什么是堆内内存和堆外内存？

JVM 可以使用的内存分外 2 种：堆内存和堆外内存，这篇文章主要介绍堆外内存的使用示例

什么是堆内内存和堆外内存？

堆内存完全由JVM负责分配和释放，如果程序没有缺陷代码导致内存泄露，那么就不会遇到java.lang.OutOfMemoryError这个错误。

使用堆外内存，就是为了能直接分配和释放内存，提高效率。JDK5.0之后，代码中能直接操作本地内存的方式有2种：使用未公开的Unsafe和NIO包下ByteBuffer。

堆外内存

关于Unsafe对象的简介和获取方式,可以参考：http://blog.csdn.net/aitangyong/article/details/38276681

使用ByteBuffer分配本地内存则非常简单，直接ByteBuffer.allocateDirect(10 * 1024 * 1024)即可。

C语言的内存分配和释放函数malloc/free，必须要一一对应，否则就会出现内存泄露或者是野指针的非法访问。java中我们需要手动释放获取的堆外内存吗？

我们一起来看看NIO中提供的ByteBuffer

我们将最大堆外内存设置成40M，运行这段代码会发现：程序可以一直运行下去，不会报OutOfMemoryError。如果使用了-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails，会发现程序频繁的进行垃圾回收活动。于是我们可以得出结论：ByteBuffer.allocateDirect分配的堆外内存不需要我们手动释放，而且ByteBuffer中也没有提供手动释放的API 。

也即是说，使用ByteBuffer不用担心堆外内存的释放问题，除非堆内存中的 ByteBuffer对象由于错误编码而出现内存泄露。

直接在方法体中使用Unsafe的效果：

import sun.misc.Unsafe;
 
public class TestUnsafeMemo
{
 // -XX:MaxDirectMemorySize=40M
 public static void main(String[] args) throws Exception
 {
  Unsafe unsafe = GetUsafeInstance.getUnsafeInstance();
 
  while (true)
  {
   long pointer = unsafe.allocateMemory(1024 * 1024 * 20);
   System.out.println(unsafe.getByte(pointer + 1));
 
   // 如果不释放内存,运行一段时间会报错java.lang.OutOfMemoryError
   // unsafe.freeMemory(pointer);
  }
 }
 
}

这段程序会报OutOfMemoryError错误，也就是说allocateMemory和freeMemory，相当于C语音中的malloc和free，必须手动释放分配的内存。

将Unsafe分配内存封装到一个类中

import sun.misc.Unsafe;
 
public class ObjectInHeap
{
 private long address = 0;
 
 private Unsafe unsafe = GetUsafeInstance.getUnsafeInstance();
 
 public ObjectInHeap()
 {
  address = unsafe.allocateMemory(2 * 1024 * 1024);
 }
 
 // Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
 public static void main(String[] args)
 {
  while (true)
  {
   ObjectInHeap heap = new ObjectInHeap();
   System.out.println("memory address=" + heap.address);
  }
 }
}

这段代码会抛出OutOfMemoryError。这是因为ObjectInHeap对象是在堆内存中分配的，当该对象被垃圾回收的时候，并不会释放堆外内存，因为使用Unsafe获取的堆外内存，必须由程序显示的释放，JVM不会帮助我们做这件事情。由此可见，使用Unsafe是有风险的，很容易导致内存泄露。

释放Unsafe分配的堆外内存

虽然第3种情况的ObjectInHeap存在内存泄露，但是这个类的设计是合理的，它很好的封装了直接内存，这个类的调用者感受不到直接内存的存在。那怎么解决ObjectInHeap中的内存泄露问题呢？可以覆写Object.finalize()，当堆中的对象即将被垃圾回收器释放的时候，会调用该对象的finalize。由于JVM只会帮助我们管理内存资源，不会帮助我们管理数据库连接，文件句柄等资源，所以我们需要在finalize自己释放资源。

import sun.misc.Unsafe;
 
public class RevisedObjectInHeap
{
 private long address = 0;
 
 private Unsafe unsafe = GetUsafeInstance.getUnsafeInstance();
 
 // 让对象占用堆内存,触发[Full GC
 private byte[] bytes = null;
 
 public RevisedObjectInHeap()
 {
  address = unsafe.allocateMemory(2 * 1024 * 1024);
  bytes = new byte[1024 * 1024];
 }
 
 @Override
 protected void finalize() throws Throwable
 {
  super.finalize();
  System.out.println("finalize." + bytes.length);
  unsafe.freeMemory(address);
 }
 
 public static void main(String[] args)
 {
  while (true)
  {
   RevisedObjectInHeap heap = new RevisedObjectInHeap();
   System.out.println("memory address=" + heap.address);
  }
 }
 
}

覆盖了finalize方法，手动释放分配的堆外内存。如果堆中的对象被回收，那么相应的也会释放占用的堆外内存。这里有一点需要注意下：

// 让对象占用堆内存,触发[Full GC
private byte[] bytes = null;

这行代码主要目的是为了触发堆内存的垃圾回收行为，顺带执行对象的finalize释放堆外内存。如果没有这行代码或者是分配的字节数组比较小，程序运行一段时间后还是会报OutOfMemoryError。这是因为每当创建1个RevisedObjectInHeap对象的时候，占用的堆内存很小（就几十个字节左右），但是却需要占用2M的堆外内存。这样堆内存还很充足（这种情况下不会执行堆内存的垃圾回收），但是堆外内存已经不足，所以就不会报OutOfMemoryError。