JVM堆外内存源码完全解读分析 JVM堆外内存源码完全解读分析

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-privatesuper(-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 boundaryaddress = 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 statusThread.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=.// 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 defaultdirectMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory(); } else {long l = Long.parseLong(s); if (l > -1)directMemory = l; }}// Check if direct buffers should be page aligneds = (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.IntegerCacheprops.remove("java.lang.Integer.IntegerCache.high"); // used by java.util.zip.ZipFileprops.remove("sun.zip.disableMemoryMapping"); // used by sun.launcher.LauncherHelperprops.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 JNICALLJava_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 cleanersif (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原理之SystemGC源码分析，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 【JVM堆外内存源码完全解读分析】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。
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