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使用堆外内存

2022-07-15 23:00:00 【四火】

有时候对内存进行大对象的读写，会引起 JVM 长时间的停顿，有时候则是希望最大程度地提高 JVM 的效率，我们需要自己来管理内存（看起来很像是 Java 像 C++祖宗的妥协吧）。据我所知，很多缓存框架都会使用它，比如我以前使用过的 EhCache（给它包装了个酷一点的名字，叫 BigMemory），以及现在项目中的 Memcached。在 nio 以前，是没有光明正大的做法的，有一个 work around 的办法是直接访问 Unsafe 类。如果你使用 Eclipse，默认是不允许访问 sun.misc 下面的类的，你需要稍微修改一下，给 Type Access Rules 里面添加一条所有类都可以访问的规则：

在使用 Unsafe 类的时候：

Unsafe f = Unsafe.getUnsafe();

发现还是被拒绝了，抛出异常：

java.lang.SecurityException: Unsafe

正如 Unsafe 的类注释中写道：

Although the class and all methods are public, use of this class is limited because only trusted code can obtain instances of it.

于是，只能无耻地使用反射来做这件事；

Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
Unsafe us = (Unsafe) f.get(null);
long id = us.allocateMemory(1000);

其中，allocateMemory 返回一个指针，并且其中的数据是未初始化的。如果要释放这部分内存的话，需要调用 freeMemory 或者 reallocateMemory 方法。Unsafe 对象提供了一系列 put/get 方法，例如 putByte，但是只能一个一个 byte 地 put，我不知道这样会不会影响效率，为什么不提供一个 putByteArray 的方法呢？

从 nio 时代开始，可以使用 ByteBuffer 等类来操纵堆外内存了：

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

千万要注意的是，如果你要使用 direct buffer，一定不要加上 DisableExplicitGC 这个参数，因为这个参数会把你的 System.gc() 视作空语句，最后很容易导致 OOM。

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。

对于堆外内存的使用率，可以使用 rednaxelafx 做的一个工具来查看：链接。

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：