Java NIO Buffer概念

针对每一种基本类型的 Buffer ，NIO 又根据 Buffer 背后的数据存储内存不同分为了：HeapBuffer，DirectBuffer，MappedBuffer。

HeapBuffer 顾名思义它背后的存储内存是在 JVM 堆中分配，在堆中分配一个数组用来存放 Buffer 中的数据。

public abstract class ByteBufferextends Bufferimplements Comparable<ByteBuffer>
{// Cached array base offsetprivate static final long ARRAY_BASE_OFFSET = UNSAFE.arrayBaseOffset(byte[].class);// These fields are declared here rather than in Heap-X-Buffer in order to// reduce the number of virtual method invocations needed to access these// values, which is especially costly when coding small buffers.//// 在堆中使用一个数组存放Buffer数据final byte[] hb;                  // Non-null only for heap buffers
}

DirectBuffer 背后的存储内存是在堆外内存中分配，MappedBuffer 是通过内存文件映射将文件中的内容直接映射到堆外内存中，其本质也是一个 DirectBuffer 。

由于 DirectBuffer 和 MappedBuffer 背后的存储内存是在堆外内存中分配，不受 JVM 管理，所以不能用一个 Java 基本类型的数组表示，而是直接记录这段堆外内存的起始地址。

public abstract class Buffer {...// Used by heap byte buffers or direct buffers with Unsafe access// For heap byte buffers this field will be the address relative to the// array base address and offset into that array. The address might// not align on a word boundary for slices, nor align at a long word// (8 byte) boundary for byte[] allocations on 32-bit systems.// For direct buffers it is the start address of the memory region. The// address might not align on a word boundary for slices, nor when created// using JNI, see NewDirectByteBuffer(void*, long).// Should ideally be declared final// NOTE: hoisted here for speed in JNI GetDirectBufferAddress// //堆外内存地址long address;
}

用户空间缓冲区：

以给文件写数据为例：

FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(new File("file-read-write.txt"), "rw").getChannel();
ByteBuffer  heapByteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);
fileChannel.write(heapByteBuffer);

sun.nio.ch.FileChannelImpl#write(java.nio.ByteBuffer)

在 IOUtil 中首先创建一个临时的 DirectByteBuffer，然后将 HeapByteBuffer 中的数据全部拷贝到这个临时的 DirectByteBuffer 中。这个 DirectByteBuffer 就是我们在 IO 系统调用中经常提到的用户空间缓冲区。

随后在 writeFromNativeBuffer 方法中通过 FileDispatcher 触发 JNI 层的 native 方法执行底层系统调用 write 。

而 JDK Buffer 也会根据其背后所依赖的虚拟内存在进程虚拟内存空间中具体所属的虚拟内存区域而演变出 HeapByteBuffer , MappedByteBuffer , DirectByteBuffer 。这三种不同类型 ByteBuffer 的本质区别就是其背后依赖的虚拟内存在 JVM 进程虚拟内存空间中的布局位置不同。

JVM 在操作系统的视角来看其实就是一个普通的进程，内核会根据进程在运行期间所需数据的功能特性不同，而为每一类数据专门开辟出一段虚拟内存区域出来。

位于 JVM 堆之外的内存其实都可以归属到 DirectByteBuffer 的范畴中。比如，位于 OS 堆之内，JVM 堆之外的 MetaSpace，即时编译(JIT) 之后的 codecache，JVM 线程栈，Native 线程栈，JNI 相关的内存，等等。

JVM 在 OS 堆中划分出的 Direct Memory （上图红色部分）特指受到参数 -XX:MaxDirectMemorySize 限制的直接内存区域，比如通过 ByteBuffer#allocateDirect 申请到的 Direct Memory 容量就会受到该参数的限制。

而通过 Unsafe#allocateMemory 申请到的 Direct Memory 容量则不会受任何 JVM 参数的限制，只会受操作系统本身对进程所使用内存容量的限制。也就是说 Unsafe 类会脱离 JVM 直接向操作系统进行内存申请。

HeapByteBuffer 底层依赖的字节数组背后的内存位于 JVM 堆中：

MappedByteBuffer 背后所占用的内存位于 JVM 进程虚拟内存空间中的文件映射与匿名映射区中，系统调用 mmap 映射出来的内存就是在这个区域中划分的。

JDK 仅仅只是对 mmap 文件映射方式进行了封装，所以 MappedByteBuffer 的本质其实是对文件映射与匿名映射区中某一段虚拟映射区域在 JVM 层面上的描述。这段虚拟映射区的起始内存地址 addr 以及映射长度 length 被封装在 MappedByteBuffer 中的 address ， capacity 属性中：

mmap：