探讨堆外内存的监控与回收

作者: tracy_668 | 来源:发表于2020-12-07 08:37 被阅读0次

探讨堆外内存的监控与回收
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一个诡异的线上问题：线上程序使用了 NIO FileChannel 的堆内内存（HeapByteBuffer）作为缓冲区，读写文件，逻辑可以说相当简单，但根据监控，却发现堆外内存（DirectByteBuffer）飙升，导致了 OutOfMemeory 的异常。

由这个线上问题，引出了这篇文章的主题，主要包括：FileChannel 源码分析，堆外内存监控，堆外内存回收。

问题分析 & 源码分析

根据异常日志的定位，发现的确使用的是 HeapByteBuffer 来进行读写，但却导致堆外内存飙升，随即翻了 FileChannel 的源码，来一探究竟。

FileChannel 使用的是 IOUtil 进行读写操作（本文只分析读的逻辑，写和读的代码逻辑一致，不做重复分析）

//sun.nio.ch.IOUtil#read
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 {
        ByteBuffer var5 = Util.getTemporaryDirectBuffer(var1.remaining());
        int var7;
        try {
            int var6 = readIntoNativeBuffer(var0, var5, var2, var4);
            var5.flip();
            if (var6 > 0) {
                var1.put(var5);
            }
            var7 = var6;
        } finally {
            Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(var5);
        }
        return var7;
    }
}

可以发现当使用 HeapByteBuffer 时，会走到下面这行看似有点疑问的代码分支：

Util.getTemporaryDirectBuffer(var1.remaining());

这个 Util 封装了更为底层的一些 IO 逻辑

package sun.nio.ch;
public class Util {
    private static ThreadLocal<Util.BufferCache> bufferCache;
    
    public static ByteBuffer getTemporaryDirectBuffer(int var0) {
        if (isBufferTooLarge(var0)) {
            return ByteBuffer.allocateDirect(var0);
        } else {
            // FOUCS ON THIS LINE
            Util.BufferCache var1 = (Util.BufferCache)bufferCache.get();
            ByteBuffer var2 = var1.get(var0);
            if (var2 != null) {
                return var2;
            } else {
                if (!var1.isEmpty()) {
                    var2 = var1.removeFirst();
                    free(var2);
                }

                return ByteBuffer.allocateDirect(var0);
            }
        }
    }
}

isBufferTooLarge 这个方法会根据传入 Buffer 的大小决定如何分配堆外内存，如果过大，直接分配大缓冲区；如果不是太大，会使用 bufferCache 这个 ThreadLocal 变量来进行缓存，从而复用（实际上这个数值非常大，几乎不会走进直接分配堆外内存这个分支）。这么看来似乎发现了两个不得了的结论：

使用 HeapByteBuffer 读写都会经过 DirectByteBuffer，写入数据的流转方式其实是：HeapByteBuffer -> DirectByteBuffer -> PageCache -> Disk，读取数据的流转方式正好相反。
使用 HeapByteBuffer 读写会申请一块跟线程绑定的 DirectByteBuffer。这意味着，线程越多，临时 DirectByteBuffer 就越会占用越多的空间。

看到这儿，线上的问题似乎有了一点眉目：很有可能是多线程使用 HeapByteBuffer 写入文件，而额外分配的这块 DirectByteBuffer 导致了内存溢出。

复现问题

为了复现线上的问题，我们使用一个程序，不断开启线程使用堆内内存作为缓冲区进行文件的读取操作，并监控该进程的堆外内存使用情况。

public class ReadByHeapByteBufferTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        File data = new File("/tmp/data.txt");
        FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(data, "rw").getChannel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4 * 1024 * 1024);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Thread.sleep(1000);
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        fileChannel.read(buffer);
                        buffer.clear();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

堆外内存的确开始疯涨了，的确符合我们的预期，堆外缓存和线程绑定，当线程非常多时，即使只使用了 4M 的堆内内存，也可能会造成极大的堆外内存膨胀，在中间发生了一次断崖，推测是线程执行完毕 or GC，导致了内存的释放。

知晓了这一点，相信大家今后使用堆内内存时可能就会更加注意了，我总结了两个注意点：

使用 HeapByteBuffer 还需要经过一次 DirectByteBuffer 的拷贝，在追求极致性能的场景下是可以通过直接复用堆外内存来避免的。
多线程下使用 HeapByteBuffer 进行文件读写，要注意 ThreadLocal<Util.BufferCache> bufferCache 导致的堆外内存膨胀的问题。

问题深究

那大家有没有想过，为什么 JDK 要如此设计？为什么不直接使用堆内内存写入 PageCache 进而落盘呢？为什么一定要经过 DirectByteBuffer 的拷贝呢？

这里其实是在迁就 OpenJDK 里的 HotSpot VM 的一点实现细节。

HotSpot VM 里的 GC 除了 CMS 之外都是要移动对象的，是所谓“compacting GC”。

如果要把一个 Java 里的 byte[] 对象的引用传给 native 代码，让 native 代码直接访问数组的内容的话，就必须要保证 native 代码在访问的时候这个 byte[] 对象不能被移动，也就是要被“pin”（钉）住。

可惜 HotSpot VM 出于一些取舍而决定不实现单个对象层面的 object pinning，要 pin 的话就得暂时禁用 GC——也就等于把整个 Java 堆都给 pin 住。

所以 Oracle/Sun JDK / OpenJDK 的这个地方就用了点绕弯的做法。它假设把 HeapByteBuffer 背后的 byte[] 里的内容拷贝一次是一个时间开销可以接受的操作，同时假设真正的 I/O 可能是一个很慢的操作。

于是它就先把 HeapByteBuffer 背后的 byte[] 的内容拷贝到一个 DirectByteBuffer 背后的 native memory 去，这个拷贝会涉及 sun.misc.Unsafe.copyMemory() 的调用，背后是类似 memcpy() 的实现。这个操作本质上是会在整个拷贝过程中暂时不允许发生 GC 的。

然后数据被拷贝到 native memory 之后就好办了，就去做真正的 I/O，把 DirectByteBuffer 背后的 native memory 地址传给真正做 I/O 的函数。这边就不需要再去访问 Java 对象去读写要做 I/O 的数据了。

总结一下就是：

1.为了方便 GC 的实现，DirectByteBuffer 指向的 native memory 是不受 GC 管辖的

HeapByteBuffer 背后使用的是 byte 数组，其占用的内存不一定是连续的，不太方便 JNI 方法的调用
数组实现在不同 JVM 中可能会不同

Java NIO中，关于DirectBuffer，HeapBuffer的疑问？

DirectBuffer 属于堆外存，那应该还是属于用户内存，而不是内核内存？
FileChannel 的read(ByteBuffer dst)函数,write(ByteBuffer src)函数中，如果传入的参数是HeapBuffer类型,则会临时申请一块DirectBuffer,进行数据拷贝，而不是直接进行数据传输，这是出于什么原因？

Java NIO中的direct buffer（主要是DirectByteBuffer）其实是分两部分的：

Java        |      native
                   |
 DirectByteBuffer  |     malloc'd
 [    address   ] -+-> [   data    ]
                   |

其中 DirectByteBuffer 自身是一个Java对象，在Java堆中；而这个对象中有个long类型字段address，记录着一块调用 malloc() 申请到的native memory。

DirectBuffer 属于堆外存，那应该还是属于用户内存，而不是内核内存？

DirectByteBuffer 自身是（Java）堆内的，它背后真正承载数据的buffer是在（Java）堆外——native memory中的。这是 malloc() 分配出来的内存，是用户态的。

FileChannel 的read(ByteBuffer dst)函数,write(ByteBuffer src)函数中，如果传入的参数是HeapBuffer类型,则会临时申请一块DirectBuffer,进行数据拷贝，而不是直接进行数据传输，这是出于什么原因？

题主看的是OpenJDK的 sun.nio.ch.IOUtil.write(FileDescriptor fd, ByteBuffer src, long position, NativeDispatcher nd) 的实现对不对：



static int write(FileDescriptor fd, ByteBuffer src, long position,
                     NativeDispatcher nd)
        throws IOException
    {
        if (src instanceof DirectBuffer)
            return writeFromNativeBuffer(fd, src, position, nd);

        // Substitute a native buffer
        int pos = src.position();
        int lim = src.limit();
        assert (pos <= lim);
        int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);
        ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(rem);
        try {
            bb.put(src);
            bb.flip();
            // Do not update src until we see how many bytes were written
            src.position(pos);

            int n = writeFromNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
            if (n > 0) {
                // now update src
                src.position(pos + n);
            }
            return n;
        } finally {
            Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
        }
    }

这里其实是在迁就OpenJDK里的HotSpot VM的一点实现细节。

解释在上面...

堆外内存的回收

DirectByteBuffer？既然可以监控堆外内存，那验证堆外内存的回收就变得很容易实现了。

CASE 1：分配 1G 的 DirectByteBuffer，等待用户输入后，复制为 null，之后阻塞持续观察堆外内存变化

public class WriteByDirectByteBufferTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024 * 1024);
        System.in.read();
        buffer = null;
        new CountDownLatch(1).await();
    }
}

结论：变量虽然置为了 null，但内存依旧持续占用。

CASE 2：分配 1G DirectByteBuffer，等待用户输入后，复制为 null，手动触发 GC，之后阻塞持续观察堆外内存变化

public class WriteByDirectByteBufferTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024 * 1024);
        System.in.read();
        buffer = null;
        System.gc();
        new CountDownLatch(1).await();
    }
}

结论：GC 时会触发堆外空闲内存的回收。

CASE 3：分配 1G DirectByteBuffer，等待用户输入后，手动回收堆外内存，之后阻塞持续观察堆外内存变化

public class WriteByDirectByteBufferTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024 * 1024);
        System.in.read();
        ((DirectBuffer) buffer).cleaner().clean();
        new CountDownLatch(1).await();
    }
}

结论：手动回收可以立刻释放堆外内存，不需要等待到 GC 的发生。