JVM对外内存完全解读

前言

本系列文章都是基于Hotspot/JDK源码，从源码角度来分析我们常见的JVM参数，Java概念以及对应的实现原理及玩法等，希望从根本上来理清Java知识点，我们会不定期地分享这个系列的文章，这些文章可能源于最近碰到的问题，也可能是同学们的提问，甚至有可能是我们突然想到的话题等，如果大家有想了解的方面，也可以和我们团队同学联系，有些东西我们现在可能也不一定清楚，但是我们非常愿意花时间去了解清楚并分享给大家。

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-private

        super(-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 boundary
            address = 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 status
            Thread.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=<size>.
        // 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 default
                directMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();
            } else {
                long l = Long.parseLong(s);
                if (l > -1)
                    directMemory = l;
            }
        }

        // Check if direct buffers should be page aligned
        s = (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.IntegerCache
        props.remove("java.lang.Integer.IntegerCache.high");

        // used by java.util.zip.ZipFile
        props.remove("sun.zip.disableMemoryMapping");

        // used by sun.launcher.LauncherHelper
        props.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 JNICALL
Java_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 cleaners
                if (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。