Java堆外内存回收方法

[TOC]

一、JVM内存的分配及垃圾回收

JVM垃圾回收

由于JVM会替我们执行垃圾回收，因此开发者根本不需要关心对象的释放。但是如果不了解其中的原委，很容易内存泄漏，只能两眼望天了！

垃圾回收，大致可以分为下面几种：

Minor GC:当新创建对象，内存空间不够的时候，就会执行这个垃圾回收。由于执行最频繁，因此一般采用复制回收机制。

Major GC:清理年老代的内存，这里一般采用的是标记清除+标记整理机制。

Full GC:有的说与Major GC差不多，有的说相当于执行minor+major回收，那么我们暂且可以认为Full GC就是全面的垃圾回收吧。

二、堆外内存溢出
从nio时代开始，可以使用ByteBuffer等类来操纵堆外内存了，使用ByteBuffer分配本地内存则非常简单，直接ByteBuffer.allocateDirect(10 * 1024 * 1024)即可，如下：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(numBytes);

像Memcached等等很多缓存框架都会使用堆外内存，以提高效率，反复读写，去除它的GC的影响。可以通过指定JVM参数来确定堆外内存大小限制（有的VM默认是无限的，比如JRocket，JVM默认是64M）：

-XX:MaxDirectMemorySize=512m

对于这种direct buffer内存不够的时候会抛出错误：

java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

对于heap的OOM我们可以通过执行jmap -heap来获取堆内内存情况，例如以下输出取自我上周定位的一个问题：

using parallel threads in the new generation.
using thread-local object allocation.
Concurrent Mark-Sweep GC
 
Heap Configuration:
   MinHeapFreeRatio = 40
   MaxHeapFreeRatio = 70
   MaxHeapSize      = 2147483648 (2048.0MB)
   NewSize          = 16777216 (16.0MB)
   MaxNewSize       = 33554432 (32.0MB)
   OldSize          = 50331648 (48.0MB)
   NewRatio         = 7
   SurvivorRatio    = 8
   PermSize         = 16777216 (16.0MB)
   MaxPermSize      = 67108864 (64.0MB)
 
Heap Usage:
New Generation (Eden + 1 Survivor Space):
   capacity = 30212096 (28.8125MB)
   used     = 11911048 (11.359260559082031MB)
   free     = 18301048 (17.45323944091797MB)
   39.42476549789859% used
Eden Space:
   capacity = 26869760 (25.625MB)
   used     = 11576296 (11.040016174316406MB)
   free     = 15293464 (14.584983825683594MB)
   43.08298994855183% used
From Space:
   capacity = 3342336 (3.1875MB)
   used     = 334752 (0.319244384765625MB)
   free     = 3007584 (2.868255615234375MB)
   10.015510110294118% used
To Space:
   capacity = 3342336 (3.1875MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 3342336 (3.1875MB)
   0.0% used
concurrent mark-sweep generation:
   capacity = 2113929216 (2016.0MB)
   used     = 546999648 (521.6595153808594MB)
   free     = 1566929568 (1494.3404846191406MB)
   25.875968024844216% used
Perm Generation:
   capacity = 45715456 (43.59765625MB)
   used     = 27495544 (26.22179412841797MB)
   free     = 18219912 (17.37586212158203MB)
   60.144962788952604% used

可见堆内存都是正常的，重新回到业务日志里寻找异常，发现出现在堆外内存的分配上：

java.lang.OutOfMemoryError
 at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
 at java.nio.DirectByteBuffer.(DirectByteBuffer.java:101)
 at java.nio.ByteBuffer.allocateDirect(ByteBuffer.java:288)
 at com.schooner.MemCached.SchoonerSockIOPool$TCPSockIO.(Unknown Source)

对于这个参数分配过小的情况下造成OOM，不妨执行jmap -histo:live看看（也可以用JConsole之类的外部触发GC），因为它会强制一次full GC，如果堆外内存明显下降，很有可能就是堆外内存过大引起的OOM。

三、堆外内存回收

3.1、ByteBuffer的堆外内存回收
由前面的文章可知，堆外内存分配很简单，直接ByteBuffer.allocateDirect(10 * 1024 * 1024)即可。很像C语言。在C语言的内存分配和释放函数malloc/free，必须要一一对应，否则就会出现内存泄露或者是野指针的非法访问。java中我们需要手动释放获取的堆外内存吗？在谈到堆外内存优点时提到“可以无限使用到1TB”，既然可以无限使用，那么会不会用爆内存呢？这个是很有可能的...所以堆外内存的垃圾回收也很重要。

由于堆外内存并不直接控制于JVM，因此只能等到full GC的时候才能垃圾回收！（direct buffer归属的的JAVA对象是在堆上且能够被GC回收的，一旦它被回收，JVM将释放direct buffer的堆外空间。前提是没有关闭DisableExplicitGC）

先看一个示例：（堆外内存回收演示）

/**
     * @VM args:-XX:MaxDirectMemorySize=40m -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails
     * -XX:+DisableExplicitGC //增加此参数一会儿就会内存溢出java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
     */
    public static void TestDirectByteBuffer() {
        List list = new ArrayList();
        while(true) {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1 * 1024 * 1024);
            //list.add(buffer);
        }
    }

通过NIO的ByteBuffer使用堆外内存，将堆外内存设置为40M：

场景一：不禁用FullGC下的system.gc

运行这段代码会发现：程序可以一直运行下去，不会报OutOfMemoryError。如果使用了-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails，会发现程序频繁的进行垃圾回收活动。

场景二：同时JVM完全忽略系统的GC调用

image.png

与之前的JVM启动参数相比，增加了-XX:+DisableExplicitGC，这个参数作用是禁止显示调用GC。代码如何显示调用GC呢，通过System.gc()函数调用。如果加上了这个JVM启动参数，那么代码中调用System.gc()没有任何效果，相当于是没有这行代码一样。结果如下：

image.png

显然堆内存（包括新生代和老年代）内存很充足，但是堆外内存溢出了。也就是说NIO直接内存的回收，需要依赖于System.gc()。如果我们的应用中使用了java nio中的direct memory，那么使用-XX:+DisableExplicitGC一定要小心，存在潜在的内存泄露风险。

从DirectByteBuffer的源码也可以分析出来，ByteBuffer.allocateDirect()会调用Bits.reservedMemory()方法，在该方法中显示调用了System.gc()用户内存回收，如果-XX:+DisableExplicitGC打开，则让System.gc()无效，内存无法有效回收，导致OOM。

我们知道java代码无法强制JVM何时进行垃圾回收，也就是说垃圾回收这个动作的触发，完全由JVM自己控制，它会挑选合适的时机回收堆内存中的无用java对象。代码中显示调用System.gc()，只是建议JVM进行垃圾回收，但是到底会不会执行垃圾回收是不确定的，可能会进行垃圾回收，也可能不会。什么时候才是合适的时机呢？一般来说是，系统比较空闲的时候（比如JVM中活动的线程很少的时候），还有就是内存不足，不得不进行垃圾回收。我们例子中的根本矛盾在于：堆内存由JVM自己管理，堆外内存必须要由我们自己释放；堆内存的消耗速度远远小于堆外内存的消耗，但要命的是必须先释放堆内存中的对象，才能释放堆外内存，但是我们又不能强制JVM释放堆内存。

Direct Memory的回收机制：Direct Memory是受GC控制的，例如ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(1024)，这段代码的执行会在堆外占用1k的内存，Java堆内只会占用一个对象的指针引用的大小，堆外的这1k的空间只有当bb对象被回收时，才会被回收，这里会发现一个明显的不对称现象，就是堆外可能占用了很多，而堆内没占用多少，导致还没触发GC，那就很容易出现Direct Memory造成物理内存耗光。

ByteBuffer与Unsafe使用堆外内存在回收时的不同：

Direct ByteBuffer分配出去的直接内存其实也是由GC负责回收的，而不像Unsafe是完全自行管理的，Hotspot在GC时会扫描Direct ByteBuffer对象是否有引用，如没有则同时也会回收其占用的堆外内存。

GC是如何回收ByteBuffer分配的“直接内存”的，看下面的源码

DirectByteBuffer 类有一个内部的静态类 Deallocator，这个类实现了 Runnable 接口并在 run() 方法内释放了内存，源码如下：

image.png

那这个 Deallocator 线程是哪里调用了呢？这里就用到了 Java 的虚引用（PhantomReference），Java 虚引用允许对象被回收之前做一些清理工作。在 DirectByteBuffer 的构造方法中创建了一个 Cleaner：

cleaner = Cleaner.create(this /* 这个是 DirectByteBuffer 对象的引用 */, 
new Deallocator(address, cap) /* 清理线程 */)

DirectByteBuffer中Deallocator线程如何创建

image.png

而 Cleaner 类继承了 PhantomReference 类，并且在自己的 clean() 方法中启动了清理线程，当 DirectByteBuffer 被 GC 之前 cleaner 对象会被放入一个引用队列（ReferenceQueue），JVM 会启动一个低优先级线程扫描这个队列，并且执行 Cleaner 的 clean 方法来做清理工作。

根据上面的源码分析，我们可以想到堆外内存回收的几张方法：

Full GC，一般发生在年老代垃圾回收以及调用System.gc的时候，但这样不一顶能满足我们的需求。
调用ByteBuffer的cleaner的clean()，内部还是调用System.gc(),所以一定不要-XX:+DisableExplicitGC

package xing.test;

import java.nio.ByteBuffer;
import sun.nio.ch.DirectBuffer;

public class NonHeapTest {
    public static void clean(final ByteBuffer byteBuffer) {  
        if (byteBuffer.isDirect()) {  
           ((DirectBuffer)byteBuffer).cleaner().clean();  
        }  
  }  
    
    public static void sleep(long i) {  
        try {  
              Thread.sleep(i);  
         }catch(Exception e) {  
              /*skip*/  
         }  
    }  
    public static void main(String []args) throws Exception {  
           ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024 * 200);  
           System.out.println("start");  
           sleep(5000);  
           clean(buffer);//执行垃圾回收
//         System.gc();//执行Full gc进行垃圾回收
           System.out.println("end");  
           sleep(5000);  
    }  
}

Java堆外内存回收方法

一、JVM内存的分配及垃圾回收

三、堆外内存回收

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