JVM技术专题 深入分析回顾堆外内存使用和分析「分析篇」

Posted 2022-11-29 浩宇の天尚

堆外内存

堆外内存，其实就是不受JVM控制的内存。简单来说，除了堆栈内存，剩下的就都是堆外内存了（当然，这是从Java运行时内存的角度来看），堆外内存直接受操作系统管理，而不是虚拟机。而使用堆外内存的原因，

相比于堆内内存有几个优势：

1. 减少了垃圾回收的工作，因为垃圾回收会暂停其他的工作（可能使用多线程或者时间片的方式，根本感觉不到）

堆外内存是直接受操作系统管理的，而不是JVM，因此使用堆外内存的话，就可以保持一个比较小的堆内内存，减少垃圾回收对程序性能的影响。

2. 就是提高IO操作的效率！这里就涉及用户态与内核态，以及内核缓冲区的概念，如果从堆内向磁盘写数据，数据会被先复制到堆外内存，即内核缓冲区，然后再由OS写入磁盘，但使用堆外内存的话则可以避免这个复制操作。

堆内内存其实就是用户进程的【进程缓冲区】，属于用户态；堆外内存由操作系统管理【内核缓冲区】，属于内核态。

自然也有不好的一面：

1. 堆外内存难以控制，如果内存泄漏，那么很难排查

2. 堆外内存相对来说，不适合存储很复杂的对象。一般简单的对象或者扁平化的比较适合。

3. 因为是操作系统的内存机制，所以需要通过本地方法进行分配，较为复杂和缓慢

直接内存使用

1. 堆外内存通过java.nio的ByteBuffer来创建，调用allocateDirect方法申请即可。

2. 可以通过设置-XX:MaxDirectMemorySize=10M控制堆外内存的大小。

堆外内存的垃圾回收

1. 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！Full GC，一般发生在年老代垃圾回收以及调用System.gc的时候，这样肯定不能满足我们的需求！

2. 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。

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); 
   

零拷贝

1. 用户进程需要像磁盘写数据时，需要将用户缓冲区（进程缓冲区）堆内内存中的内容拷贝到内核缓冲区（堆外内存）中，操作系统调度内核再将内核缓冲区中的内容写进磁盘中。

2. 通过在用户进程中，直接申请堆外内存，存储其需要写进磁盘的数据，就能够省掉上述拷贝操作。

实现方式

Java提供了一些使用堆外内存以及【DMA】的方法，能够在很大程度上优化用户进程的IO效率。这里，给出一份拷贝文件的代码，分别使用BIO、NIO和使用堆外内存的NIO进行文件复制，简单对比其耗时。

使用一个200MB左右的pdf文件进行拷贝操作，你可以另外指定更大的文件，文件越大对比越明显。这里我运行出来的延时，BIO的平均耗时1500ms上下，NIO耗时120ms左右， 使用堆外内存的NIO耗时100ms上下。

package top.jiangnanmax.nio;
import java.io.*;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class CopyCompare 
 
    public static void main(String[] args) throws Exception 
        String inputFile = "/tmp/nio/input/HyperLedger.pdf";
        String outputFile = "/tmp/nio/output/HyperLedger.pdf";
 
        long start = System.currentTimeMillis();
 
        nioCopyByDirectMem(inputFile, outputFile);
 
        long end = System.currentTimeMillis();
 
        System.out.println("cost time: " + (end - start) + " ms");
 
        deleteFile(outputFile);
    
 
    /**
     * 使用传统IO进行文件复制
     *
     * 平均耗时 15** ms
     *
     * @param sourcePath
     * @param destPath
     */
    private static void bioCopy(String sourcePath, String destPath) throws Exception 
        File sourceFile = new File(sourcePath);
        File destFile = new File(destPath);
        if (!destFile.exists()) 
            destFile.createNewFile();
        
 
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream(sourceFile);
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(destFile);
 
        byte[] buffer = new byte[512];
        int lenRead;
 
        while ((lenRead = inputStream.read(buffer)) != -1) 
            outputStream.write(buffer, 0, lenRead);
        
 
        inputStream.close();
        outputStream.close();
    
 
    /**
     * 使用NIO进行文件复制，但不使用堆外内存
     * 平均耗时 1** ms, 比BIO直接快了一个数量级？？？
     * @param sourcePath
     * @param destPath
     */
    private static void nioCopy(String sourcePath, String destPath) throws Exception 
        File sourceFile = new File(sourcePath);
        File destFile = new File(destPath);
        if (!destFile.exists()) 
            destFile.createNewFile();
        
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream(sourceFile);
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(destFile);
        FileChannel inputChannel = inputStream.getChannel();
        FileChannel outputChannel = outputStream.getChannel();
        // transferFrom底层调用的应该是sendfile
        // 直接在两个文件描述符之间进行了数据传输
        // DMA
        outputChannel.transferFrom(inputChannel, 0, inputChannel.size());
        inputChannel.close();
        outputChannel.close();
        inputStream.close();
        outputStream.close();
    
    /**
     * 使用NIO进行文件复制，并使用堆外内存
     * 平均耗时100ms上下，比没使用堆外内存的NIO快一点
     * @param sourcePath
     * @param destPath
     */
    private static void nioCopyByDirectMem(String sourcePath, String destPath) throws Exception 
        File sourceFile = new File(sourcePath);
        File destFile = new File(destPath);
        if (!destFile.exists()) 
            destFile.createNewFile();
        
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream(sourceFile);
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(destFile);
        FileChannel inputChannel = inputStream.getChannel();
        FileChannel outputChannel = outputStream.getChannel();
        MappedByteBuffer buffer = inputChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, inputChannel.size());
        outputChannel.write(buffer);
        inputChannel.close();
        outputChannel.close();
        inputStream.close();
        outputStream.close();
 
    
 
    /**
     * 删除目标文件
     *
     * @param target
     */
    private static void deleteFile(String target) 
        File file = new File(target);
        file.delete();