使用堆外内存

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:

使用堆外内存

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:

kernel.yama.ptrace_scope = 0 

如果你的操作系统不是Ubuntu,可以升级一下JDK的版本试试,我在RedHat上遇到过这样的问题,升级JDK版本以后解决了。

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。

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