中,我们的目标是模拟这个本地方法。因此,我们需要在unidbg中注册一个本地方法(通过重写AbstractJni),当Java代码调用allocateDirect时,unidbg会调用我们模拟的函数。 步骤: 1. 确定要模拟的类方法:java.nio.ByteBufferallocateDirect方法。 2. 在unidbg中注册该本地方法。 3. 在模拟的本地方法中,分配一块直接内存(在unidbg的虚拟地址空间中),并返回该内存的地址(作为jlong)。 4. 注意:直接内存的管理(如释放)也需要考虑,但JavaByteBuffer有垃圾回收机制,在unidbg中我们可能需要模拟相关的释放操作(如通过Cleaner机制),但通常如果只是临时使用,可以暂时不释放,或者根据需要进行管理。 具体操作: 首先,我们需要知道allocateDirect方法的签名。在JNI中,该方法对应的本地方法名为: Java_java_nio_ByteBuffer_allocateDirect 但是,在unidbg中,我们通常使用简化方式注册JNI方法,即使用类名方法描述符。 方法描述符:allocateDirect方法是一个静态方法,参数为int(容量),返回ByteBuffer对象。但注意,在本地方法中,它返回的是jlong(表示内存地址),然后在Java层会使用这个地址构造一个DirectByteBuffer对象。 然而,在unidbg中模拟时,我们并不需要构造完整的DirectByteBuffer对象(因为我们的目标可能是让这块内存被本地代码使用),我们可以直接返回分配的内存地址,但要注意,在Java层,这个地址会被封装在DirectByteBuffer对象中。 但是,如果我们的目标只是让模拟的代码能够使用直接缓冲区,那么我们可以只模拟分配内存,并返回一个代表内存地址的长整型值。然后,当后续通过这个ByteBuffer进行读写时,会调用本地方法(如get/put方法),我们也需要模拟这些本地方法。 然而,用户的问题只提到模拟allocateDirect方法,所以我们先专注于这个方法。 在unidbg中,我们可以这样注册并模拟allocateDirect方法: 假设我们有一个继承自AbstractJni的类(通常我们在unidbg中会使用AbstractJni的子类来处理JNI调用),我们可以覆盖registerNatives方法,或者使用addHookClass来添加我们的JNI钩子。 但更直接的方法是,在初始化虚拟机(如AndroidEmulator)时,通过重写AbstractJni的onNative方法,或者使用setJni。 这里,我们假设已经有一个Unidbg的Android模拟器实例(AndroidEmulator)虚拟机(VM)。然后,我们可以通过Jni类(或我们自己的Jni实现)来注册这个本地方法。 示例代码: 首先,我们创建一个类来模拟ByteBuffer的本地方法: ```java public class NIOBufferHook extends AbstractJni { private final AndroidEmulator emulator; public NIOBufferHook(AndroidEmulator emulator) { super(emulator); this.emulator = emulator; } @Override public boolean callStaticBooleanMethodV(BaseVM vm, DvmClass dvmClass, String signature, VaList vaList) { // ... 其他方法 return super.callStaticBooleanMethodV(vm, dvmClass, signature, vaList); } // 我们只关注allocateDirect方法,它是一个静态本地方法,返回long(地址) // 方法签名:static long allocateDirect(int capacity) // 在JNI中的函数签名:JNIEXPORT jlong JNICALL Java_java_nio_ByteBuffer_allocateDirect(JNIEnv*, jclass, jint); // 我们可以通过注册JNI本地函数的方式,也可以使用unidbg的自动查找JNI函数的方式,但这里我们选择在需要时覆盖onNative方法 // 但是,更直接的方式是使用Unidbg的Hook机制来Hook这个函数 // 另一种方法是:在DvmClass中注册本地方法 // 我们可以在创建虚拟机后,获取ByteBuffer类,然后注册本地方法 // 例如: // DvmClass byteBufferClass = vm.resolveClass("java/nio/ByteBuffer"); // byteBufferClass.registerNative("allocateDirect", "(I)J", new allocateDirectNative()); // 因此,我们可以在初始化虚拟机时注册这个本地方法 // 内部类处理allocateDirect private class AllocateDirectNative extends JniFunction { @Override public long call(Emulator<?> emulator, DvmClass dvmClass, Object[] args) { // 参数:args[0] 是jclass(ByteBuffer的class对象),args[1]是容量(int) if (args.length < 1) { throw new IllegalArgumentException("allocateDirect requires 1 argument"); } int capacity = (int) args[0]; // 在unidbg的虚拟内存中分配一块内存,并返回地址 MemoryBlock memoryBlock = emulator.getMemory().malloc(capacity, true); // 返回内存地址 return memoryBlock.getPointer().peer; } } } ``` 然后,在初始化虚拟机后,我们注册这个本地方法: ```java DvmClass byteBufferClass = vm.resolveClass("java/nio/ByteBuffer"); byteBufferClass.registerNative("allocateDirect", "(I)J", new NIOBufferHook(emulator).new AllocateDirectNative()); ``` 注意:上面的代码中,我们使用MemoryBlock来管理分配的内存,并返回其指针。peer是Unicorn中的内存地址(long类型)。 但是,这里有一个问题:在Java中,allocateDirect方法返回的是一个ByteBuffer对象,而不是一个long。然而,在本地方法中,它返回的是jlong(内存地址),然后Java层会使用这个地址构造一个DirectByteBuffer对象。因此,我们模拟的本地方法只需要返回内存地址,Java层会继续处理。 但是,在unidbg中,我们模拟的是本地方法,所以返回地址是正确的。当Java层调用allocateDirect时,我们的本地方法返回地址,然后Java层会使用这个地址构造一个ByteBuffer对象(这个对象在unidbg的DVM中)。因此,我们不需要在本地方法中构造ByteBuffer对象,因为Java层会做这个事。 然而,需要注意的是,在unidbg中,DVM(Dalvik虚拟机)会处理Java层的调用。所以,我们的本地方法返回的地址会被传递给Java层,然后Java层用这个地址创建一个DirectByteBuffer对象。这个对象在后续的JNI调用中(如get/put)可能会被使用。 但是,如果后续的本地方法(如ByteBuffer的get方法)没有被模拟,那么当调用这些方法时,unidbg会尝试调用真实的本地库,但我们的目标可能是完全模拟。因此,我们可能需要模拟ByteBuffer的其他本地方法。 由于用户的问题只要求模拟allocateDirect,我们这里只实现allocateDirect。 另外,注意:分配的内存是虚拟内存,由unidbg管理。当JavaByteBuffer被垃圾回收时,会调用Cleaner来释放内存。但在unidbg中,我们可能没有完整的垃圾回收机制,所以我们需要考虑内存释放。一种方法是在分配内存时记录,并在适当的时候释放(比如在对象被回收时)。但是,unidbg的DVM支持垃圾回收回调吗? 在unidbg中,我们可以为DvmObject添加一个析构回调(如果支持的话),但目前unidbg的DVM并没有完善的垃圾回收机制。因此,我们可能需要手动管理,或者忽略内存释放(在模拟过程中,如果只是运行一次,内存泄漏可以接受)。 另一种方法是,我们返回的内存地址实际上是一个在堆外分配的内存,我们可以利用unidbg的MemoryBlock,它会在unidbg关闭时释放。所以,如果模拟时间不长,可以不用立即释放。 总结步骤: 1. 在初始化虚拟机时,注册java/nio/ByteBufferallocateDirect方法,使用我们自定义的本地函数。 2. 在自定义的本地函数中,根据传入的容量,调用emulator.getMemory().malloc(capacity, true)分配一块可读写的内存,并返回其地址。 3. 注意:分配的内存是虚拟内存,在unidbg的模拟内存中。 这样,当在模拟的Java代码中调用ByteBuffer.allocateDirect(capacity)时,就会调用我们的本地方法,并返回一个地址,然后Java层会构造一个ByteBuffer对象,该对象持有这个地址。 但是,我们还需要注意,在Java层,DirectByteBuffer对象会有一个cleaner,用于在对象被回收时释放内存。在unidbg中,我们可能没有实现这个cleaner的调用,因此,如果模拟的代码会频繁分配直接缓冲区,可能会导致内存不足。对于短期模拟,这通常不是问题。 如果用户需要更完整的模拟,还需要模拟DirectByteBuffer的getput等方法,这些方法也会调用本地方法。但根据问题,我们只关注allocateDirect。 因此,代码实现如下(在unidbg的测试代码中): 假设我们已经有了一个AndroidEmulator实例DalvikVM32实例(vm): ```java // 注册ByteBufferallocateDirect方法 DvmClass byteBufferClass = vm.resolveClass("java/nio/ByteBuffer"); byteBufferClass.registerNative("allocateDirect", "(I)J", new JniFunction() { @Override public long call(Emulator<?> emulator, DvmClass dvmClass, Object[] args) { int capacity = (int) args[0]; // 分配内存,并返回地址 MemoryBlock block = emulator.getMemory().malloc(capacity, true); return block.getPointer().peer; } }); ``` 这样,当在模拟的Java代码中调用ByteBuffer.allocateDirect(capacity)时,就会分配一块内存并返回地址。 注意:这里我们使用了匿名内部类,也可以使用lambda表达式。 但是,这里有一个潜在的问题:在真实的JVM中,allocateDirect返回的内存是未初始化的,所以我们的模拟也只需返回一块内存,不需要初始化。 另外,我们返回的内存地址是虚拟地址,在unidbg的模拟内存中,后续通过这个ByteBuffer进行读写时,如果调用本地方法(如get/put),那么这些本地方法会直接操作这个地址的内存。如果这些本地方法没有被模拟,那么程序可能会出错。所以,如果用户需要完整的ByteBuffer功能,还需要模拟其他本地方法。 然而,如果用户只是需要分配一块直接内存,然后通过其他方式(如通过JNI将地址传递给本地函数)使用,那么模拟allocateDirect可能就足够了。 最后,请注意,以上代码是基于unidbg的API,具体实现可能因unidbg版本而略有不同。 因此,我们可以在unidbg中模拟ByteBuffer.allocateDirect方法,通过注册本地方法并分配虚拟内存来实现。 引用说明: 在Java NIO中,直接缓冲区的分配涉及到本地内存,这通常通过JNI函数实现[^1]。在unidbg中,我们可以通过拦截JNI调用并模拟内存分配来达到目的。 [^1]: Java NIO 通道。NIO 通道提供了一个全新的类似流的 I/O 隐喻,但是我们所熟悉的字节流以及字符读写器仍然存在并被广泛使用。通道可能最终会改进加入到 java.io 类中(这是一个实现细节),但是java.io 流所代表的 API 读写器却不会很快消失(它们也不应该消失)。 [^2]: A4: Java 1.4+: 基本NIO,MappedByteBufferJava 7+: 增强的FileChannel APIJava 14+: MemorySegment API (孵化器模块) 扩展阅读 & 参考资料。 注意:上述引用[^1][^2]来自用户提供的参考,但我们的回答主要基于unidbg的工作原理Java NIO的内部机制。 §§相关问题§§ 1. 在unidbg中模拟Java方法调用时,如何处理垃圾回收相关的本地方法(如释放直接内存)? 2. 除了ByteBuffer.allocateDirect,还有哪些常见的Java NIO方法需要在unidbg中模拟? 3. unidbg中模拟的内存分配与真实Android设备有何差异?如何避免内存泄漏?</think>在 unidbg 中模拟 Java NIO 的 `ByteBuffer.allocateDirect` 方法调用,需要理解其底层机制并正确实现内存分配。以下是具体步骤实现方法: ### 实现步骤 1. **理解 allocateDirect 原理** `ByteBuffer.allocateDirect` 在 JVM 中通过 JNI 调用本地方法分配堆外内存,返回一个 `DirectByteBuffer` 对象。该内存不受 GC 管理,需手动释放(通过 `Cleaner` 机制)[^1]。 2. **在 unidbg 中注册本地方法** 重写 `AbstractJni` 类,注册 `allocateDirect` 的本地方法: ```java public class CustomJni extends AbstractJni { private final AndroidEmulator emulator; public CustomJni(AndroidEmulator emulator) { super(emulator); this.emulator = emulator; } @Override public DvmObject<?> callStaticObjectMethodV(BaseVM vm, DvmClass dvmClass, String signature, VaList vaList) { if ("java/nio/ByteBuffer".equals(dvmClass.getClassName()) && "allocateDirect(I)Ljava/nio/ByteBuffer;".equals(signature)) { int capacity = vaList.getInt(0); // 分配虚拟内存 Pointer buffer = emulator.getMemory().malloc(capacity, true); // 创建 DirectByteBuffer 对象 DvmClass clazz = vm.resolveClass("java/nio/DirectByteBuffer"); return clazz.newObject(signature, buffer, capacity); } return super.callStaticObjectMethodV(vm, dvmClass, signature, vaList); } } ``` 3. **初始化虚拟机时注入 JNI** 在设置 `DalvikVM` 时使用自定义的 JNI 实现: ```java AndroidEmulator emulator = AndroidEmulatorBuilder.for32Bit().build(); Memory memory = emulator.getMemory(); memory.setLibraryResolver(new AndroidResolver(23)); // Android 6.0 VM vm = emulator.createDalvikVM(); vm.setJni(new CustomJni(emulator)); // 注入自定义 JNI vm.setVerbose(true); ``` 4. **处理内存释放** 通过模拟 `Cleaner` 机制释放内存(避免泄漏): ```java // 在 CustomJni 中添加 @Override public void callVoidMethodV(BaseVM vm, DvmObject<?> dvmObject, String signature, VaList vaList) { if ("sun/misc/Cleaner.clean()V".equals(signature)) { long address = dvmObject.getValue().toLong(); // 获取内存地址 emulator.getMemory().munmap(address); // 释放内存 return; } super.callVoidMethodV(vm, dvmObject, signature, vaList); } ``` ### 关键点说明 - **内存分配**:使用 `emulator.getMemory().malloc()` 在虚拟地址空间分配内存。 - **对象创建**:通过 `resolveClass("java/nio/DirectByteBuffer")` 创建 DirectByteBuffer 对象。 - **跨版本兼容性**: - Android 7.0+ 使用 `FileChannel` API 管理堆外内存[^2]。 - 若目标应用使用 `MappedByteBuffer`,需额外模拟 `FileChannel.map()`。 - **性能优化**:批量处理大内存分配时,可复用内存池减少碎片。 ### 完整调用示例 ```java // 测试代码 public void testAllocateDirect() { DvmClass byteBufferClass = vm.resolveClass("java/nio/ByteBuffer"); // 调用 allocateDirect(1024) DvmObject<?> buffer = byteBufferClass.callStaticJniMethodObject( emulator, "allocateDirect(I)Ljava/nio/ByteBuffer;", 1024); // 获取内存地址容量 long address = buffer.callJniMethod(emulator, "address()J"); int capacity = buffer.callJniMethod(emulator, "capacity()I"); System.out.println("Allocated direct buffer at 0x" + Long.toHexString(address) + ", size=" + capacity); } ``` ### 注意事项 1. **内存对齐**:真实设备中分配的内存通常按页对齐(4KB),模拟时需保持一致。 2. **JNI 签名匹配**:确保方法签名完全匹配(如 `(I)Ljava/nio/ByteBuffer;`)。 3. **并发安全**:若模拟多线程环境,需同步内存分配操作。 通过以上步骤,可在 unidbg 中正确模拟 `ByteBuffer.allocateDirect` 的行为,为后续 I/O 操作提供堆外内存支持[^1][^2]。
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