性能文章>JVM源码分析之堆外内存完全解读>

JVM源码分析之堆外内存完全解读原创

3年前
1392119

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:
image.png
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
image.png
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()
image.png
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
image.png
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):
image.png
特别提醒一下-Dsun.nio.MaxDirectMemorySize这个系统属性指定了会没有效果,最终会被JVM里的设置覆盖掉,如果我们没有指定-XX:MaxDirectMemorySize参数,那么最大堆外内存的值来自于directMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory(),这是一个native方法
image.png
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
image.png

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:
image.png
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
image.png
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。

点赞收藏
你假笨

通过创新的技术肯定可以让这个世界变得更美好,让我们为技术而狂吧

请先登录,查看1条精彩评论吧
快去登录吧,你将获得
  • 浏览更多精彩评论
  • 和开发者讨论交流,共同进步

为你推荐

【全网首发】一次想不到的 Bootstrap 类加载器带来的 Native 内存泄露分析

【全网首发】一次想不到的 Bootstrap 类加载器带来的 Native 内存泄露分析

记一次线上RPC超时故障排查及后续GC调优思路

记一次线上RPC超时故障排查及后续GC调优思路

解读JVM级别本地缓存Caffeine青出于蓝的要诀 —— 缘何会更强、如何去上手

解读JVM级别本地缓存Caffeine青出于蓝的要诀 —— 缘何会更强、如何去上手

【全网首发】一次疑似 JVM Native 内存泄露的问题分析

【全网首发】一次疑似 JVM Native 内存泄露的问题分析

解读JVM级别本地缓存Caffeine青出于蓝的要诀2 —— 弄清楚Caffeine的同步、异步回源方式

解读JVM级别本地缓存Caffeine青出于蓝的要诀2 —— 弄清楚Caffeine的同步、异步回源方式

【全网首发】从源码角度分析一次诡异的类被加载问题

【全网首发】从源码角度分析一次诡异的类被加载问题

9
1