当前位置: 首页 > news >正文

一文搞懂堆外内存(模拟内存泄漏)

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:

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(HeapByteBufferJDK 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(writeread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;
}

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:+DisableExplicitGCSystem.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?

TipsJava 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。

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:

运行果如下:

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

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

相关文章:

  • 还在调API写所谓的AI“女友”,唠了唠了,教你基于python咱们“new”一个(深度学习)
  • Win7纯净版系统镜像64位介绍
  • Kali系统MSF模块暴力破解MySQL弱口令漏洞
  • [附源码]java毕业设计疫情环境下的酒店管理系统
  • kafka配置外网访问
  • java每一练(3)
  • Java学习----前端4
  • ABAP中 delete 语句的使用
  • cesium火箭发射,模型控制,模型动画,模型移动
  • http请求走私漏洞原理,利用,检测,防护
  • Docker学习(3)—— 将容器转化为新的镜像,并将新镜像发布到阿里云公共仓库或私有仓库
  • cpu天梯图2022年11月 cpu排行榜天梯图2022
  • Linux的基本协议与他的堂兄堂弟
  • FEDformer 代码分析(2)
  • UCloud 对象存储使用
  • web前端-javascript-逻辑运算符(! 非取反,短路的 与,短路的|| 或, || 非布尔值的情况,对于非布尔值进行与或运算时,会先将其转换为布尔值,然后再运算,并且返回)
  • 油藏生产业务+机器学习代理优化算法
  • http请求报头header
  • Java Spring后处理器
  • 为什么国外程序员的创造力比中国程序员强?
  • qt人员管理模块(模块化程序)功能块复制直接使用不冲突
  • [附源码]计算机毕业设计微信点餐系统Springboot程序
  • Linux——匿名管道、命名管道及进程池概念和实现原理
  • Windows x64隐藏可执行内存
  • map容器/multimap容器
  • SpringBoot+Vue项目便捷洗衣服务平台
  • 蒸汽发生器选威孚_诸城电热蒸汽发生器
  • 河北电蓄热锅炉厂家_鑫双龙火锅炉厂家
  • 煤气锅炉_燃气低氮锅炉