java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory使用堆外内存[转]

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创建Buffer对象时，可以选择从JVM堆中分配内存，也可以OS本地内存中分配，由于本地缓冲区避免了缓冲区复制，在性能上相对堆缓冲区有一定优势，但同时也存在一些弊端。

两种缓冲区对应的API如下：

• JVM堆缓冲区：ByteBuffer.allocate(size)
• 本地缓冲区：ByteBuffer.allocateDirect(size)

从堆中分配的缓冲区为普通的Java对象，生命周期与普通的Java对象一样，当不再被引用 时，Buffer对象会被回收。而直接缓冲区（DirectBuffer）为本地内存，并不在Java堆中，也不能被JVM垃圾回收。由于直接缓冲区在 JVM里被包装进Java对象DirectByteBuffer中，当它的包装类被垃圾回收时，会调用相应的JNI方法释放本地内存，所以本地内存的释放 也依赖于JVM中DirectByteBuffer对象的回收。

 

由于垃圾回收本身成本较高，一般JVM在堆内存未耗尽时，不会进行垃圾回收操作。我们知道在32位机器上，每个进程的最大可用内存为4G，用户可用 内存在大概为3G左右，如果为堆分配过大的内存时，本地内存可用空间就会相应减少。当我们为堆分配较多的内存时，JVM可能会在相当长的时间内不会进行垃 圾回收操作，从而本地内存不断分配，无法释放，最终导致OutOfMemoryError。

 

由此可见，在使用直接缓冲区之前，需要做出权衡：

1. 堆缓冲区的性能已经相当高，若无必要，使用堆缓冲区足矣。若确实有提升性能的必要时，再考虑使用本地缓冲区。
2. 为JVM分配堆内存时，并不是越大越好，堆内存越大，本地内存就越小，根据具体情况决定，主要针对32位机器，64位机器上不存在该问题。

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使用堆外内存

有时候对内存进行大对象的读写，会引起JVM长时间的停顿，有时候则是希望最大程度地提高JVM的效率，我们需要自己来管理内存（看起来很像是 Java像C++祖宗的妥协吧）。据我所知，很多缓存框架都会使用它，比如我以前使用过的EhCache（给它包装了个酷一点的名字，叫 BigMemory），以及现在项目中的Memcached。在nio以前，是没有光明正大的做法的，有一个work around的办法是直接访问Unsafe类。如果你使用Eclipse，默认是不允许访问sun.misc下面的类的，你需要稍微修改一下，给Type Access Rules里面添加一条所有类都可以访问的规则：

在使用Unsafe类的时候：

1	Unsafe f = Unsafe.getUnsafe();

发现还是被拒绝了，抛出异常：

1	java.lang.SecurityException: Unsafe

正如Unsafe的类注释中写道：

Although the class and all methods are public, use of this class is limited because only trusted code can obtain instances of it.

于是，只能无耻地使用反射来做这件事； 

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Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); f.setAccessible(true); Unsafe us = (Unsafe) f.get(null); long id = us.allocateMemory(1000);

其中，allocateMemory返回一个指针，并且其中的数据是未初始化的。如果要释放这部分内存的话，需要调用freeMemory或者 reallocateMemory方法。Unsafe对象提供了一系列put/get方法，例如putByte，但是只能一个一个byte地put，我不 知道这样会不会影响效率，为什么不提供一个putByteArray的方法呢？

从nio时代开始，可以使用ByteBuffer等类来操纵堆外内存了： 

1	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）： 

1	-XX:MaxDirectMemorySize=512m

对于这种direct buffer内存不够的时候会抛出错误： 

1	java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

千万要注意的是，如果你要使用direct buffer，一定不要加上DisableExplicitGC这个参数，因为这个参数会把你的System.gc()视作空语句，最后很容易导致OOM。

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： 

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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： 

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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。

对于堆外内存的使用率，可以使用rednaxelafx做的一个工具来查看：链接。

BTW，如果在执行jmap命令时遇到：

1	Error attaching to process: sun.jvm.hotspot.debugger.DebuggerException: Can't attach to the process

这个算是JDK的一个bug（链接），只要是依赖于SA（Serviceability Agent）的工具，比如jinfo/jstack/jmap都会存在这个问题，但是Oracle说了“won’t fix”……

Ubuntu 10.10 and newer has a new default security policy that affects Serviceability commands. This policy prevents a process from attaching to another process owned by the same UID if the target process is not a descendant of the attaching process.

不过它也是给了解决方案的，需要修改/etc/sysctl.d/10-ptrace.conf：

1	kernel.yama.ptrace_scope = 0

如果你的操作系统不是Ubuntu，可以升级一下JDK的版本试试，我在RedHat上遇到过这样的问题，升级JDK版本以后解决了。

堆外内存泄露的问题定位通常比较麻烦，可以借助google-perftools这个工具，它可以输出不同方法申请堆外内存的数量。当然，如果你是64位系统，你需要先安装libunwind库。

最后，JDK存在一些direct buffer的bug（比如这个和这个），可能引发OOM，所以也不妨升级JDK的版本看能否解决问题。

 

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