堆外內存的回收機制分析

占小狼
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堆外內存

JVM啟動時分配的內存,稱為堆內存,與之相對的,在代碼中還可以使用堆外內存,比如Netty,廣泛使用了堆外內存,但是這部分的內存并不歸JVM管理,GC算法并不會對它們進行回收,所以在使用堆外內存時,要格外小心,防止內存一直得不到釋放,造成線上故障。

堆外內存的申請和釋放

JDK的ByteBuffer類提供了一個接口allocateDirect(int capacity)進行堆外內存的申請,底層通過unsafe.allocateMemory(size)實現,接下去看看在JVM層面是如何實現的。

可以發現,最底層是通過malloc方法申請的,但是這塊內存需要進行手動釋放,JVM并不會進行回收,幸好Unsafe提供了另一個接口freeMemory可以對申請的堆外內存進行釋放。

堆外內存的回收機制

如果每次申請堆外內存,都需要在代碼中顯示的釋放,對于Java這門語言的設計來說,顯然不夠合理,既然JVM不會管理這些堆外內存,它們是如何回收的呢?

DirectByteBuffer

JDK中使用DirectByteBuffer對象來表示堆外內存,每個DirectByteBuffer對象在初始化時,都會創建一個對用的Cleaner對象,這個Cleaner對象會在合適的時候執行unsafe.freeMemory(address),從而回收這塊堆外內存。

當初始化一塊堆外內存時,對象的引用關系如下:

其中firstCleaner類的靜態變量,Cleaner對象在初始化時會被添加到Clener鏈表中,和first形成引用關系,ReferenceQueue是用來保存需要回收的Cleaner對象。

如果該DirectByteBuffer對象在一次GC中被回收了

此時,只有Cleaner對象唯一保存了堆外內存的數據(開始地址、大小和容量),在下一次FGC時,把該Cleaner對象放入到ReferenceQueue中,并觸發clean方法。

Cleaner對象的clean方法主要有兩個作用:
1、把自身從Clener鏈表刪除,從而在下次GC時能夠被回收
2、釋放堆外內存

public void run() {
    if (address == 0) {
        // Paranoia
        return;
    }
    unsafe.freeMemory(address);
    address = 0;
    Bits.unreserveMemory(size, capacity);
}

如果JVM一直沒有執行FGC的話,無效的Cleaner對象就無法放入到ReferenceQueue中,從而堆外內存也一直得不到釋放,內存豈不是會爆?

其實在初始化DirectByteBuffer對象時,如果當前堆外內存的條件很苛刻時,會主動調用System.gc()強制執行FGC。

不過很多線上環境的JVM參數有-XX:+DisableExplicitGC,導致了System.gc()等于一個空函數,根本不會觸發FGC,這一點在使用Netty框架時需要注意是否會出問題。

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