一文搞懂堆外内存（模拟内存泄漏）

清疚 2023-09-27 12:50 133阅读 0赞

### 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：**

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**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**。
> 
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`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

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