Java堆外内存管理

 

1、JVM可以使用的内存分外2种：堆内存和堆外内存：

堆内存完全由JVM负责分配和释放，如果程序没有缺陷代码导致内存泄露，那么就不会遇到java.lang.OutOfMemoryError这个错误。

使用堆外内存，就是为了能直接分配和释放内存，提高效率。JDK5.0之后，代码中能直接操作本地内存的方式有2种：使用未公开的Unsafe和NIO包下ByteBuffer。

使用ByteBuffer分配本地内存则非常简单，直接ByteBuffer.allocateDirect(10 * 1024 * 1024)即可。

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？

我们一起来看看NIO中提供的ByteBuffer

我们将最大堆外内存设置成40M，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。那么DirectByteBuffer究竟是如何释放堆外内存的？

我们修改下JVM的启动参数，重新运行之前的代码：

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代码中显示调用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。

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。

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。

2、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。

Direct ByteBuffer分配出去的内存其实也是由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。

使用堆外内存与对象池都能减少GC的暂停时间，这是它们唯一的共同点。生命周期短的可变对象，创建开销大，或者生命周期虽长但存在冗余的可变对象都比较适合使用对象池。生命周期适中，或者复杂的对象则比较适合由GC来进行处理。然而，中长生命周期的可变对象就比较棘手了，堆外内存则正是它们的菜。

3、堆外内存的好处是：

(1)可以扩展至更大的内存空间。比如超过1TB甚至比主存还大的空间;

(2)理论上能减少GC暂停时间;

(3)可以在进程间共享，减少JVM间的对象复制，使得JVM的分割部署更容易实现;

(4)它的持久化存储可以支持快速重启，同时还能够在测试环境中重现生产数据

站在系统设计的角度来看，使用堆外内存可以为你的设计提供更多可能。最重要的提升并不在于性能，而是决定性的。