JVM 直接内存概念分析（十一）

谁践踏了优雅 2022-12-08 12:58 176阅读 0赞

今天分析JVM直接内存问题：首先什么是直接内存。

**1、直接内存（堆外内存）**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmRhbzE1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

直接内存有一种叫法，堆外内存。 直接内存( 堆外内存 ) 指的是  Java  应用程序通过直接方式从操作系统中申请的内存。这个差别与之前的堆、栈、方法区，那些内存都是经过了虚拟化。所 以严格来说，这里是指直接内存。

**2、直接内存有哪些？**

使用了  Java  的  Unsafe  类，做了一些本地内存的操作；

Netty  的直接内存（ Direct Memory ），底层会调用操作系统的  malloc  函数；

JNI  或者  JNA  程序，直接操纵了本地内存，比如一些加密库；

JNI  是  Java Native Interface  的缩写，通过使用  Java  本地接口书写程序，可以确保代码在不同的平台上方便移植。

JNA （ Java Native Access  ）提供一组  Java  工具类用于在运行期间动态访问系统本地库（ native library ：如  Window  的  dll ）而不需要编写任何  Native/JNI  代码。 开发人员只要在一个 java  接口中描述目标  native library  的函数与结构， JNA  将自动实现  Java  接口到  native function  的映射。 JNA 是建立在  JNI  技术基础之上的一个  Java  类库，它使您可以方便地使用  java  直接访问动态链接库中的函数。 原来使用 JNI ，你必须手工用  C  写一个动态链接库，在  C  语言中映射  Java  的数据类型。

JNA  中，它提供了一个动态的  C  语言编写的转发器，可以自动实现  Java  和  C  的数据类型映射，你不再需要编写  C  动态链接库。 也许这也意味着，使用 JNA  技术比使用  JNI  技术调用动态链接库会有些微的性能损失。但总体影响不大，因为  JNA  也避免了  JNI  的一些平台配置的开销。

**3、代码案例**

(1)、 Unsafe 类，-XX:MaxDirectMemorySize 参数的大小限制对这种是无效的

import sun.misc.Unsafe;
    
    import java.lang.reflect.Field;
    /**
     * @author  
     * 参数无效：-XX:MaxDirectMemorySize=10m
     */
    public class UnsafeDemo {
        public static final int _1MB = 1024 * 1024;
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
            long addr = unsafe.allocateMemory(100*_1MB);
        }
    }

(2)、ByteBuffer 的这种方式，受到 MaxDirectMemorySize 参数的大小限制其实底层是

import java.nio.ByteBuffer;
    
    /**
     * @author 
     * VM Args：-XX:MaxDirectMemorySize=100m
     * 限制最大直接内存大小100m
     * -XX:MaxDirectMemorySize=128m
     * -Xmx128m
     * -Xmx135m -Xmn100m -XX:SurvivorRatio=8
     * -Xmx138m -Xmn100m -XX:SurvivorRatio=8
     */
    public class ByteBufferDemo {
        static ByteBuffer bb;
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            //直接分配128M的直接内存
            bb = ByteBuffer.allocateDirect(128*1024*1024);
        }
    }

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**4、为什么要使用直接内存**

直接内存，其实就是不受  JVM  控制的内存。相比于堆内存有几个优势：

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。

2 、加快了复制的速度。因为堆内在  flush  到远程时，会先复制到直接内存（非堆内存），然后再发送，而堆外内存相当于省略掉了这个工作。

3 、可以在进程间共享，减少  JVM  间的对象复制，使得  JVM  的分割部署更容易实现。

4 、可以扩展至更大的内存空间。比如超过  1TB  甚至比主存还大的空间。

**直接内存的另一面（负面）**

直接内存有很多好处，我们还是应该要了解它的缺点：

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。一般简单的对象比较适合。

**5、直接内存案例和场景分析**

**内存泄漏案例**

工作中经常会使用  Java  的  Zip  函数进行压缩和解压，这种操作在一些对传输性能较高的的场景经常会用到。

程序将会申请  1kb  的随机字符串，然后不停解压。为了避免让操作系统陷入假死状态，我们每次都会判断操作系统内存使用率，在达到  60%  的时候， 我们将挂起程序（不在解压，只不断的让线程休眠） 通过访问 8888  端口，将会把内存阈值提高到  85% 。

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![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmRhbzE1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmRhbzE1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmRhbzE1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

6、linux环境运行：

![20200919132316397.png][]

使用以下命令把程序跑起来：

java -cp ref-jvm3.jar -XX:+PrintGC -Xmx1G -Xmn1G -XX:+AlwaysPreTouch -XX:MaxMetaspaceSize=10M -XX:MaxDirectMemorySize=10Mex15.LeakProblem

![20200919132334220.png][]

7、参数解释：

分别使用  Xmx 、 MaxMetaspaceSize 、 MaxDirectMemorySize  这三个参数限制了堆、元空间、直接内存的大小。

AlwaysPreTouch  这个参数，在  JVM  启动的时候，就把它所有的内存在操作系统分配了，默认情况下，此选项是禁用的，并且所有页面都在  JVM  堆空间填 充时提交。我们为了减少内存动态分配的影响，把这个值设置为 True 。

这个程序很快就打印一下显示，这个证明操作系统内存使用率，达到了  60% 。

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8、通过  top  命令查看，确实有一个进程占用了很高的内存，

**VIRT** **：** **virtual memory usage**  **虚拟内存**

（1）、 进程 “ 需要的 ” 虚拟内存大小，包括进程使用的库、代码、数据等

（2） 、假如进程申请  100m  的内存，但实际只使用了  10m ，那么它会增长  100m ，而不是实际的使用量

**RES** **：** **resident memory usage**  **常驻内存**  达到了  1.5G

如果申请  100m  的内存，实际使用  10m ，它只增长  10m ，与  VIRT  相反

![20200919132413569.png][]

**9、常规排查方式**

按照之前的排查方式，如果碰到内存占用过高，我们使用  top  命令来跟踪，然后使用  jmap –heap  来显示

![20200919132432664.png][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmRhbzE1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

10、我们发现这个  3468  的  java  进程，占据的堆空间是比较小的，合计数远远小于  top  命令看到的  1.5G

我们怀疑是不是虚拟机栈占用过高。于是使用  jstack  命令来看下线程

![20200919132505341.png][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmRhbzE1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

11、发现也就那么  10  来个左右的线程，这块占用的空间肯定也不多。

jmap -histo 3468 | head -20  显示占用内存最多的对象

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmRhbzE1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

12、发现这个才  20  多  M ，没有达到  1.5G 发现不了，我们前面学过 MAT ，我们把内存  dump  下来，放到  MAT  中进行分析。

![20200919132605279.png][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmRhbzE1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 11][]

发现没什么问题？堆空间也好，其他空间也好，这些都没有说的那么大的内存  1.5G  左右。

**13、使用工具排查**

这种情况应该是发生了直接内存泄漏。 如果要跟踪本地内存的使用情况，一般需要使用 NMT

**NMT**

NativeMemoryTracking ，是用来追踪  Native  内存的使用情况。通过在启动参数上加入  \-XX:NativeMemoryTracking=detail  就可以启用。使用  jcmd  （ jdk  自

带）命令，就可查看内存分配。

Native Memory Tracking (NMT)  是  Hotspot VM  用来分析  VM  内部内存使用情况的一个功能。我们可以利用  jcmd （ jdk  自带）这个工具来访问  NMT  的数据。

NMT  必须先通过  VM  启动参数中打开，不过要注意的是，打开  NMT  会带来  5%-10% 的性能损耗。

在服务器上重新运行程序：

java

\-cp

ref-jvm3.jar

\-XX:+PrintGC

\-Xmx1G

\-Xmn1G

\-XX:+AlwaysPreTouch

\-XX:MaxMetaspaceSize=10M

\-XX:MaxDirectMemorySize=10M

\-XX:NativeMemoryTracking=detail ex15.LeakProblem

![20200919132655659.png][]

14、jcmd $pid VM.native\_memory summary

可惜的是，这个工具并一样很烂，看到我们这种泄漏的场景。下面这点小小的空间，是不能和  1~2GB  的内存占用相比的。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmRhbzE1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][]

15、其实问题排查到这里，很明显了，这块的问题排查超出了一般  java  程序员的范畴了（说白了就是你做到这点就  OK  了，继续排查就是在干操作系统和其他 的语言相关的问题排查了），如果你有时间，有兴趣，我推荐你使用 perf  这个工具，这个工具安装很容易，但是容易遇到操作系统内核一些功能没支持， 也分析不了，这里我就不多去花时间去分析  Perf 安装： yum install perf

到此直接内存的概念和示例就分析完了，大家一定要自己模拟测试几次。下篇我们实战分析直接内存的内存泄漏问题！

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