堆外内存 之 DirectByteBuffer 详解

堆外内存

堆外内存是相对于堆内内存的一个概念。堆内内存是由JVM所管控的Java进程内存，我们平时在Java中创建的对象都处于堆内内存中，并且它们遵循JVM的内存管理机制，JVM会采用垃圾回收机制统一管理它们的内存。那么堆外内存就是存在于JVM管控之外的一块内存区域，因此它是不受JVM的管控。

在讲解DirectByteBuffer之前，需要先简单了解两个知识点

java引用类型，因为DirectByteBuffer是通过虚引用(Phantom Reference)来实现堆外内存的释放的。

PhantomReference 是所有“弱引用”中最弱的引用类型。不同于软引用和弱引用，虚引用无法通过 get() 方法来取得目标对象的强引用从而使用目标对象，观察源码可以发现 get() 被重写为永远返回 null。
那虚引用到底有什么作用？其实虚引用主要被用来 跟踪对象被垃圾回收的状态，通过查看引用队列中是否包含对象所对应的虚引用来判断它是否 即将被垃圾回收，从而采取行动。它并不被期待用来取得目标对象的引用，而目标对象被回收前，它的引用会被放入一个 ReferenceQueue 对象中，从而达到跟踪对象垃圾回收的作用。
关于java引用类型的实现和原理可以阅读之前的文章Reference 、ReferenceQueue 详解 和Java 引用类型简述

关于linux的内核态和用户态

• 内核态：控制计算机的硬件资源，并提供上层应用程序运行的环境。比如socket I/0操作或者文件的读写操作等
• 用户态：上层应用程序的活动空间，应用程序的执行必须依托于内核提供的资源。
• 系统调用：为了使上层应用能够访问到这些资源，内核为上层应用提供访问的接口。

因此我们可以得知当我们通过JNI调用的native方法实际上就是从用户态切换到了内核态的一种方式。并且通过该系统调用使用操作系统所提供的功能。

Q：为什么需要用户进程(位于用户态中)要通过系统调用(Java中即使JNI)来调用内核态中的资源，或者说调用操作系统的服务了？
A：intel cpu提供Ring0-Ring3四种级别的运行模式，Ring0级别最高，Ring3最低。Linux使用了Ring3级别运行用户态，Ring0作为内核态。Ring3状态不能访问Ring0的地址空间，包括代码和数据。因此用户态是没有权限去操作内核态的资源的，它只能通过系统调用外完成用户态到内核态的切换，然后在完成相关操作后再有内核态切换回用户态。

DirectByteBuffer ———— 直接缓冲

DirectByteBuffer是Java用于实现堆外内存的一个重要类，我们可以通过该类实现堆外内存的创建、使用和销毁。

DirectByteBuffer该类本身还是位于Java内存模型的堆中。堆内内存是JVM可以直接管控、操纵。
而DirectByteBuffer中的unsafe.allocateMemory(size);是个一个native方法，这个方法分配的是堆外内存，通过C的malloc来进行分配的。分配的内存是系统本地的内存，并不在Java的内存中，也不属于JVM管控范围，所以在DirectByteBuffer一定会存在某种方式来操纵堆外内存。
在DirectByteBuffer的父类Buffer中有个address属性：

    // Used only by direct buffers
    // NOTE: hoisted here for speed in JNI GetDirectBufferAddress
    long address;

address只会被直接缓存给使用到。之所以将address属性升级放在Buffer中，是为了在JNI调用GetDirectBufferAddress时提升它调用的速率。
address表示分配的堆外内存的地址。

unsafe.allocateMemory(size);分配完堆外内存后就会返回分配的堆外内存基地址，并将这个地址赋值给了address属性。这样我们后面通过JNI对这个堆外内存操作时都是通过这个address来实现的了。

在前面我们说过，在linux中内核态的权限是最高的，那么在内核态的场景下，操作系统是可以访问任何一个内存区域的，所以操作系统是可以访问到Java堆的这个内存区域的。
Q：那为什么操作系统不直接访问Java堆内的内存区域了？
A：这是因为JNI方法访问的内存区域是一个已经确定了的内存区域地质，那么该内存地址指向的是Java堆内内存的话，那么如果在操作系统正在访问这个内存地址的时候，Java在这个时候进行了GC操作，而GC操作会涉及到数据的移动操作[GC经常会进行先标志在压缩的操作。即，将可回收的空间做标志，然后清空标志位置的内存，然后会进行一个压缩，压缩就会涉及到对象的移动，移动的目的是为了腾出一块更加完整、连续的内存空间，以容纳更大的新对象]，数据的移动会使JNI调用的数据错乱。所以JNI调用的内存是不能进行GC操作的。

Q：如上面所说，JNI调用的内存是不能进行GC操作的，那该如何解决了？
A：①堆内内存与堆外内存之间数据拷贝的方式(并且在将堆内内存拷贝到堆外内存的过程JVM会保证不会进行GC操作)：比如我们要完成一个从文件中读数据到堆内内存的操作，即FileChannelImpl.read(HeapByteBuffer)。这里实际上File I/O会将数据读到堆外内存中，然后堆外内存再讲数据拷贝到堆内内存，这样我们就读到了文件中的内存。

    static int read(FileDescriptor var0, ByteBuffer var1, long var2, NativeDispatcher var4) throws IOException {
        if (var1.isReadOnly()) {
            throw new IllegalArgumentException("Read-only buffer");
        } else if (var1 instanceof DirectBuffer) {
            return readIntoNativeBuffer(var0, var1, var2, var4);
        } else {
            // 分配临时的堆外内存
            ByteBuffer var5 = Util.getTemporaryDirectBuffer(var1.remaining());

            int var7;
            try {
                // File I/O 操作会将数据读入到堆外内存中
                int var6 = readIntoNativeBuffer(var0, var5, var2, var4);
                var5.flip();
                if (var6 > 0) {
                    // 将堆外内存的数据拷贝到堆外内存中
                    var1.put(var5);
                }

                var7 = var6;
            } finally {
                // 里面会调用DirectBuffer.cleaner().clean()来释放临时的堆外内存
                Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(var5);
            }

            return var7;
        }
    }

而写操作则反之，我们会将堆内内存的数据线写到对堆外内存中，然后操作系统会将堆外内存的数据写入到文件中。
② 直接使用堆外内存，如DirectByteBuffer：这种方式是直接在堆外分配一个内存(即，native memory)来存储数据，程序通过JNI直接将数据读/写到堆外内存中。因为数据直接写入到了堆外内存中，所以这种方式就不会再在JVM管控的堆内再分配内存来存储数据了，也就不存在堆内内存和堆外内存数据拷贝的操作了。这样在进行I/O操作时，只需要将这个堆外内存地址传给JNI的I/O的函数就好了。

DirectByteBuffer堆外内存的创建和回收的源码解读

堆外内存分配

    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));
        // 保留总分配内存(按页分配)的大小和实际内存的大小
        Bits.reserveMemory(size, cap);

        long base = 0;
        try {
            // 通过unsafe.allocateMemory分配堆外内存，并返回堆外内存的基地址
            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;
        }
        // 构建Cleaner对象用于跟踪DirectByteBuffer对象的垃圾回收，以实现当DirectByteBuffer被垃圾回收时，堆外内存也会被释放
        cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
        att = null;
    }

Bits.reserveMemory(size, cap) 方法

    static void reserveMemory(long size, int cap) {

        if (!memoryLimitSet && VM.isBooted()) {
            maxMemory = VM.maxDirectMemory();
            memoryLimitSet = true;
        }

        // optimist!
        if (tryReserveMemory(size, cap)) {
            return;
        }

        final JavaLangRefAccess jlra = SharedSecrets.getJavaLangRefAccess();

        // retry while helping enqueue pending Reference objects
        // which includes executing pending Cleaner(s) which includes
        // Cleaner(s) that free direct buffer memory
        while (jlra.tryHandlePendingReference()) {
            if (tryReserveMemory(size, cap)) {
                return;
            }
        }

        // trigger VM's Reference processing
        System.gc();

        // a retry loop with exponential back-off delays
        // (this gives VM some time to do it's job)
        boolean interrupted = false;
        try {
            long sleepTime = 1;
            int sleeps = 0;
            while (true) {
                if (tryReserveMemory(size, cap)) {
                    return;
                }
                if (sleeps >= MAX_SLEEPS) {
                    break;
                }
                if (!jlra.tryHandlePendingReference()) {
                    try {
                        Thread.sleep(sleepTime);
                        sleepTime <<= 1;
                        sleeps++;
                    } catch (InterruptedException e) {
                        interrupted = true;
                    }
                }
            }

            // no luck
            throw new OutOfMemoryError("Direct buffer memory");

        } finally {
            if (interrupted) {
                // don't swallow interrupts
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
    }

该方法用于在系统中保存总分配内存(按页分配)的大小和实际内存的大小。

其中，如果系统中内存( 即，堆外内存 )不够的话：

        final JavaLangRefAccess jlra = SharedSecrets.getJavaLangRefAccess();

        // retry while helping enqueue pending Reference objects
        // which includes executing pending Cleaner(s) which includes
        // Cleaner(s) that free direct buffer memory
        while (jlra.tryHandlePendingReference()) {
            if (tryReserveMemory(size, cap)) {
                return;
            }
        }

jlra.tryHandlePendingReference()会触发一次非堵塞的Reference#tryHandlePending(false)。该方法会将已经被JVM垃圾回收的DirectBuffer对象的堆外内存释放。
因为在Reference的静态代码块中定义了：

        SharedSecrets.setJavaLangRefAccess(new JavaLangRefAccess() {
            @Override
            public boolean tryHandlePendingReference() {
                return tryHandlePending(false);
            }
        });

如果在进行一次堆外内存资源回收后，还不够进行本次堆外内存分配的话，则

        // trigger VM's Reference processing
        System.gc();

System.gc()会触发一个full gc，当然前提是你没有显示的设置-XX:+DisableExplicitGC来禁用显式GC。并且你需要知道，调用System.gc()并不能够保证full gc马上就能被执行。
所以在后面打代码中，会进行最多9次尝试，看是否有足够的可用堆外内存来分配堆外内存。并且每次尝试之前，都对延迟等待时间，已给JVM足够的时间去完成full gc操作。如果9次尝试后依旧没有足够的可用堆外内存来分配本次堆外内存，则抛出OutOfMemoryError("Direct buffer memory”)异常。

注意，这里之所以用使用full gc的很重要的一个原因是：System.gc()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.
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。( 并且堆外内存多用于生命期中等或较长的对象 )
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 – JVM参数DisableExplicitGC)。

总的来说，Bits.reserveMemory(size, cap)方法在可用堆外内存不足以分配给当前要创建的堆外内存大小时，会实现以下的步骤来尝试完成本次堆外内存的创建：
① 触发一次非堵塞的Reference#tryHandlePending(false)。该方法会将已经被JVM垃圾回收的DirectBuffer对象的堆外内存释放。
② 如果进行一次堆外内存资源回收后，还不够进行本次堆外内存分配的话，则进行 System.gc()。System.gc()会触发一个full gc，但你需要知道，调用System.gc()并不能够保证full gc马上就能被执行。所以在后面打代码中，会进行最多9次尝试，看是否有足够的可用堆外内存来分配堆外内存。并且每次尝试之前，都对延迟等待时间，已给JVM足够的时间去完成full gc操作。
注意，如果你设置了-XX:+DisableExplicitGC，将会禁用显示GC，这会使System.gc()调用无效。
③ 如果9次尝试后依旧没有足够的可用堆外内存来分配本次堆外内存，则抛出OutOfMemoryError("Direct buffer memory”)异常。

那么可用堆外内存到底是多少了？，即默认堆外存内存有多大：
① 如果我们没有通过-XX:MaxDirectMemorySize来指定最大的堆外内存。则👇
② 如果我们没通过-Dsun.nio.MaxDirectMemorySize指定了这个属性，且它不等于-1。则👇
③ 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。

堆外内存回收

Cleaner是PhantomReference的子类，并通过自身的next和prev字段维护的一个双向链表。PhantomReference的作用在于跟踪垃圾回收过程，并不会对对象的垃圾回收过程造成任何的影响。
所以cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap)); 用于对当前构造的DirectByteBuffer对象的垃圾回收过程进行跟踪。
当DirectByteBuffer对象从pending状态 ——> enqueue状态时，会触发Cleaner的clean()，而Cleaner的clean()的方法会实现通过unsafe对堆外内存的释放。

👆虽然Cleaner不会调用到Reference.clear()，但Cleaner的clean()方法调用了remove(this)，即将当前Cleaner从Cleaner链表中移除，这样当clean()执行完后，Cleaner就是一个无引用指向的对象了，也就是可被GC回收的对象。

thunk方法：

通过配置参数的方式来回收堆外内存

同时我们可以通过-XX:MaxDirectMemorySize来指定最大的堆外内存大小，当使用达到了阈值的时候将调用System.gc()来做一次full gc，以此来回收掉没有被使用的堆外内存。

堆外内存那些事

使用堆外内存的原因

• 对垃圾回收停顿的改善
  因为full gc 意味着彻底回收，彻底回收时，垃圾收集器会对所有分配的堆内内存进行完整的扫描，这意味着一个重要的事实——这样一次垃圾收集对Java应用造成的影响，跟堆的大小是成正比的。过大的堆会影响Java应用的性能。如果使用堆外内存的话，堆外内存是直接受操作系统管理( 而不是虚拟机 )。这样做的结果就是能保持一个较小的堆内内存，以减少垃圾收集对应用的影响。
• 在某些场景下可以提升程序I/O操纵的性能。少去了将数据从堆内内存拷贝到堆外内存的步骤。
  
  

什么情况下使用堆外内存

• 堆外内存适用于生命周期中等或较长的对象。( 如果是生命周期较短的对象，在YGC的时候就被回收了，就不存在大内存且生命周期较长的对象在FGC对应用造成的性能影响 )。
• 直接的文件拷贝操作，或者I/O操作。直接使用堆外内存就能少去内存从用户内存拷贝到系统内存的操作，因为I/O操作是系统内核内存和设备间的通信，而不是通过程序直接和外设通信的。
• 同时，还可以使用 池+堆外内存 的组合方式，来对生命周期较短，但涉及到I/O操作的对象进行堆外内存的再使用。( Netty中就使用了该方式 )
  
  

堆外内存 VS 内存池

• 内存池：主要用于两类对象：①生命周期较短，且结构简单的对象，在内存池中重复利用这些对象能增加CPU缓存的命中率，从而提高性能；②加载含有大量重复对象的大片数据，此时使用内存池能减少垃圾回收的时间。
• 堆外内存：它和内存池一样，也能缩短垃圾回收时间，但是它适用的对象和内存池完全相反。内存池往往适用于生命期较短的可变对象，而生命期中等或较长的对象，正是堆外内存要解决的。
  
  

堆外内存的特点

• 对于大内存有良好的伸缩性
• 对垃圾回收停顿的改善可以明显感觉到
• 在进程间可以共享，减少虚拟机间的复制
  
  

堆外内存的一些问题

• 堆外内存回收问题，以及堆外内存的泄漏问题。这个在上面的源码解析已经提到了
• 堆外内存的数据结构问题：堆外内存最大的问题就是你的数据结构变得不那么直观，如果数据结构比较复杂，就要对它进行串行化（serialization），而串行化本身也会影响性能。另一个问题是由于你可以使用更大的内存，你可能开始担心虚拟内存（即硬盘）的速度对你的影响了。
  
  

参考

http://lovestblog.cn/blog/2015/05/12/direct-buffer/
http://www.infoq.com/cn/news/2014/12/external-memory-heap-memory
http://www.jianshu.com/p/85e931636f27
圣思园《并发与Netty》课程