Java堆外内存之三：堆外内存回收方法

一、JVM内存的分配及垃圾回收

　　对于JVM的内存规则，应该是老生常谈的东西了，这里我就简单的说下：

　　新生代：一般来说新创建的对象都分配在这里。

　　年老代：经过几次垃圾回收，新生代的对象就会放在年老代里面。年老代中的对象保存的时间更久。

　　永久代：这里面存放的是class相关的信息，一般是不会进行垃圾回收的。

JVM垃圾回收

　　由于JVM会替我们执行垃圾回收，因此开发者根本不需要关心对象的释放。但是如果不了解其中的原委，很容易内存泄漏，只能两眼望天了！

　　垃圾回收，大致可以分为下面几种：

　　Minor GC:当新创建对象，内存空间不够的时候，就会执行这个垃圾回收。由于执行最频繁，因此一般采用复制回收机制。

　　Major GC:清理年老代的内存，这里一般采用的是标记清除+标记整理机制。

　　Full GC:有的说与Major GC差不多，有的说相当于执行minor+major回收，那么我们暂且可以认为Full GC就是全面的垃圾回收吧。

二、堆外内存溢出

从nio时代开始，可以使用ByteBuffer等类来操纵堆外内存了，使用ByteBuffer分配本地内存则非常简单，直接ByteBuffer.allocateDirect(10 * 1024 * 1024)即可，如下：

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）： 

-XX:MaxDirectMemorySize=512m

对于这种direct buffer内存不够的时候会抛出错误： 

java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

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： 

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： 

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。

BTW，如果在执行jmap命令时遇到：

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：

kernel.yama.ptrace_scope = 0

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。

三、堆外内存回收

3.1、ByteBuffer的堆外内存回收

　由前面的文章可知，堆外内存分配很简单，直接ByteBuffer.allocateDirect(10 * 1024 * 1024)即可。很像C语言。在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？在谈到堆外内存优点时提到“可以无限使用到1TB”，既然可以无限使用，那么会不会用爆内存呢？这个是很有可能的...所以堆外内存的垃圾回收也很重要。

由于堆外内存并不直接控制于JVM，因此只能等到full GC的时候才能垃圾回收！（direct buffer归属的的JAVA对象是在堆上且能够被GC回收的，一旦它被回收，JVM将释放direct buffer的堆外空间。前提是没有关闭DisableExplicitGC）

先看一个示例：（堆外内存回收演示）

/**
     * @VM args:-XX:MaxDirectMemorySize=40m -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails
     * -XX:+DisableExplicitGC //增加此参数一会儿就会内存溢出java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
     */
    public static void TestDirectByteBuffer() {
        List<ByteBuffer> list = new ArrayList<ByteBuffer>();
        while(true) {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1 * 1024 * 1024);
            //list.add(buffer);
        }
    }

通过NIO的ByteBuffer使用堆外内存，将堆外内存设置为40M：

场景一：不禁用FullGC下的system.gc

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。

结果省略。

场景二：同时JVM完全忽略系统的GC调用

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。结果如下：

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。

　　从DirectByteBuffer的源码也可以分析出来，ByteBuffer.allocateDirect()会调用Bits.reservedMemory()方法，在该方法中显示调用了System.gc()用户内存回收，如果-XX:+DisableExplicitGC打开，则让System.gc()无效，内存无法有效回收，导致OOM。

     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。

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。

ByteBuffer与Unsafe使用堆外内存在回收时的不同：

Direct ByteBuffer分配出去的直接内存其实也是由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。

GC是如何回收ByteBuffer分配的“直接内存”的，看下面的源码

　　DirectByteBuffer 类有一个内部的静态类 Deallocator，这个类实现了 Runnable 接口并在 run() 方法内释放了内存，源码如下：

 

那这个 Deallocator 线程是哪里调用了呢？这里就用到了 Java 的虚引用（PhantomReference），Java 虚引用允许对象被回收之前做一些清理工作。在 DirectByteBuffer 的构造方法中创建了一个 Cleaner：

cleaner = Cleaner.create(this /* 这个是 DirectByteBuffer 对象的引用 */, 
new Deallocator(address, cap) /* 清理线程 */); 

DirectByteBuffer中Deallocator线程如何创建

 

而 Cleaner 类继承了 PhantomReference 类，并且在自己的 clean() 方法中启动了清理线程，当 DirectByteBuffer 被 GC 之前 cleaner 对象会被放入一个引用队列（ReferenceQueue），JVM 会启动一个低优先级线程扫描这个队列，并且执行 Cleaner 的 clean 方法来做清理工作。

根据上面的源码分析，我们可以想到堆外内存回收的几张方法：

1. Full GC，一般发生在年老代垃圾回收以及调用System.gc的时候，但这样不一顶能满足我们的需求。
2. 调用ByteBuffer的cleaner的clean()，内部还是调用System.gc(),所以一定不要-XX:+DisableExplicitGC

package xing.test;

import java.nio.ByteBuffer;
import sun.nio.ch.DirectBuffer;

public class NonHeapTest {
    public static void clean(final ByteBuffer byteBuffer) {  
        if (byteBuffer.isDirect()) {  
           ((DirectBuffer)byteBuffer).cleaner().clean();  
        }  
  }  
    
    public static void sleep(long i) {  
        try {  
              Thread.sleep(i);  
         }catch(Exception e) {  
              /*skip*/  
         }  
    }  
    public static void main(String []args) throws Exception {  
           ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024 * 200);  
           System.out.println("start");  
           sleep(5000);  
           clean(buffer);//执行垃圾回收
//         System.gc();//执行Full gc进行垃圾回收
           System.out.println("end");  
           sleep(5000);  
    }  
}

这样就能手动的控制回收堆外内存了！其中sun.nio其实是java.nio的内部实现。所以你可能不能通过eclipse的自动排错找到这个包，直接复制

import sun.nio.ch.DirectBuffer;

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。

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。

3.2、正确释放Unsafe分配的堆外内存

        虽然第3种情况的ObjectInHeap存在内存泄露，但是这个类的设计是合理的，它很好的封装了直接内存，这个类的调用者感受不到直接内存的存在。那怎么解决ObjectInHeap中的内存泄露问题呢？可以覆写Object.finalize()，当堆中的对象即将被垃圾回收器释放的时候，会调用该对象的finalize。由于JVM只会帮助我们管理内存资源，不会帮助我们管理数据库连接，文件句柄等资源，所以我们需要在finalize自己释放资源。

import sun.misc.Unsafe;

public class RevisedObjectInHeap
{
	private long address = 0;

	private Unsafe unsafe = GetUsafeInstance.getUnsafeInstance();

	// 让对象占用堆内存,触发[Full GC
	private byte[] bytes = null;

	public RevisedObjectInHeap()
	{
		address = unsafe.allocateMemory(2 * 1024 * 1024);
		bytes = new byte[1024 * 1024];
	}

	@Override
	protected void finalize() throws Throwable
	{
		super.finalize();
		System.out.println("finalize." + bytes.length);
		unsafe.freeMemory(address);
	}

	public static void main(String[] args)
	{
		while (true)
		{
			RevisedObjectInHeap heap = new RevisedObjectInHeap();
			System.out.println("memory address=" + heap.address);
		}
	}

}

我们覆盖了finalize方法，手动释放分配的堆外内存。如果堆中的对象被回收，那么相应的也会释放占用的堆外内存。这里有一点需要注意下：

// 让对象占用堆内存,触发[Full GC
private byte[] bytes = null;

这行代码主要目的是为了触发堆内存的垃圾回收行为，顺带执行对象的finalize释放堆外内存。如果没有这行代码或者是分配的字节数组比较小，程序运行一段时间后还是会报OutOfMemoryError。这是因为每当创建1个RevisedObjectInHeap对象的时候，占用的堆内存很小（就几十个字节左右），但是却需要占用2M的堆外内存。这样堆内存还很充足（这种情况下不会执行堆内存的垃圾回收），但是堆外内存已经不足，所以就不会报OutOfMemoryError。

参考资料

监控使用的directBuffer大小：http://stackoverflow.com/questions/3908520/looking-up-how-much-direct-buffer-memory-is-available-to-java

《应用DirectBuffer提升系统性能》http://www.tbdata.org/archives/801

《Java 的 DirectBuffer 是什么东西？》http://www.simaliu.com/archives/274.html