1.深入浅出 Java FileChannel 的堆外内存使用
2.java mmap
3.MappedByteBuffer VS FileChannel 孰强孰弱？
4.记一次源码追踪分析，从Java到JNI，再到JVM的C++：fileChannel.map()为什么快；源码分析map方法，put方法

深入浅出 Java FileChannel 的堆外内存使用

       从一个线上系统 OOM 讲起，我们通过解决用户反馈的 IoTDB 查询卡住问题，深入探讨了 Java FileChannel 中的娄底放炮罚源码堆外内存使用。

       首先，让我们了解一下背景知识。FileChannel 是 Java NIO 提供的文件通道类，它允许对文件进行读写操作。而堆外内存是指直接分配在系统内存中的内存区域，不受 Java 堆管理。

       FileChannel 使用堆外内存的原因是提高性能。当使用 DirectByteBuffer 时，源码下载小说封面app数据本来就在堆外内存中，因此在进行 I/O 操作时没有拷贝的过程，这被称为“零拷贝”。然而，操作系统需要将堆上的数据拷贝到堆外内存中进行 I/O 操作，因为操作系统通过内存地址进行数据交互。

       当 JVM 进行垃圾回收（GC）时，可能会导致内存地址的变化，影响正在执行的 I/O 操作。因此，将数据从堆复制到堆外内存，可以保证数据地址在 I/O 过程中保持不变。

       在 JDK 的坦克大战游戏python源码源码分析中，我们发现 DirectByteBuffer 的分配和回收机制。DirectByteBuffer 在分配时创建的 Cleaner 对象用于堆外内存的回收，当 DirectByteBuffer 仅被 Cleaner 引用时，其可以在任意 GC 时段被回收。这样，虽然堆外内存并非完全不受 GC 控制，但通过 Cleaner 实现了有效的回收机制。

       FileChannel 在读写过程中，使用 DirectByteBuffer 进行数据操作。在分配和回收临时 DirectByteBuffer 时，考虑到系统的资源限制，适当调整 TEMP_BUF_POOL_SIZE 的值可以避免 OOM 的问题。

       回到开头提到的超级资金启动指标源码线上问题，用户在使用 IoTDB 时遭遇 OOM。通过源码分析，我们发现没有适当配置 MAX_CACHED_BUFFER_SIZE，导致额外分配的堆外内存缓存过大，最终引发 OOM。通过调整配置，解决了这个问题。

       Java FileChannel 的堆外内存使用，提高了 I/O 操作的性能，但也需要合理配置和管理，避免资源浪费和内存泄露，确保系统的稳定运行。

java mmap

       java mmap是什么，让我们一起了解一下？

        mmap是将一个文件或者其它对象映射进内存，文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。mmap在用户空间映射调用系统中作用很大。

        目前Java提供的mmap只有内存文件映射，其他IO操作还没有内存映射功能。

        Java内存映射文件（Memory Mapped Files）就已经在java.nio包中，但它对很多程序开发者来说仍然是一个相当新的概念。引入NIO后，Java IO已经相当快，而且内存映射文件提供了Java有可能达到的最快IO操作，这也是为什么那些高性能Java应用应该使用内存映射文件来持久化数据。

       mmap在Java中的用途是什么？

        1、对普通文件使用mmap提供内存映射I/O，以避免系统调用(read、write、lseek)带来的性能开销。同时减少了数据在内核缓冲区和进程地址空间的拷贝次数。

       2、使用特殊文件提供匿名内存映射。

        3、使用shm_open以提供无亲缘关系进程间的Posix共享内存区。

        mmap在Java中是如何使用的？（具体参考kafka源码中的OffsetIndex这个类）

       æ“ä½œæ–‡ä»¶ï¼Œå°±ç›¸å½“于操作一个ByteBuffer一样。 public class TestMmap { undefined public static String path = "C:\\Users\\\\Desktop\\mmap"; public static void main(String[] args) throws IOException { undefined File file1 = new File(path,精准进出指标源码下载 "1"); RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(file1, "rw"); int len = ; // æ˜ å°„为2kb，那么生成的文件也是2kb MappedByteBuffer mmap = randomAccessFile.getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, len); System.out.println(mmap.isReadOnly()); System.out.println(mmap.position()); System.out.println(mmap.limit()); // å†™æ•°æ®ä¹‹åŽï¼ŒJVM é€€å‡ºä¹‹åŽä¼šå¼ºåˆ¶åˆ·æ–°çš„ mmap.put("a".getBytes()); mmap.put("b".getBytes()); mmap.put("c".getBytes()); mmap.put("d".getBytes()); // System.out.println(mmap.position()); // System.out.println(mmap.limit()); // // mmap.force(); // å‚考OffsetIndex强制回收已经分配的mmap，不必等到下次GC， unmap(mmap); // åœ¨Windows上需要执行unmap(mmap); å¦åˆ™æŠ¥é”™ // Windows won't let us modify the file length while the file is mmapped // java.io.IOException: è¯·æ±‚的操作无法在使用用户映射区域打开的文件上执行 randomAccessFile.setLength(len/2); mmap = randomAccessFile.getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, len/2); // A mapping, once established, is not dependent upon the file channel // that was used to create it. Closing the channel, in particular, has no // effect upon the validity of the mapping. randomAccessFile.close(); mmap.put(, "z".getBytes()[0]); } // copy from FileChannelImpl#unmap(私有方法) private static void unmap(MappedByteBuffer bb) { undefined Cleaner cl = ((DirectBuffer)bb).cleaner(); if (cl != null) cl.clean(); } }

MappedByteBuffer VS FileChannel 孰强孰弱？

        Java 在 JDK 1.4 引入了 ByteBuffer 等 NIO 相关的类，使得 Java 程序员可以抛弃基于 Stream ，从而使用基于 Block 的方式读写文件，另外，JDK 还引入了 IO 性能优化之王—— 零拷贝 sendFile 和 mmap。但他们的性能究竟怎么样？ 和 RandomAccessFile 比起来，快多少？ 什么情况下快？到底是 FileChannel 快还是 MappedByteBuffer å¿«......

        (零拷贝参考 Zero Copy I: User-Mode Perspective )

        天啊，问题太多了！！！！！！

        让我们慢慢分析。

        我们知道，Java 世界有很多 MQ：ActiveMQ，kafka，RocketMQ，去哪儿 MQ，而他们则是 Java 世界使用 NIO 零拷贝的大户。

        然而，他们的性能却大相同，抛开其他的因素，例如网络传输方式，数据结构设计，文件存储方式，我们仅仅讨论 Broker 端对文件的读写，看看他们有什么不同。

        下图是楼主查看源码总结的各个 MQ 使用的文件读写方式。

        那么，到底是 MMAP 强，还是 FileChannel 强？

        MMAP 众所周知，基于 OS 的 mmap 的内存映射技术，通过 MMU 映射文件，使随机读写文件和读写内存相似的速度。

        那 FileChannel 呢？是零拷贝吗？很遗憾，不是。FileChannel 快，只是因为他是基于 block 的。

        接下来，benchmark everything —— 徐妈.

        如何 Benchmark？ Benchmark 哪些？

        既然是读写文件，自然就要看读写性能，这是最基本的。但，注意，通常 MQ 会使用定时刷盘，防止数据丢失，MMAP 和 FileChannel 都有 force 方法，用于将 pageCache 的数据刷到硬盘上。force 会影响性能吗？ 答案是会。影响到什么程度呢？ 不知道。每次写入的数据大小会影响性能吗，毫无疑问会，但规则是什么呢？FileOutputStream 真的一无是处吗？答案是不一定。

        一直以来，文件调优都是艺术，因为影响性能的因素太多，首先，SSD 的出现，已经让传统基于 B+ tree 的树形结构产生了自我疑问，第二，每个文件系统的性能不同，Linux ext3 和 ext4 性能天壤之别（删除文件的性能差距在 倍左右）。而 Max OS 的 HFS+ 系统被 Linus 称之为“有史以来最垃圾的文件系统”，幸运的是，苹果终于在 年推送了 macOS High Sierra 和 iOS .3 系统，这个两个系统都抛弃了 HFS+，换成了性能更高的 APFS。而每个文件系统又可以设置不同的调度算法，另外，还有虚拟内存缺页中断带来的性能毛刺.......

        （tips：良心的 RocketMQ 提供了 Linux IO 调优的脚本，这点做的不错 ：）

        跑题了。

        楼主写了一个小项目，用于测试 Java MappedByteBuffer & FileChannel & RandomAccessFile & FileXXXputStream 的读写性能。大家也可以在自己的机器上跑跑看。

        CPU：intel i7 4æ ¸8线程 4.2GHz

        内存：GB DDR4

        磁盘：SSD 读写 2GB/s 左右

        JDK1.8

        OS：Mac OS ..6

        虚拟内存： 未关闭，大小 9GB

        测试注意点：

        1GB 文件：

        测试 MappedByteBuffer & FileChannel & RandomAccessFile & FileInputStream.

        从这张图里，我们看到，mmap 性能完胜，特别是在小数据量的情况下。其他的流，只有在4kb 的情况下，才开始反杀 mmap。因此，读 4kb 以下的数据，请使用 mmap。

        再放大看看 mmap 和 FileChannel 的比较：

        根据上图，我们看到，在写入数据包大于 4kb 以上的情况下，FileChannel 等一众非零拷贝，基本完胜 mmap，除了那个一次读 1G 文件的 BT 测试。

        因此，如果你的数据包大于 4kb，请使用 FileChannel。

        1GB 文件：

        测试 MappedByteBuffer & FileChannel & RandomAccessFile & FileInputStream.

        从上图，我们可以看出，mmap 性能还是一样的稳定。FileChannel 也不差，但是在 字节数据量的情况下，还差点意思。

        再看缩略图：

        我们看到，字节 是 FileChannel 和 mmap 性能的分水岭，从 字节开始，FileChannel 一路反杀，直到 BT 1GB 文件稍稍输了一丢丢。

        因此，我们建议：如果你的数据包大小在 字节以上，请使用 FileChannel 写入。

        我们知道，RocketMQ 使用异步刷盘，那么异步 force 对性能有没有影响呢？benchmark everything。我们使用异步线程，每 kb 刷盘一次，看看性能如何。

        mmap 一直落后，且性能很差，除了在 字节那里有一点点抖动，基本维持 在 左右，而没有 force 的情况下，则在 左右。而 FileChannel 则完全不受 force 的影响。在我的测试中，1GB 的文件，一次 force 需要 毫秒左右。buffer 越大，时间越多，反之则越小。

        说个题外话，Kafka 一直不建议使用 force，大概也有这个原因。当然，Kafka 还有自己的多副本策略保证数据安全。

        这里，我们得出结论，如果你需要经常执行 force，即使是异步的，也请一定不要使用 mmap，请使用 FileChannel。

        基于以上测试，我们得出一张图表：

        假设，我们的系统的数据包在 - 左右，我们应该使用什么策略？

        答：读使用 mmap，仅仅写使用 FileChannel。

        再回过头看看 MQ 的实现者们，似乎只有 QMQ 是 这么做的。当然，RocketMQ 也提供了 FileChannel 的写选项。但默认 mmap 写加异步刷盘，应该是 broker busy 的元凶吧。

        而 Kafka，因为默认不 force，也是使用 FileChannel 进行写入的，为什么使用 FileChannel 读呢？大概是因为消息的大小在 4kb 以上吧。

        这样一揣测，这些 MQ 的设计似乎都非常合理。

        最后，能不用 force 就别用 force。如果要用 force ，就请使用 FileChannel。

记一次源码追踪分析，从Java到JNI，再到JVM的C++：fileChannel.map()为什么快；源码分析map方法，put方法

       前言

       在系统IO相关的系统调用有read/write，mmap，sendfile等这些。

       其中read/write是普通的读写，每次都需要将buffer从用户空间拷贝到内核空间；

       而mmap使用的是内存映射，会将磁盘文件对应的页映射（拷贝）到内核空间的page cache，并记录到用户进程的页表中，使得用户空间也可以像操作用户空间一样操作该文件的映射，最后再由操作系统来讲该映射（脏页）回写到磁盘；

       sendfile则使用的是零拷贝技术，在mmap的基础上，当发送数据的时候只拷贝fd和offset等元数据信息，而将数据主体直接拷贝至protocol buffer，实现了内核数据零冗余的零拷贝技术

       本文地址：/post//

问题/目的问题1Java中哪些API使用到了mmap问题2怎么知道该API使用到了mmap，如何追踪程序的系统调用目的1源码中分析验证，从Java到JNI，再到C++：fileChannel.map()使用的是系统调用mmap目的2源码验证分析：调用mmapedByteBuffer.put(Byte[])时JVM在搞些什么？mmap比普通的read/write快在哪？揭晓答案1mmap在Java NIO中的体现/使用

       看一个例子

// 1GBpublic static final int _GB = 1**;File file = new File("filename");FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(file, "rw").getChannel();MappedByteBuffer mmapedByteBuffer = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, _GB);for (int i = 0; i < _GB; i++) { count++;mmapedByteBuffer.put((byte)0);}

       其中fileChannel.map()底层使用的就是系统调用mmap，函数签名为： public abstract MappedByteBuffer map(MapMode mode,long position, long size)throws IOException

答案2程序执行的系统调用追踪/** * @author Tptogiar * @description * @date /5/ - : */public class TestMappedByteBuffer{ public static final int _4kb = 4*;public static final int _GB= 1**;public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException { // 为了方便在日志中找到本段代码的开始位置和结束位置，这里利用文件io来打开始标记FileInputStream startInput = null;try { startInput = new FileInputStream("start1.txt");startInput.read();} catch (IOException e) { e.printStackTrace();}File file = new File("filename");FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(file, "rw").getChannel();MappedByteBuffer map = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, _GB); //我们想分析的语句问题2for (int i = 0; i < _GB; i++) { map.put((byte)0); // 下文中需要分析的语句目的2}// 打结束标记FileInputStream endInput = null;try { endInput = new FileInputStream("end.txt");endInput.read();} catch (IOException e) { e.printStackTrace();}}}

       把上面这段代码编译后把“.class”文件拉到linux执行，并用linux上的strace工具记录其系统调用日志，拿到日志文件我们可以在日志中看到以下信息（关于怎么拿到日志可以参照我的博文：无（代写））：

       注：日志有多行，这里只选取我们关注的

// ...// 看到了我们打的开始标志openat(AT_FDCWD, "start1.txt", O_RDONLY) = -1 ENOENT (No such file or directory)// ... // 打开文件，文件描述符fd为6openat(AT_FDCWD, "filename", O_RDWR|O_CREAT, ) = 6// 判断文件状态fstat(6, { st_mode=S_IFREG|, st_size=, ...}) = 0// ... // 判断文件状态fstat(6, { st_mode=S_IFREG|, st_size=, ...}) = 0// 进行内存映射mmap(NULL, , PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, 6, 0) = 0x7f2fd6cd// ...// 程序退出exit(0)// 看到了我们打的结束标志openat(AT_FDCWD, "end.txt", O_RDONLY) = -1 ENOENT (No such file or directory)

       在上面程序的系统调用日志中我们确实看到了我们打的开始标志，结束标志。在开始标志和结束标志之间我们看到了我们的文件"filename"确实被打开了，文件描述符fd = 6；在打开文件后紧接着又执行了系统调用mmap，这一点我们Java代码一致，这样，我们就验证了我们答案1中的结论，可以开始我们的下文了

源码追踪分析，从Java到JNI，再到JVM的C++目的1寻源之旅：fileChannel.map()

       我们知道我们执行Java代码fileChannel.map()确实会在底层调用系统调用，那怎么在源码中得到验证呢？怎么落脚于源码进行分析呢？下面开始我们的寻源之旅

       FileChannelImpl.map() 注：由于代码较长，这里代码中略去了一些我们不关注的,比如异常捕获等

public MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size)throws IOException{ // ...try { // ...synchronized (positionLock) { // ...long mapPosition = position - pagePosition;mapSize = size + pagePosition;try { // ！我们要找的语句就在这！addr = map0(imode, mapPosition, mapSize);} catch (OutOfMemoryError x) { // 如果内存不足，先尝试进行GCSystem.gc();try { Thread.sleep();} catch (InterruptedException y) { Thread.currentThread().interrupt();}try { // 再次试着mmapaddr = map0(imode, mapPosition, mapSize);} catch (OutOfMemoryError y) { // After a second OOME, failthrow new IOException("Map failed", y);}}} // ...} finally { // ...}}

       上面函数源码中真正执行mmap的语句是在addr = map0(imode, mapPosition, mapSize),于是我们寻着这里继续追踪

       FileChannelImpl.map0()

// Creates a new mappingprivate native long map0(int prot, long position, long length)throws IOException;

       可以看到，该方法是一个native方法，所以后面的源码我们需要到这个FileChannelImpl.class对应的fileChannelImpl.c中去看，所以我们需要去找到JDK的源码

       在JDK源码中我们找到fileChannelImpl.c文件

       fileChannelImpl.c 根据JNI的对应规则，我们找到该文件内对应的Java_sun_nio_ch_FileChannelImpl_map0方法，其源码如下：

JNIEXPORT jlong JNICALLJava_sun_nio_ch_FileChannelImpl_map0(JNIEnv *env, jobject this, jint prot, jlong off, jlong len){ void *mapAddress = 0;jobject fdo = (*env)->GetObjectField(env, this, chan_fd);jint fd = fdval(env, fdo);int protections = 0;int flags = 0;if (prot == sun_nio_ch_FileChannelImpl_MAP_RO) { protections = PROT_READ;flags = MAP_SHARED;} else if (prot == sun_nio_ch_FileChannelImpl_MAP_RW) { protections = PROT_WRITE | PROT_READ;flags = MAP_SHARED;} else if (prot == sun_nio_ch_FileChannelImpl_MAP_PV) { protections =PROT_WRITE | PROT_READ;flags = MAP_PRIVATE;}// ！我们要找的语句就在这里！mapAddress = mmap(0,/* Let OS decide location */len,/* Number of bytes to map */protections,/* File permissions */flags,/* Changes are shared */fd, /* File descriptor of mapped file */off); /* Offset into file */if (mapAddress == MAP_FAILED) { if (errno == ENOMEM) { JNU_ThrowOutOfMemoryError(env, "Map failed");return IOS_THROWN;}return handle(env, -1, "Map failed");}return ((jlong) (unsigned long) mapAddress);}

       我们要找的语句就上面代码中的mapAddress = mmap(0,len,protections,flags,fd,off),至于为什么不是直接的mmap，而是mmap，是因为这里的mmap是一个宏，在文件上方有其定义，如下：

#define mmap mmap

       至此，我们就在源码中得到验证了我们问题2中的结论：fileChannelImpl.map()底层使用的是mmap系统调用

目的2寻源之旅：mmapedByteBuffer.put(Byte[ ])

       接着我们来看看当我们调用mmapedByteBuffer.put(Byte[])JVM底层在搞些什么动作

       MappedByteBuffer ?首先我们得知道，当我们执行MappedByteBuffer map = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, _GB)时，实际返回的对象是DirectByteBuffer类的实例，因为MappedByteBuffer为抽象类，且只有DirectByteBuffer继承了它，看下面两图就明白了

       DirectByteBuffer 于是我们找到DirectByteBuffer内的put(Byte[ ])方法

public ByteBuffer put(byte x) { unsafe.putByte(ix(nextPutIndex()), ((x)));return this;}

       可以看到该方法内实际是调用Unsafe类内的putByte方法来实现功能的，所以我们还得去看Unsafe类

       Unsafe.class

public native voidputByte(long address, byte x);

       该方法在Unsafe内是一个native方法，所以所以我们还得去看unsafe.cpp文件内对应的实现

       unsafe.cpp

       在JDK源码中，我们找到unsafe.cpp

       在这份源码内，没有使用JNI内普通加前缀的方法来形成对应关系

       不过我们还是能顺着源码的蛛丝轨迹找到我们要找的方法

       注意到源码中有这样的注册机制，所以我们可以知道我们要找的代码就是上图中标注的代码

       顺藤摸瓜，我们就找到了该方法的定义

UNSAFE_ENTRY(void, Unsafe_SetNative##Type(JNIEnv *env, jobject unsafe, jlong addr, java_type x)) \UnsafeWrapper("Unsafe_SetNative"#Type); \JavaThread* t = JavaThread::current(); \t->set_doing_unsafe_access(true); \void* p = addr_from_java(addr); \*(volatile native_type*)p = x; \t->set_doing_unsafe_access(false); \UNSAFE_END \

       该方法内主要的逻辑语句就是以下两句：

/** * @author Tptogiar * @description * @date /5/ - : */public class TestMappedByteBuffer{ public static final int _4kb = 4*;public static final int _GB= 1**;public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException { // 为了方便在日志中找到本段代码的开始位置和结束位置，这里利用文件io来打开始标记FileInputStream startInput = null;try { startInput = new FileInputStream("start1.txt");startInput.read();} catch (IOException e) { e.printStackTrace();}File file = new File("filename");FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(file, "rw").getChannel();MappedByteBuffer map = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, _GB); //我们想分析的语句问题2for (int i = 0; i < _GB; i++) { map.put((byte)0); // 下文中需要分析的语句目的2}// 打结束标记FileInputStream endInput = null;try { endInput = new FileInputStream("end.txt");endInput.read();} catch (IOException e) { e.printStackTrace();}}}0

       至此，我们就知道：其实我们调用mmapedByteBuffer.put(Byte[ ])时，JVM底层并不需要涉及到系统调用（这里也可以用strace工具追踪从而得到验证）。也就是说通过mmap映射的空间在内核空间和用户空间是共享的，我们在用户空间只需要像平时使用用户空间那样就行了————获取地址，设置值，而不涉及用户态，内核态的切换

总结

       fileChannelImpl.map()底层用调用系统函数mmap

       fileChannelImpl.map()返回的其实不是MappedByteBuffer类对象，而是DirectByteBuffer类对象

       在linux上可以通过strace来追踪系统调用

       JNI中“.class”文件内方法与“.cpp”文件内函数的对应关系不止是前缀对应的方法，还可以是注册的方式，这一点的追寻代码的时候有很大帮助

       directByteBuffer.put()方法底层并没有涉及系统调用，也就不需要涉及切态的性能开销(其底层知识执行获取地址，设置值的操作)，所以mmap的性能就比普通读写read/write好

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原文：/post/