Java 進程內存占用除了JVM 運行時數據區，還有直接內存（Direct Memory）區域及 JVM 程序自身也會占用內存

• 直接內存（Direct Memory）區域：直接內存通過使用Native堆外內存來存儲數據，這意味著數據不會被JVM的垃圾回收機制自動回收。與JVM堆內存相比，直接內存的分配和釋放成本較高，因為它涉及與操作系統交互和內存管理的開銷，也可能導致OOM異常出現
• JVM 程序自身：JVM本身是個本地程序，還需要其他的內存去完成各種基本任務，比如，JIT Compiler 在運行時對熱點方法進行編譯，就會將編譯后的方法儲存在 Code Cache 里面；GC 等功能需要運行在本地線程之中，類似部分都需要占用內存空間

JVM內存區域劃分詳見 Java 內存區域與內存溢出異常

堆外內存

JVM 的堆外內存是指分配在JVM堆之外的內存空間，它不受JVM的垃圾回收機制管理。 以下是幾種常見的JVM堆外內存：

1. 直接字節緩沖區（Direct ByteBuffers）：Direct ByteBuffer是JVM堆外內存的一種形式，它通過使用Native堆外內存來存儲數據。
2. NIO（New I/O）內存映射文件（Memory-mapped Files）：NIO提供了一種將文件映射到內存的方式，這種內存映射文件將文件的內容直接映射到堆外內存中，可以通過內存訪問的方式來讀寫文件。
3. JNI（Java Native Interface）：JNI允許Java程序與本地代碼進行交互，可以在本地代碼中分配和管理堆外內存。

堆外內存可以使用Native Memory Tracking 或 Arthas memory 進行監控及診斷

直接字節緩沖區

在實際使用中，Java 會盡量對 Direct Buffer 僅做本地 IO 操作，對于很多大數據量的 IO 密集操作，可能會帶來非常大的性能優勢，因為：

• Direct Buffer 可以通過ByteBuffer.allocateDirect()方法來創建，它的數據存儲在堆外內存中，生命周期內內存地址都不會再發生更改，進而內核可以安全地對其進行訪問，很多 IO 操作會很高效
• 減少了堆內對象存儲的可能額外維護工作，所以訪問效率可能有所提高

Direct Buffer 創建和銷毀過程中，都會比一般的堆內 Buffer 增加部分開銷，所以通常都建議用于長期使用、數據較大的場景。

可以使用JVM參數設定直接內存限制

-XX:MaxDirectMemorySize=512M

大多數垃圾收集過程中，都不會主動收集 Direct Buffer，它的垃圾收集過程，就是基于 Cleaner（一個內部實現）和幻象引用（PhantomReference）機制，其本身不是 public 類型，內部實現了一個 Deallocator 負責銷毀的邏輯。對它的銷毀往往要拖到full GC的時候，所以使用不當很容易導致OutOfMemoryError

Direct Buffer 回收方式：

• 在應用程序中，顯式地調用System.gc()來強制觸發。
• 另外一種思路是，在大量使用 Direct Buffer 的部分框架中，框架會自己在程序中調用釋放方法（Netty 就是這么做的，有興趣可以參考其實現PlatformDependent0）
• 重復使用 Direct Buffer

NIO

Java NIO（New I/O）是Java提供的一套用于高效處理I/O操作的API，引入自JDK 1.4版本。相對于傳統的Java I/O（IO流）API，Java NIO提供了更靈活、更高效的非阻塞I/O操作方式，適用于構建高性能的網絡應用程序。

Java NIO的核心概念包括以下幾個部分：

• 通道（Channel）：通道是數據源和數據目標之間的連接，可以通過通道讀取和寫入數據。通道可以是雙向的，可以從通道中讀取數據，也可以向通道中寫入數據
• 緩沖區（Buffer）：緩沖區是一個固定大小的數據容器，用于存儲讀取和寫入的數據。通過緩沖區可以更高效地讀寫數據，避免頻繁的數據拷貝操作。緩沖區可以讀取和寫入不同類型的數據，如字節、字符、整數等
• 選擇器（Selector）：選擇器是用于多路復用非阻塞I/O操作的組件。可以通過選擇器同時管理多個通道，使得單線程可以處理多個通道的I/O操作，提高系統的性能和吞吐量

NIO提供了一種將文件映射到內存的方式，這種內存映射文件將文件的內容直接映射到堆外內存中。這種方式在處理大型文件時可以提供更高的性能和效率

JNI

使用JNI（Java Native Interface）可以在Java程序中通過調用本地代碼來使用JVM堆外內存。JNI提供了一種機制，使得Java程序可以與本地代碼進行交互，調用本地代碼中的函數和訪問本地內存

通過JNI，Java程序可以直接訪問和操作本地內存，例如在C或C++中使用malloc()和free()函數進行內存分配和釋放

JNI操作JVM堆外內存具體步驟

1. 定義本地方法：在Java類中聲明本地方法，使用native關鍵字標記。

public class NativeMemoryExample {public native void allocateMemory(int size);public native void freeMemory();
}

2. 生成本地方法的頭文件：使用Java的javac命令編譯Java源文件，然后使用javah命令生成本地方法的頭文件。

javac NativeMemoryExample.java
javah NativeMemoryExample

這將生成名為NativeMemoryExample.h的頭文件

3. 實現本地方法：在本地代碼中實現Java類中聲明的本地方法。在本地方法中可以使用C/C++等編程語言來操作堆外內存

#include "NativeMemoryExample.h"
#include <stdlib.h>JNIEXPORT void JNICALL Java_NativeMemoryExample_allocateMemory(JNIEnv *env, jobject obj, jint size) {void *buffer = malloc(size);// 使用buffer進行堆外內存操作
}JNIEXPORT void JNICALL Java_NativeMemoryExample_freeMemory(JNIEnv *env, jobject obj) {// 釋放之前分配的堆外內存free(buffer);
}

4. 編譯本地代碼：使用C/C++編譯器將本地代碼編譯為共享庫（或動態鏈接庫）

gcc -shared -fpic -o libNativeMemoryExample.so NativeMemoryExample.c

5. 加載本地庫：在Java程序中使用System.loadLibrary()方法加載本地庫

public class Main {static {System.loadLibrary("NativeMemoryExample");}public static void main(String[] args) {NativeMemoryExample example = new NativeMemoryExample();example.allocateMemory(1024);  // 調用本地方法分配堆外內存// ...example.freeMemory();  // 調用本地方法釋放堆外內存}
}

通過以上步驟，Java程序可以使用JNI調用本地方法，在本地代碼中進行對JVM堆外內存的分配和釋放操作。需要注意的是，在使用JNI時應謹慎管理內存，避免內存泄漏和溢出，確保正確地釋放分配的堆外內存

---

參考資料：

1. Java Native Interface
2. Direct Buffer
3. Native Memory Tracking