JVM源碼分析之堆外內(nèi)存完全解讀
概述
廣義的堆外內(nèi)存
說到堆外內(nèi)存，那大家肯定想到堆內(nèi)內(nèi)存，這也是我們大家接觸最多的，我們在jvm參數(shù)里通常設(shè)置-Xmx來指定我們的堆的***值，不過這還不是我們理解的Java堆，-Xmx的值是新生代和老生代的和的***值，我們在jvm參數(shù)里通常還會加一個參數(shù)-XX:MaxPermSize來指定持久代的***值，那么我們認(rèn)識的Java堆的***值其實是-Xmx和-XX:MaxPermSize的總和，在分代算法下，新生代，老生代和持久代是連續(xù)的虛擬地址，因為它們是一起分配的，那么剩下的都可以認(rèn)為是堆外內(nèi)存(廣義的)了，這些包括了jvm本身在運行過程中分配的內(nèi)存，codecache，jni里分配的內(nèi)存，DirectByteBuffer分配的內(nèi)存等等
狹義的堆外內(nèi)存
而作為java開發(fā)者，我們常說的堆外內(nèi)存溢出了，其實是狹義的堆外內(nèi)存，這個主要是指java.nio.DirectByteBuffer在創(chuàng)建的時候分配內(nèi)存，我們這篇文章里也主要是講狹義的堆外內(nèi)存，因為它和我們平時碰到的問題比較密切
JDK/JVM里DirectByteBuffer的實現(xiàn)
DirectByteBuffer通常用在通信過程中做緩沖池，在mina，netty等nio框架中屢見不鮮，先來看看JDK里的實現(xiàn)：
通過上面的構(gòu)造函數(shù)我們知道，真正的內(nèi)存分配是使用的Bits.reserveMemory方法
通過上面的代碼我們知道可以通過-XX:MaxDirectMemorySize來指定***的堆外內(nèi)存，那么我們首先引入兩個問題
堆外內(nèi)存默認(rèn)是多大
為什么要主動調(diào)用System.gc()
- 堆外內(nèi)存默認(rèn)是多大
- 如果我們沒有通過-XX:MaxDirectMemorySize來指定***的堆外內(nèi)存，那么默認(rèn)的***堆外內(nèi)存是多少呢，我們還是通過代碼來分析
上面的代碼里我們看到調(diào)用了sun.misc.VM.maxDirectMemory()
看到上面的代碼之后是不是誤以為默認(rèn)的***值是64M?其實不是的，說到這個值得從java.lang.System這個類的初始化說起
上面這個方法在jvm啟動的時候?qū)ystem這個類做初始化的時候執(zhí)行的，因此執(zhí)行時間非常早，我們看到里面調(diào)用了sun.misc.VM.saveAndRemoveProperties(props):
如果我們通過-Dsun.nio.MaxDirectMemorySize指定了這個屬性，只要它不等于-1，那效果和加了-XX:MaxDirectMemorySize一樣的，如果兩個參數(shù)都沒指定，那么***堆外內(nèi)存的值來自于directMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory()，這是一個native方法
其中在我們使用CMS GC的情況下的實現(xiàn)如下，其實是新生代的***值-一個survivor的大小+老生代的***值，也就是我們設(shè)置的-Xmx的值里除去一個survivor的大小就是默認(rèn)的堆外內(nèi)存的大小了
為什么要主動調(diào)用System.gc
既然要調(diào)用System.gc，那肯定是想通過觸發(fā)一次gc操作來回收堆外內(nèi)存，不過我想先說的是堆外內(nèi)存不會對gc造成什么影響(這里的System.gc除外)，但是堆外內(nèi)存的回收其實依賴于我們的gc機制，首先我們要知道在java層面和我們在堆外分配的這塊內(nèi)存關(guān)聯(lián)的只有與之關(guān)聯(lián)的DirectByteBuffer對象了，它記錄了這塊內(nèi)存的基地址以及大小，那么既然和gc也有關(guān)，那就是gc能通過操作DirectByteBuffer對象來間接操作對應(yīng)的堆外內(nèi)存了。DirectByteBuffer對象在創(chuàng)建的時候關(guān)聯(lián)了一個PhantomReference，說到PhantomReference它其實主要是用來跟蹤對象何時被回收的，它不能影響gc決策，但是gc過程中如果發(fā)現(xiàn)某個對象除了只有PhantomReference引用它之外，并沒有其他的地方引用它了，那將會把這個引用放到j(luò)ava.lang.ref.Reference.pending隊列里，在gc完畢的時候通知ReferenceHandler這個守護線程去執(zhí)行一些后置處理，而DirectByteBuffer關(guān)聯(lián)的PhantomReference是PhantomReference的一個子類，在最終的處理里會通過Unsafe的free接口來釋放DirectByteBuffer對應(yīng)的堆外內(nèi)存塊
JDK里ReferenceHandler的實現(xiàn)：
可見如果pending為空的時候，會通過lock.wait()一直等在那里，其中喚醒的動作是在jvm里做的，當(dāng)gc完成之后會調(diào)用如下的方法VM_GC_Operation::doit_epilogue()，在方法末尾會調(diào)用lock的notify操作，至于pending隊列什么時候?qū)⒁梅胚M去的，其實是在gc的引用處理邏輯中放進去的，針對引用的處理后面可以專門寫篇文章來介紹
對于System.gc的實現(xiàn)，之前寫了一篇文章來重點介紹，JVM源碼分析之SystemGC完全解讀，它會對新生代的老生代都會進行內(nèi)存回收，這樣會比較徹底地回收DirectByteBuffer對象以及他們關(guān)聯(lián)的堆外內(nèi)存，我們dump內(nèi)存發(fā)現(xiàn)DirectByteBuffer對象本身其實是很小的，但是它后面可能關(guān)聯(lián)了一個非常大的堆外內(nèi)存，因此我們通常稱之為『冰山對象』，我們做ygc的時候會將新生代里的不可達的DirectByteBuffer對象及其堆外內(nèi)存回收了，但是無法對old里的DirectByteBuffer對象及其堆外內(nèi)存進行回收，這也是我們通常碰到的***的問題，如果有大量的DirectByteBuffer對象移到了old，但是又一直沒有做cms gc或者full gc，而只進行ygc，那么我們的物理內(nèi)存可能被慢慢耗光，但是我們還不知道發(fā)生了什么，因為heap明明剩余的內(nèi)存還很多(前提是我們禁用了System.gc)。
為什么要使用堆外內(nèi)存
DirectByteBuffer在創(chuàng)建的時候會通過Unsafe的native方法來直接使用malloc分配一塊內(nèi)存，這塊內(nèi)存是heap之外的，那么自然也不會對gc造成什么影響(System.gc除外)，因為gc耗時的操作主要是操作heap之內(nèi)的對象，對這塊內(nèi)存的操作也是直接通過Unsafe的native方法來操作的，相當(dāng)于DirectByteBuffer僅僅是一個殼，還有我們通信過程中如果數(shù)據(jù)是在Heap里的，最終也還是會copy一份到堆外，然后再進行發(fā)送，所以為什么不直接使用堆外內(nèi)存呢。對于需要頻繁操作的內(nèi)存，并且僅僅是臨時存在一會的，都建議使用堆外內(nèi)存，并且做成緩沖池，不斷循環(huán)利用這塊內(nèi)存。
為什么不能大面積使用堆外內(nèi)存
如果我們大面積使用堆外內(nèi)存并且沒有限制，那遲早會導(dǎo)致內(nèi)存溢出，畢竟程序是跑在一臺資源受限的機器上，因為這塊內(nèi)存的回收不是你直接能控制的，當(dāng)然你可以通過別的一些途徑，比如反射，直接使用Unsafe接口等，但是這些務(wù)必給你帶來了一些煩惱，Java與生俱來的優(yōu)勢被你完全拋棄了—開發(fā)不需要關(guān)注內(nèi)存的回收，由gc算法自動去實現(xiàn)。另外上面的gc機制與堆外內(nèi)存的關(guān)系也說了，如果一直觸發(fā)不了cms gc或者full gc，那么后果可能很嚴(yán)重。
【本文是51CTO專欄作者李嘉鵬的原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請通過微信公眾號（你假笨，id:lovestblog）聯(lián)系作者本人獲取授權(quán)】
