堆外内存及其在 RxCache 中的使用

本文主要是介绍堆外内存及其在 RxCache 中的使用，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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RxCache

RxCache 是一款支持 Java 和 Android 的 Local Cache 。目前，支持堆内存、堆外内存(off-heap memory)、磁盘缓存。

github地址：https://github.com/fengzhizi715/RxCache

堆外内存(off-heap memory)

对象可以存储在堆内存、堆外内存、磁盘缓存甚至是分布式缓存。

在 Java 中，与堆外内存相对的是堆内存。堆内存遵守 JVM 的内存管理机制，而堆外内存不受到此限制，它由操作系统进行管理。

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堆外内存和堆内存有明显的区别，或者说有相反的应用场景。

堆外内存更适合：

存储生命周期长的对象
可以在进程间可以共享，减少 JVM 间的对象复制，使得 JVM 的分割部署更容易实现。
本地缓存，减少磁盘缓存或者分布式缓存的响应时间。

RxCache 中使用的堆外内存

首先，创建一个 DirectBufferConverter ，用于将对象和 ByteBuffer 相互转换，以及对象和byte数组相互转换。其中，ByteBuffer.allocteDirect(capability) 用于分配堆外内存。Cleaner 是自己定义的一个类，用于释放 DirectByteBuffer。具体代码可以查看：https://github.com/fengzhizi715/RxCache/blob/master/offheap/src/main/java/com/safframework/rxcache/offheap/converter/Cleaner.java

public abstract class DirectBufferConverter<V> {
public void dispose(ByteBuffer direct) {
Cleaner.clean(direct);
}
public ByteBuffer to(V from) {
if(from == null) return null;
byte[] bytes = toBytes(from);
ByteBuffer.wrap(bytes);
ByteBuffer bf = ByteBuffer.allocateDirect(bytes.length);
bf.put(bytes);
bf.flip();
return bf;
}
abstract public byte[] toBytes(V value);
abstract public V toObject(byte[] value);
public V from(ByteBuffer to) {
if(to == null) return null;
byte[] bs = new byte[to.capacity()];
to.get(bs);
to.flip();
return toObject(bs);
}
}

接下来，定义一个 ConcurrentDirectHashMap实现Map接口。它是一个范性，支持将 V 转换成 ByteBuffer 类型，存储到 ConcurrentDirectHashMap 的 map 中。

public abstract class ConcurrentDirectHashMap<K, V> implements Map<K, V> {
final private Map<K, ByteBuffer> map;
private final DirectBufferConverter<V> converter = new DirectBufferConverter<V>() {
@Override
public byte[] toBytes(V value) {
return convertObjectToBytes(value);
}
@Override
public V toObject(byte[] value) {
return convertBytesToObject(value);
}
};
ConcurrentDirectHashMap() {
map = new ConcurrentHashMap<>();
}
ConcurrentDirectHashMap(Map<K, V> m) {
map = new ConcurrentHashMap<>();
for (Entry<K, V> entry : m.entrySet()) {
K key = entry.getKey();
ByteBuffer val = converter.to(entry.getValue());
map.put(key, val);
}
}
protected abstract byte[] convertObjectToBytes(V value);
protected abstract V convertBytesToObject(byte[] value);
@Override
public int size() {
return map.size();
}
@Override
public boolean isEmpty() {
return map.isEmpty();
}
@Override
public boolean containsKey(Object key) {
return map.containsKey(key);
}
@Override
public V get(Object key) {
final ByteBuffer byteBuffer = map.get(key);
return converter.from(byteBuffer);
}
@Override
public V put(K key, V value) {
final ByteBuffer byteBuffer = map.put(key, converter.to(value));
converter.dispose(byteBuffer);
return converter.from(byteBuffer);
}
@Override
public V remove(Object key) {
final ByteBuffer byteBuffer = map.remove(key);
final V value = converter.from(byteBuffer);
converter.dispose(byteBuffer);
return value;
}
@Override
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
for (Entry<? extends K, ? extends V> entry : m.entrySet()) {
ByteBuffer byteBuffer = converter.to(entry.getValue());
map.put(entry.getKey(), byteBuffer);
}
}
@Override
public void clear() {
final Set<K> keys = map.keySet();
for (K key : keys) {
map.remove(key);
}
}
@Override
public Set<K> keySet() {
return map.keySet();
}
@Override
public Collection<V> values() {
Collection<V> values = new ArrayList<>();
for (ByteBuffer byteBuffer : map.values())
{
V value = converter.from(byteBuffer);
values.add(value);
}
return values;
}
@Override
public Set<Entry<K, V>> entrySet() {
Set<Entry<K, V>> entries = new HashSet<>();
for (Entry<K, ByteBuffer> entry : map.entrySet()) {
K key = entry.getKey();
V value = converter.from(entry.getValue());
entries.add(new Entry<K, V>() {
@Override
public K getKey() {
return key;
}
@Override
public V getValue() {
return value;
}
@Override
public V setValue(V v) {
return null;
}
});
}
return entries;
}
@Override
public boolean containsValue(Object value) {
for (ByteBuffer v : map.values()) {
if (v.equals(value)) {
return true;
}
}
return false;
}
}

创建 ConcurrentStringObjectDirectHashMap，它的 K 是 String 类型，V 是任意的 Object 对象。其中，序列化和反序列化采用《Java 字节的常用封装》提到的 bytekit。

public class ConcurrentStringObjectDirectHashMap extends ConcurrentDirectHashMap<String,Object> {
@Override
protected byte[] convertObjectToBytes(Object value) {
return Bytes.serialize(value);
}
@Override
protected Object convertBytesToObject(byte[] value) {
return Bytes.deserialize(value);
}
}

基于 FIFO 以及堆外内存来实现 Memory 级别的缓存。

public class DirectBufferMemoryImpl extends AbstractMemoryImpl {
private ConcurrentStringObjectDirectHashMap cache;
private List<String> keys;
public DirectBufferMemoryImpl(long maxSize) {
super(maxSize);
cache = new ConcurrentStringObjectDirectHashMap();
this.keys = new LinkedList<>();
}
@Override
public <T> Record<T> getIfPresent(String key) {
T result = null;
if(expireTimeMap.get(key)!=null) {
if (expireTimeMap.get(key)<0) { // 缓存的数据从不过期
result = (T) cache.get(key);
} else {
if (timestampMap.get(key) + expireTimeMap.get(key) > System.currentTimeMillis()) { // 缓存的数据还没有过期
result = (T) cache.get(key);
} else { // 缓存的数据已经过期
evict(key);
}
}
}
return result != null ? new Record<>(Source.MEMORY,key, result, timestampMap.get(key),expireTimeMap.get(key)) : null;
}
@Override
public <T> void put(String key, T value) {
put(key,value, Constant.NEVER_EXPIRE);
}
@Override
public <T> void put(String key, T value, long expireTime) {
if (keySet().size()<maxSize) { // 缓存还有空间
saveValue(key,value,expireTime);
} else { // 缓存空间不足，需要删除一个
if (containsKey(key)) {
keys.remove(key);
saveValue(key,value,expireTime);
} else {
String oldKey = keys.get(0); // 最早缓存的key
evict(oldKey); // 删除最早缓存的数据 FIFO算法
saveValue(key,value,expireTime);
}
}
}
private <T> void saveValue(String key, T value, long expireTime) {
cache.put(key,value);
timestampMap.put(key,System.currentTimeMillis());
expireTimeMap.put(key,expireTime);
keys.add(key);
}
@Override
public Set<String> keySet() {
return cache.keySet();
}
@Override
public boolean containsKey(String key) {
return cache.containsKey(key);
}
@Override
public void evict(String key) {
cache.remove(key);
timestampMap.remove(key);
expireTimeMap.remove(key);
keys.remove(key);
}
@Override
public void evictAll() {
cache.clear();
timestampMap.clear();
expireTimeMap.clear();
keys.clear();
}
}