JVM源码分析之堆外内存完全解读
原文 http://lovestblog.cn/blog/2015/05/12/direct-buffer/
概述
广义的堆外内存
说到堆外内存，那大家肯定想到堆内内存，这也是我们大家接触最多的，我们在jvm参数里通常设置-Xmx来指定我们的堆的最大值，不过这还不是我们理解的Java堆，-Xmx的值是新生代和老生代的和的最大值，我们在jvm参数里通常还会加一个参数-XX:MaxPermSize来指定持久代的最大值，那么我们认识的Java堆的最大值其实是-Xmx和-XX:MaxPermSize的总和，在分代算法下，新生代，老生代和持久代是连续的虚拟地址，因为它们是一起分配的，那么剩下的都可以认为是堆外内存(广义的)了，这些包括了jvm本身在运行过程中分配的内存，codecache，jni里分配的内存，DirectByteBuffer分配的内存等等
狭义的堆外内存
而作为java开发者，我们常说的堆外内存溢出了，其实是狭义的堆外内存，这个主要是指java.nio.DirectByteBuffer在创建的时候分配内存，我们这篇文章里也主要是讲狭义的堆外内存，因为它和我们平时碰到的问题比较密切
JDK/JVM里DirectByteBuffer的实现
DirectByteBuffer通常用在通信过程中做缓冲池，在mina，netty等nio框架中屡见不鲜，先来看看JDK里的实现：
DirectByteBuffer(int cap) { // package-private super(-1, 0, cap, cap); boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned(); int ps = Bits.pageSize(); long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0)); Bits.reserveMemory(size, cap); long base = 0; try { base = unsafe.allocateMemory(size); } catch (OutOfMemoryError x) { Bits.unreserveMemory(size, cap); throw x; } unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0); if (pa && (base % ps != 0)) { // Round up to page boundary address = base + ps - (base & (ps - 1)); } else { address = base; } cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap)); att = null; } 通过上面的构造函数我们知道，真正的内存分配是使用的Bits.reserveMemory方法
static void reserveMemory(long size, int cap) { synchronized (Bits.class) { if (!memoryLimitSet && VM.isBooted()) { maxMemory = VM.maxDirectMemory(); memoryLimitSet = true; } // -XX:MaxDirectMemorySize limits the total capacity rather than the // actual memory usage, which will differ when buffers are page // aligned. if (cap <= maxMemory - totalCapacity) { reservedMemory += size; totalCapacity += cap; count++; return; } } System.gc(); try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException x) { // Restore interrupt status Thread.currentThread().interrupt(); } synchronized (Bits.class) { if (totalCapacity + cap > maxMemory) throw new OutOfMemoryError("Direct buffer memory"); reservedMemory += size; totalCapacity += cap; count++; } } 通过上面的代码我们知道可以通过-XX:MaxDirectMemorySize来指定最大的堆外内存，那么我们首先引入两个问题
- 堆外内存默认是多大
- 为什么要主动调用System.gc()
堆外内存默认是多大
如果我们没有通过-XX:MaxDirectMemorySize来指定最大的堆外内存，那么默认的最大堆外内存是多少呢，我们还是通过代码来分析
上面的代码里我们看到调用了sun.misc.VM.maxDirectMemory()
private static long directMemory = 64 * 1024 * 1024; // Returns the maximum amount of allocatable direct buffer memory. // The directMemory variable is initialized during system initialization // in the saveAndRemoveProperties method. // public static long maxDirectMemory() { return directMemory; } 看到上面的代码之后是不是误以为默认的最大值是64M？其实不是的，说到这个值得从java.lang.System这个类的初始化说起
/** * Initialize the system class. Called after thread initialization. */ private static void initializeSystemClass() { // VM might invoke JNU_NewStringPlatform() to set those encoding // sensitive properties (user.home, user.name, boot.class.path, etc.) // during "props" initialization, in which it may need access, via // System.getProperty(), to the related system encoding property that // have been initialized (put into "props") at early stage of the // initialization. So make sure the "props" is available at the // very beginning of the initialization and all system properties to // be put into it directly. props = new Properties(); initProperties(props); // initialized by the VM // There are certain system configurations that may be controlled by // VM options such as the maximum amount of direct memory and // Integer cache size used to support the object identity semantics // of autoboxing. Typically, the library will obtain these values // from the properties set by the VM. If the properties are for // internal implementation use only, these properties should be // removed from the system properties. // // See java.lang.Integer.IntegerCache and the // sun.misc.VM.saveAndRemoveProperties method for example. // // Save a private copy of the system properties object that // can only be accessed by the internal implementation. Remove // certain system properties that are not intended for public access. sun.misc.VM.saveAndRemoveProperties(props); ...... sun.misc.VM.booted(); } 上面这个方法在jvm启动的时候对System这个类做初始化的时候执行的，因此执行时间非常早，我们看到里面调用了sun.misc.VM.saveAndRemoveProperties(props):
public static void saveAndRemoveProperties(Properties props) { if (booted) throw new IllegalStateException("System initialization has completed"); savedProps.putAll(props); // Set the maximum amount of direct memory. This value is controlled // by the vm option -XX:MaxDirectMemorySize=<size>. // The maximum amount of allocatable direct buffer memory (in bytes) // from the system property sun.nio.MaxDirectMemorySize set by the VM. // The system property will be removed. String s = (String)props.remove("sun.nio.MaxDirectMemorySize"); if (s != null) { if (s.equals("-1")) { // -XX:MaxDirectMemorySize not given, take default directMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory(); } else { long l = Long.parseLong(s); if (l > -1) directMemory = l; } } // Check if direct buffers should be page aligned s = (String)props.remove("sun.nio.PageAlignDirectMemory"); if ("true".equals(s)) pageAlignDirectMemory = true; // Set a boolean to determine whether ClassLoader.loadClass accepts // array syntax. This value is controlled by the system property // "sun.lang.ClassLoader.allowArraySyntax". s = props.getProperty("sun.lang.ClassLoader.allowArraySyntax"); allowArraySyntax = (s == null ? defaultAllowArraySyntax : Boolean.parseBoolean(s)); // Remove other private system properties // used by java.lang.Integer.IntegerCache props.remove("java.lang.Integer.IntegerCache.high"); // used by java.util.zip.ZipFile props.remove("sun.zip.disableMemoryMapping"); // used by sun.launcher.LauncherHelper props.remove("sun.java.launcher.diag"); } 如果我们通过-Dsun.nio.MaxDirectMemorySize指定了这个属性，只要它不等于-1，那效果和加了-XX:MaxDirectMemorySize一样的，如果两个参数都没指定，那么最大堆外内存的值来自于directMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory()，这是一个native方法
JNIEXPORT jlong JNICALL Java_java_lang_Runtime_maxMemory(JNIEnv *env, jobject this) { return JVM_MaxMemory(); } JVM_ENTRY_NO_ENV(jlong, JVM_MaxMemory(void)) JVMWrapper("JVM_MaxMemory"); size_t n = Universe::heap()->max_capacity(); return convert_size_t_to_jlong(n); JVM_END 其中在我们使用CMS GC的情况下的实现如下，其实是新生代的最大值-一个survivor的大小+老生代的最大值，也就是我们设置的-Xmx的值里除去一个survivor的大小就是默认的堆外内存的大小了
size_t GenCollectedHeap::max_capacity() const { size_t res = 0; for (int i = 0; i < _n_gens; i++) { res += _gens[i]->max_capacity(); } return res; } size_t DefNewGeneration::max_capacity() const { const size_t alignment = GenCollectedHeap::heap()->collector_policy()->min_alignment(); const size_t reserved_bytes = reserved().byte_size(); return reserved_bytes - compute_survivor_size(reserved_bytes, alignment); } size_t Generation::max_capacity() const { return reserved().byte_size(); } 为什么要主动调用System.gc
既然要调用System.gc，那肯定是想通过触发一次gc操作来回收堆外内存，不过我想先说的是堆外内存不会对gc造成什么影响(这里的 System.gc除外)，但是堆外内存的回收其实依赖于我们的gc机制，首先我们要知道在java层面和我们在堆外分配的这块内存关联的只有与之关联的 DirectByteBuffer对象了，它记录了这块内存的基地址以及大小，那么既然和gc也有关，那就是gc能通过操作 DirectByteBuffer对象来间接操作对应的堆外内存了。DirectByteBuffer对象在创建的时候关联了一个 PhantomReference，说到PhantomReference它其实主要是用来跟踪对象何时被回收的，它不能影响gc决策，但是gc过程中如果发现某个对象除了只有PhantomReference引用它之外，并没有其他的地方引用它了，那将会把这个引用放到 java.lang.ref.Reference.pending队列里，在gc完毕的时候通知ReferenceHandler这个守护线程去执行一些后置处理，而DirectByteBuffer关联的PhantomReference是PhantomReference的一个子类，在最终的处理里会通过Unsafe的free接口来释放DirectByteBuffer对应的堆外内存块
JDK里ReferenceHandler的实现：
private static class ReferenceHandler extends Thread { ReferenceHandler(ThreadGroup g, String name) { super(g, name); } public void run() { for (;;) { Reference r; synchronized (lock) { if (pending != null) { r = pending; Reference rn = r.next; pending = (rn == r) ? null : rn; r.next = r; } else { try { lock.wait(); } catch (InterruptedException x) { } continue; } } // Fast path for cleaners if (r instanceof Cleaner) { ((Cleaner)r).clean(); continue; } ReferenceQueue q = r.queue; if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r); } } } 可见如果pending为空的时候，会通过lock.wait()一直等在那里，其中唤醒的动作是在jvm里做的，当gc完成之后会调用如下的方法VM_GC_Operation::doit_epilogue()，在方法末尾会调用lock的notify操作，至于pending队列什么时候将引用放进去的，其实是在gc的引用处理逻辑中放进去的，针对引用的处理后面可以专门写篇文章来介绍
void VM_GC_Operation::doit_epilogue() { assert(Thread::current()->is_Java_thread(), "just checking"); // Release the Heap_lock first. SharedHeap* sh = SharedHeap::heap(); if (sh != NULL) sh->_thread_holds_heap_lock_for_gc = false; Heap_lock->unlock(); release_and_notify_pending_list_lock(); } void VM_GC_Operation::release_and_notify_pending_list_lock() { instanceRefKlass::release_and_notify_pending_list_lock(&_pending_list_basic_lock); } 对于System.gc的实现，之前写了一篇文章来重点介绍， JVM源码分析之SystemGC完全解读 ，它会对新生代的老生代都会进行内存回收，这样会比较彻底地回收DirectByteBuffer对象以及他们关联的堆外内存，我们dump内存发现 DirectByteBuffer对象本身其实是很小的，但是它后面可能关联了一个非常大的堆外内存，因此我们通常称之为『冰山对象』，我们做ygc的时候会将新生代里的不可达的DirectByteBuffer对象及其堆外内存回收了，但是无法对old里的DirectByteBuffer对象及其堆外内存进行回收，这也是我们通常碰到的最大的问题，如果有大量的DirectByteBuffer对象移到了old，但是又一直没有做cms gc或者full gc，而只进行ygc，那么我们的物理内存可能被慢慢耗光，但是我们还不知道发生了什么，因为heap明明剩余的内存还很多(前提是我们禁用了 System.gc)。
为什么要使用堆外内存
DirectByteBuffer在创建的时候会通过Unsafe的native方法来直接使用malloc分配一块内存，这块内存是heap 之外的，那么自然也不会对gc造成什么影响(System.gc除外)，因为gc耗时的操作主要是操作heap之内的对象，对这块内存的操作也是直接通过 Unsafe的native方法来操作的，相当于DirectByteBuffer仅仅是一个壳，还有我们通信过程中如果数据是在Heap里的，最终也还是会copy一份到堆外，然后再进行发送，所以为什么不直接使用堆外内存呢。对于需要频繁操作的内存，并且仅仅是临时存在一会的，都建议使用堆外内存，并且做成缓冲池，不断循环利用这块内存。
为什么不能大面积使用堆外内存
如果我们大面积使用堆外内存并且没有限制，那迟早会导致内存溢出，毕竟程序是跑在一台资源受限的机器上，因为这块内存的回收不是你直接能控制的，当然你可以通过别的一些途径，比如反射，直接使用Unsafe接口等，但是这些务必给你带来了一些烦恼，Java与生俱来的优势被你完全抛弃了—开发不需要关注内存的回收，由gc算法自动去实现。另外上面的gc机制与堆外内存的关系也说了，如果一直触发不了cms gc或者full gc，那么后果可能很严重。