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如何通过内存限制排查内存泄漏（一文搞懂堆外内存）

逗爷 285

如何通过内存限制排查内存泄漏（一文搞懂堆外内存）那我就有个问题：为什么使用堆外内存可以减少一次内存拷贝呢？使用堆外内存，有这些好处：堆外内存与堆内内存相对应，对于整个机器内存而言，除堆内内存以外部分即为堆外内存。Java 程序一般使用 -XX:MaxDirectMemorySize 来限制最大堆外内存。还有个问题：堆外内存属于用户空间还是内核空间？ 用户空间。

一、前言

平时编程时，在 Java 中创建对象，实际上是在堆上划分了一块区域，这个区域叫堆内内存。

  • 使用这 -Xms -Xmx 来指定新生代和老年代空间大小的初始值和最大值，这初始值和最大值也被称为 Java 堆的大小，即 堆内内存大小。
  • 这个堆内内存完全受 JVM 管理，JVM 有垃圾回收机制，所以我们一般不必关系对象的内存如何回收。

剖开 JVM 内存模型，来看下其堆划分：

如何通过内存限制排查内存泄漏（一文搞懂堆外内存）(1)

由图可知 Java8 使用元空间替代永久代且元空间放在堆外内存上，这是为啥？

  1. 类的元数据信息常用到，在 GC 时回收效率偏低。
  2. 类的元数据信息比较难以确定其大小，指定太小容易出现永久代溢出、指定太大则容易造成老年代溢出。

那什么是堆外内存？

堆外内存与堆内内存相对应，对于整个机器内存而言，除堆内内存以外部分即为堆外内存。

Java 程序一般使用 -XX:MaxDirectMemorySize 来限制最大堆外内存。

还有个问题：堆外内存属于用户空间还是内核空间？ 用户空间。

（1）为什么需要堆外内存？

使用堆外内存，有这些好处：

  1. 直接使用堆外内存可以减少一次内存拷贝： 当进行网络 I/O 操作、文件读写时，堆内内存都需要转换为堆外内存，然后再与底层设备进行交互。
  2. 降低 JVM GC 对应用程序影响：因为堆外内存不受 JVM 管理。
  3. 堆外内存可以实现进程之间、JVM 多实例之间的数据共享。

那我就有个问题：为什么使用堆外内存可以减少一次内存拷贝呢？

原因：当进行网络 I/O操作或文件读写时，如果使用堆内内存（HeapbyteBuffer），JDK 会先创建一个堆外内存（DirectBuffer），再去执行真正的读写操作。

具体原因是：调用底层系统函数（write、read等），必须要求使用是连续的地址空间。

  1. 操作系统并不感知 JVM 的堆内存，而且 JVM 的内存布局与操作系统所分配的是不一样的，操作系统并不会按照 JVM 的行为来读写数据。
  2. 同一个对象的内存地址随着 JVM GC 的执行可能会随时发生变化，例如 JVM GC 的过程中会通过压缩来减少内存碎片，这就涉及对象移动的问题了。

当然使用堆外内存，有这些弊端：

  1. 排查内存泄漏问题相对困难： 因为堆外内存需要手动释放，不熟悉对应框架源码，可能稍有不慎就会造成应用程序内存泄漏。
  2. 对开发人员的基础技能要求高。

由此可以看出，如果想实现高效的 I/O 操作、缓存常用的对象、降低 JVM GC 压力，堆外内存是一个非常不错的选择。

（2）如何分配堆外内存？

Java 中堆外内存的分配方式有两种：

  1. NIO类中的ByteBuffer#allocateDirect
  2. Unsafe#allocateMemory

首先来看下 Java NIO 包中的 ByteBuffer 类的分配方式，使用方式如下：

// 分配 10M 堆外内存 ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(10 * 1024 * 1024); // 释放堆外内存 ((DirectBuffer) byteBuffer).cleaner().clean();

跟进 ByteBuffer.allocateDirect 源码，发现其中直接调用的 DirectByteBuffer 构造函数：

DirectByteBuffer(int cap) { super(-1 0 cap cap); boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned(); int ps = Bits.pageSize(); long size = Math.max(1L (long)cap (pa ? ps : 0)); Bits.reserveMemory(size cap); // 注意这里会调用 System.gc(); long base = 0; try { // 1\. 真正分配堆外内存 base = unsafe.allocateMemory(size); } catch (OutOfMemoryError x) { Bits.unreserveMemory(size cap); throw x; } unsafe.setMemory(base size (byte) 0); if (pa && (base % ps != 0)) { // Round up to page boundary address = base ps - (base & (ps - 1)); } else { address = base; } // 2\. 用于回收堆外内存 cleaner = Cleaner.create(this new Deallocator(base size cap)); att = null; }

如何通过内存限制排查内存泄漏（一文搞懂堆外内存）(2)

DirectByteBuffer 对象： 存放在堆内存里，仅仅包含堆外内存的地址、大小等属性。同时还会创建对应的 Cleaner 对象，通过 ByteBuffer 分配的堆外内存不需要手动回收，它可以被 JVM 自动回收。

当堆内的 DirectByteBuffer 对象被 GC 回收时，Cleaner 就会用于回收对应的堆外内存。

真正分配堆外内存的逻辑还是通过 unsafe.allocateMemory(size)

Unsafe 是一个非常不安全的类，它用于执行内存访问、分配、修改等敏感操作，可以越过 JVM 限制的枷锁。Unsafe 最初并不是为开发者设计的，使用它时虽然可以获取对底层资源的控制权，但也失去了安全性的保证，所以使用 Unsafe 一定要慎重。

在 Java 中是不能直接使用 Unsafe 的，但是可以通过反射获取 Unsafe 实例，使用方式如下所示：

private static Unsafe unsafe = null; static { try { Field getUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); getUnsafe.setAccessible(true); unsafe = (Unsafe) getUnsafe.get(null); } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) { e.printStackTrace(); } }

获得 Unsafe 实例后，可以通过 allocateMemory 方法分配堆外内存，allocateMemory 方法返回的是内存地址，使用方法如下所示：

// 分配 10M 堆外内存 long address = unsafe.allocateMemory(10 * 1024 * 1024); // Unsafe#allocateMemory 所分配的内存必须自己手动释放，否则会造成内存泄漏 // 这也是 Unsafe 不安全的体现。 unsafe.freeMemory(address); （3）如何回收堆外内存？

堆外内存回收，有两种方式：

  1. Full GC 时以及调用 System.gc()： 通过 JVM 参数 -XX:MaxDirectMemorySize 指定堆外内存的上限大小，当堆外内存的大小超过该阈值时，就会触发一次 Full GC 进行清理回收，如果在 Full GC 之后还是无法满足堆外内存的分配，那么程序将会抛出 OOM 异常。
  2. 使用unsafe.freeMemory(address); 来回收： DirectByteBuffer 在初始化时会创建一个 Cleaner 对象，Cleaner 内同时会创建 Deallocator，调用 Deallocator#run() 来回收。
1）System.gc()触发

那就有个问题，什么时候会触发 System.gc() ？

ByteBuffer.allocateDirect 分配的过程中： 如果没有足够的空间分配堆外内存，在 Bits.reserveMemory 方法中也会主动调用 System.gc() ，就会触发 Full GC（并不是马上执行）。

// ByteBuffer.allocateDirect 直接调用 DirectByteBuffer 构造函数 DirectByteBuffer(int cap) { ... Bits.reserveMemory(size cap); // 注意这里会调用 System.gc(); ... }

Tips: 如果环境中设置了 -XX: DisableExplicitGC，System.gc() 会不起作用的。

所以依赖 System.gc() 并不是一个好办法。

2）Cleaner对象

通过前面堆外内存分配方式的介绍，我们知道 DirectByteBuffer 在初始化时会创建一个 Cleaner 对象，它会负责堆外内存的回收工作，那么 Cleaner 是如何与 GC 关联起来的呢？

先来看下 Cleaner 的源码：

public class Cleaner extends java.lang.ref.PhantomReference<java.lang.Object> { private static final ReferenceQueue<Object> dummyQueue = new ReferenceQueue<>(); // 双向链表 private static sun.misc.Cleaner first; private sun.misc.Cleaner next; private sun.misc.Cleaner prev; private final java.lang.Runnable thunk; public void clean() { if (!remove(this)) // 把自己从链表上移除 return; try { thunk.run(); // thunk 是 Deallocator } catch (final Throwable x) { // ... ... } } }

可以看到 Cleaner 属于 PhantomReference 的子类，那 Cleaner#clean() 执行是否跟 JVM GC 或Reference 有关呢？

Tips：Java 对象有四种引用方式， 强引用 StrongReference、软引用 SoftReference、弱引用 WeakReference、虚引用 PhantomReference。

这里先了解下 Reference 核心处理流程：

  1. JVM 垃圾收集器扫描到对象 O 可回收。
  2. 把对象 O 对应的 Reference 实例 R 添加到 PendingReference 链表中。
  3. 通知 ReferenceHandler 线程处理，最后完成清理逻辑。

如何通过内存限制排查内存泄漏（一文搞懂堆外内存）(3)

下面是其源码：

// Reference.java， 部分代码省略 public abstract class Reference<T> { static { Thread handler = new ReferenceHandler(tg "Reference handler"); handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); handler.setDaemon(true); handler.start(); } private static class ReferenceHandler extends Thread { public void run() { while (true) { tryHandlePending(true); } } } static boolean tryHandlePending(boolean waitForNotify) { Reference<Object> r; Cleaner c; try { synchronized (lock) { if (pending != null) { r = pending; // 判断是否为 Cleaner c = r instanceof Cleaner ? (Cleaner) r : null; // unlink 'r' from 'pending' chain pending = r.discovered; r.discovered = null; } else { // ... ... } } } catch (OutOfMemoryError x) { // 等待CG后的通知 // ... ... } catch (InterruptedException x) { // ... ... } // 是为 Cleaner， 则调用 Cleaner.clean() 方法 if (c != null) { c.clean(); return true; } ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue; if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r); return true; } }

总结一下： 当 DirectByteBuffer 被回收的时候，会调用 Cleaner 的 clean() 方法来释放堆外内存。

拓展：Netty的noCleaner策略

Netty 提供分配堆外内存时，不带 Cleaner 的方法：

// UnpooledByteBufAllocator#newDirectBuffer(); // 会创建 InstrumentedUnpooledUnsafeNoCleanerDirectByteBuf 不带 Cleaner UnpooledUnsafeNoCleanerDirectByteBuf.allocateDirect(); // 创建内存 UnpooledUnsafeNoCleanerDirectByteBuf.freeDirect(); // 释放内存

Tips： -XX:MaxDirectMemorySize 无法限制 Netty 中 noCleaner 策略的 DirectByteBuffer（堆外内存）的大小。

需要使用：-Dio.netty.maxDirectMemory：

  • 用于限制 **noCleaner 策略下 DirectByteBuffer **分配的最大堆外内存的大小
  • 如果该值为0，则使用 hasCleaner 策略，代码位于PlatformDependent#incrementMemoryCounter() 方法中。
二、案例 堆外内存泄漏（1）模拟堆外内存泄漏

模拟堆外内存泄漏，设置堆外内存大小 10MB，代码如下：

public class Test { // -Xmx10M -XX:MaxDirectMemorySize=10M -Xloggc:gc.log private static final int _10MB = 10 * 1024 * 1024; public static void main(String[] args) throws Exception { List<ByteBuffer> list = new ArrayList<>(); // 分配 20MB list.add(ByteBuffer.allocateDirect(_10MB)); list.add(ByteBuffer.allocateDirect(_10MB)); } }

在 IDEA 里需要设置下 JVM 参数：

如何通过内存限制排查内存泄漏（一文搞懂堆外内存）(4)

运行果如下：



如何通过内存限制排查内存泄漏（一文搞懂堆外内存）(5)

gc.log 日志如下：

OpenJDK 64-Bit Server VM (25.162-b12) for Linux-amd64 JRE (1.8.0_162-8u162-b12-1-b12) built on Mar 15 2018 17:19:50 by "buildd" with gcc 7.3.0 Memory: 4k page physical 16306984k(1783576k free) swap 2097148k(7912k free) CommandLine flags: -XX:InitialHeapSize=10485760 -XX:MaxDirectMemorySize=10485760 -XX:MaxHeapSize=10485760 -XX: PrintGC -XX: PrintGCTimeStamps -XX: UseCompressedClassPointers -XX: UseCompressedOops -XX: UseParallelGC 0.093: [GC (Allocation Failure) 2048K->701K(9728K) 0.0020135 secs] 0.140: [GC (System.gc()) 2147K->857K(9728K) 0.0039815 secs] 0.144: [Full GC (System.gc()) 857K->663K(9728K) 0.0069431 secs]

可以看到：分配堆外内存失败，会调用 System.gc()，之后会触发 Full GC。

运行上面代码同时，观察 Linux 中所占内存情况：

# 1\. 先找到应用程序对应的 PID $ jps # 2\. top 观察 $ top | grep 25131

如何通过内存限制排查内存泄漏（一文搞懂堆外内存）(6)

发现应用程序所占内存（ RES）约 40MB，远超堆内内存 10MB 和 堆外内存 10MB。

为什么不用unsafe.allocateMemory()来模拟分配内存？

因为 Unsafe.allocateMemory() 是系统调用的os::malloc一个包装，并没有关心 VM 要求的内存限制，所以会绕过了 MaxDirectMemorySize 的限制。

可能会写这样的代码：

public class Test { private static final int _10MB = 10 * 1024 * 1024; public static void main(String[] args) throws Exception { Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0]; unsafeField.setAccessible(true); Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null); while (true) { // 会导致机子直接卡死，直至耗尽内存 unsafe.allocateMemory(_10MB); } } } // Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError // at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method) // at org.fenixsoft.oom.DMOOM.main(DMOOM.java:20)

最后抛出这个异常 Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError，内存溢出才 kill 进程，且代价是期间机子卡死。

那为什么使用 ByteBuffer.allocateDirect() 就不会出现 unsafe 问题呢？

因为其每次分配内存，都会检查进程的内存占用情况并抛出异常。对应代码 Bits.reserveMemory(size cap);

DirectByteBuffer(int cap) { ... // 进行检测 Bits.reserveMemory(size cap); // 注意这里会调用 System.gc(); ... }

所以使用 ByteBuffer.allocateDirect() 相比更为安全些。

（2）美团堆外内存泄漏

WebSocket断开连接后无法正常释放内存，之后添加Packet packet = new Packet(PacketType.MSSAGE)` 就好了，框架能正常识别并释放内存了。

他的排查问题步骤，总结如下：

  1. 看监控：收到监控告警，去监控平台 CAT 查看整个集群的各项指标。
  2. 猜一猜：怀疑可能出现问题的地方，并去 Review 代码。
  3. 硬头皮：查看日志文件，查看对应堆栈信息
  4. 上手段：代码中打点日志来进一步监控（注意：这里直接改生产代码，看生产日志）
  5. 模拟下：线下模拟，复现场景，线下验证
  6. 上生产：线上验证

以上就是所有学习啦，Have fun。

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