一文了解off-heap堆外内存及性能优化

导读

今天给大家聊一个很有意思的知识，就是 off-heap 堆外内存，平时出去面试，或者研究一些技术的时候，经常可能会遇到 off-heap 堆外内存这个东西，但是很多人可能还不知道 off-heap 堆外内存到底是什么，所以今天就给大家来深入的分析一下。

正文

on-heap 堆内内存是什么？

要说这个 off-heap 堆外内存，就得先说 on-heap 也就是堆内内存，这个 on-heap 堆内内存相信很多人应该都是熟悉的。

那就是咱们平时写好的 Java 系统其实运行起来就是一个 JVM 进程，这个 JVM 进程是有一块内存空间专门给他用的，这块内存空间就是堆内内存。

大概如下图所示：

JVM 堆内存是如何去划分的？

那么这里通常会产生什么问题呢？一般来说没什么大问题，但是如果是遇到要把大量数据缓存在 JVM 堆内存里的时候，就可能会有问题了。

所谓的数据缓存，意思就是说，把很多数据存放在堆内存里，这些数据是要一直用的，所以一般来说不能把他回收掉，所以会导致可能很多数据一直停留在 JVM 的堆内存里。

如下图：

那么下一个问题来了，这个 JVM 里的堆内存是有划分的，一块区域是年轻代，一块区域是老年代，像这种缓存数据，因为是长期存在堆内存里的，所以通常会在年轻代里待一段时间，然后因为没法垃圾回收，给放到老年代里去。

此时如下图：

JVM 堆内存满了后会怎么样？

但是这个老年代里如果放了太多缓存数据以后，就可能会导致他剩余的可用空间就会比较少了，此时可能会导致老年代经常会放一点别的数据就塞满了，一旦塞满了就会触发 JVM 的 Full GC，有一个垃圾回收线程会去回收老年代里的数据。

此时如下图：

可是此时一般来说能回收的也就是除了缓存数据之外的一些空间，哪怕你回收了，但是缓存数据是要一直存在的，所以没法回收掉。

此时会导致每次你回收了一部分剩余空间之后，然后还是剩余了很多缓存数据，此时对于缓存数据来说会一直占据老年代的很大空间。

那么此时必然导致一个现象，那就是老年代会频繁的写一点数据就满了，写一点数据就满了，然后一会儿就得触发一下 Full GC。

每次 Full GC 都会导致 JVM 停止运行，没法处理外部请求，此时对外部来说，就会感觉你的系统性能经常抖动，一会卡一下，一会儿卡一下。

所以往往来说，把很多数据缓存在 JVM 内部，是很可能导致上述现象，就是老年代频繁塞满、频繁触发 Full GC、频繁导致系统停顿没法处理请求。

如下图：

基于堆外内存解决系统 GC 卡顿问题

所以针对这种情况，往往我们的优化手段，就是会把要缓存的数据，从 JVM 堆内存里转移到 offheap 堆外内存里去，那所以问题来了，啥叫做堆外内存呢？

就是顾名思义，不归 JVM 管的内存区域，OS 操作系统负责管理的一部分内存，叫做堆外内存。

所以我们其实可以选择把很多数据直接写入到堆外内存里去，这样的话，就不会占用 JVM 堆中的老年代空间了，也就不会导致老年代频繁塞满，频繁触发 Full GC，导致系统性能频繁抖动了。

如下图：

那既然这个堆外内存这么好，问题来了，他有什么缺点呢？

当然有了，因为如果你用的是 JVM 堆内的内存，你写入了很多数据以后，如果内存满了，此时 JVM 会自动进行垃圾回收，帮你释放掉一些内存空间，他是全自动的。

但是如果你用的是堆外内存，那可没有 JVM 来帮你管理了，此时你必须自己管理那块内存空间。

也就是说，你写入了数据以后，到了需要的时候，你得自己注意把部分内存进行释放，所以这就导致了堆外内存虽然不会导致你的 JVM 频繁 GC，但是他可能会导致你的代码管理难度变高。

如下图：

那么这个堆外内存一般来说我们用 Java 代码是如何申请的呢？

看下面的代码，一般类似 Netty、RocketMQ 等中间件因为就是要管理大量的内存数据，所以都会选择申请一块堆外内存，把数据放在里面，自己进行精细化的管理。

// 定义好要申请的堆外内存的大小，这里是1GB
int memorySize = 1024 * 1024 * 1024;
// 用Java里的ByteBuffer.allocateDirect方法就可以申请一块堆外内存
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(memorySize);
// 把数据写入到堆外内存里去
byte[] bytes = "hello world".getBytes();
byteBuffer.put(bytes);
// 从堆外内存里读取数据
byteBuffer.flip();
byte[] readBytes = new byte[bytes.length];
byteBuffer.get(readBytes, 0, bytes.length);

那大家通过这块代码看到了我们如何申请堆外内存，以及如何往堆外内存里写入数据和如何读取数据之后，现在思考一下，堆外内存我们应该如何进行释放呢？

是这样的，这个堆外内存其实是被 JVM 堆内的一个 ByteBuffer 对象来引用的，所以如果要是 JVM 堆内的 ByteBuffer 对象被回收了，那他关联的堆外内存就会被释放了。

如下图：