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Java 堆外内存回收原理

日期: 2019-04-23 15:02:39 人气: -

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堆外内存简介

DirectByteBuffer 这个类是 JDK 提供使用堆外内存的一种途径,当然常见的业务开发一般不会接触到,即使涉及到也可能是框架(如 Netty、RPC 等)使用的,对框架使用者来说也是透明的。

堆外内存优势

堆外内存优势在 IO 操作上,对于网络 IO,使用 Socket 发送数据时,能够节省堆内存到堆外内存的数据拷贝,所以性能更高。看过 Netty 源码的同学应该了解,Netty 使用堆外内存池来实现零拷贝技术。对于磁盘 IO 时,也可以使用内存映射,来提升性能。另外,更重要的几乎不用考虑堆内存烦人的 GC 问题。

堆外内存创建

我们直接来看代码,首先向 Bits 类申请额度,Bits 类内部维护着当前已经使用的堆外内存值,会 check 当前申请的大小与已经使用的内存大小是否超过总的堆外内存大小(默认大小与堆内存差不多,其实是有细微区别的,拿 CMS GC 来举例,它的大小是新生代的最大值 - 一个 survivor 的大小 + 老生代的最大值),可以使用 -XX:MaxDirectMemorySize 参数指定堆外内存最大大小。

  1.   //

  2.    DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private


  3.        super(-1, 0, cap, cap);

  4.        boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();

  5.        int ps = Bits.pageSize();

  6.        long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));

  7.        Bits.reserveMemory(size, cap);


  8.        long base = 0;

  9.        try {

  10.            base = unsafe.allocateMemory(size);

  11.        } catch (OutOfMemoryError x) {

  12.            Bits.unreserveMemory(size, cap);

  13.            throw x;

  14.        }

  15.        unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);

  16.        if (pa && (base % ps != 0)) {

  17.            // Round up to page boundary

  18.            address = base + ps - (base & (ps - 1));

  19.        } else {

  20.            address = base;

  21.        }

  22.        cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));

  23.        att = null;


  24.    }

如果 check 不通过,会主动执行 System.gc(),然后 sleep 100 毫秒,再进行 check,如果内存还是不足,就抛出 OOM Error。

如果 check 通过,就会调用 unsafe.allocateMemory 真正分配内存,返回内存地址,然后再将内存清 0。题外话,这个 unsafe 命名看着是不是很吓人,这个 unsafe 不是说不安全,而是 JDK 内部使用的类,不推荐外部使用,所以叫 unsafe,Netty 源码内部也有类似命名。

由于申请内存前可能会调用 System.gc(),所以谨慎设置 -XX:+DisableExplicitGC 这个选项,这个参数作用是禁止代码中显示触发的 Full GC。

堆外内存回收

cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));

看到这段代码从成员的命名上就应该知道,是用来回收堆外内存的。确实,但是它是如何工作的呢?接下来我们看看 Cleaner 类。

  1. public class Cleaner extends PhantomReference {

  2.    private static final ReferenceQueue dummyQueue = new ReferenceQueue();

  3.    private static Cleaner first = null;

  4.    private Cleaner next = null;

  5.    private Cleaner prev = null;

  6.    private final Runnable thunk;


  7.    private static synchronized Cleaner add(Cleaner var0) {

  8.       ...

  9.    }


  10.    private static synchronized boolean remove(Cleaner var0) {

  11.        ...

  12.    }


  13.    private Cleaner(Object var1, Runnable var2) {

  14.        super(var1, dummyQueue);

  15.        this.thunk = var2;

  16.    }


  17.    public static Cleaner create(Object var0, Runnable var1) {

  18.        return var1 == null?null:add(new Cleaner(var0, var1));

  19.    }


  20.    public void clean() {

  21.        if(remove(this)) {

  22.            try {

  23.                this.thunk.run();

  24.            } catch (final Throwable var2) {

  25.                AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {

  26.                    public Void run() {

  27.                        if(System.err != null) {

  28.                            (new Error("Cleaner terminated abnormally", var2)).printStackTrace();

  29.                        }


  30.                        System.exit(1);

  31.                        return null;

  32.                    }

  33.                });

  34.            }


  35.        }

  36.    }

  37. }

Cleaner 类,内部维护了一个 Cleaner 对象的链表,通过 create(Object, Runnable) 方法创建 cleaner 对象,调用自身的 add 方法,将其加入到链表中。更重要的是提供了 clean 方法,clean 方法首先将对象自身从链表中删除,保证只调用一次,然后执行 this.thunk 的 run 方法,thunk 就是由创建时传入的 Runnable 参数,也就是说 clean 只负责触发 Runnable 的 run 方法,至于 Runnable 做什么任务它不关心。

那 DirectByteBuffer 传进来的 Runnable 是什么呢?

  1. private static class Deallocator

  2.        implements Runnable

  3.    {


  4.        private static Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();


  5.        private long address;

  6.        private long size;

  7.        private int capacity;


  8.        private Deallocator(long address, long size, int capacity) {

  9.            assert (address != 0);

  10.            this.address = address;

  11.            this.size = size;

  12.            this.capacity = capacity;

  13.        }


  14.        public void run() {

  15.            if (address == 0) {

  16.                // Paranoia

  17.                return;

  18.            }

  19.            unsafe.freeMemory(address);

  20.            address = 0;

  21.            Bits.unreserveMemory(size, capacity);

  22.        }


  23.    }

Deallocator 类的对象就是 DirectByteBuffer 中的 cleaner 传进来的 Runnable 参数类,我们直接看 run 方法 unsafe.freeMemory 释放内存,然后更新 Bits 里已使用的内存数据。

接下来我们关注各个环节是如何串起来的?这里主要讲两种回收方式:一种是自动回收,一种是手动回收。

如何自动回收?

Java 是不用用户去管理内存的,所以 Java 对堆外内存 默认是自动回收的。它是 由 GC 模块负责的,在 GC 时会扫描 DirectByteBuffer 对象是否有有效引用指向该对象,如没有,在回收 DirectByteBuffer 对象的同时且会回收其占用的堆外内存。但是 JVM 如何释放其占用的堆外内存呢?如何跟 Cleaner 关联起来呢?

这得从 Cleaner 继承了 PhantomReference(虚引用) 说起。说到 Reference,还有 SoftReference、WeakReference、FinalReference 他们作用各不相同,这里就不展开说了。

简单介绍 PhantomReference,首先虚引用是不会影响 JVM 去回收其指向的对象,当 GC 某个对象时,如果有此对象上还有虚引用对其引用,会将 PhantomReference 对象插入 ReferenceQueue 队列。

PhantomReference插入到哪个队列呢?看 PhantomReference 类代码,其继承自 Reference,Reference 对象有个 ReferenceQueue 成员,这个也就是 PhantomReference 对象插入的 ReferenceQueue 队列,此成员如果不由外部传入就是 ReferenceQueue.NULL。如果需要通过 queue 拿到 PhantomReference 对象,这个 ReferenceQueue 对象还是必须由外部传入。

  1. private static final ReferenceQueue dummyQueue = new ReferenceQueue();


  2. private Cleaner(Object var1, Runnable var2) {

  3.        super(var1, dummyQueue);

  4.        this.thunk = var2;

  5. }

public class PhantomReference<T> extends Reference<T> {

Reference 类内部 static 静态块会启动 ReferenceHandler 线程,线程优先级很高,这个线程是用来处理 JVM 在 GC 过程中交接过来的 reference。想必经常用 jstack 命令,看线程堆栈的同学应该见到过这个线程。

  1. public abstract class Reference<T> {



  2.    private T referent;         /* Treated specially by GC */


  3.    ReferenceQueue<? super T> queue;


  4.    Reference next;

  5.    transient private Reference<T> discovered;  /* used by VM */


  6.    static private class Lock { };

  7.    private static Lock lock = new Lock();

  8.    private static Reference pending = null;


  9.    ...


  10.    static {

  11.        ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();

  12.        for (ThreadGroup tgn = tg;

  13.             tgn != null;

  14.             tg = tgn, tgn = tg.getParent());

  15.        Thread handler = new ReferenceHandler(tg, "Reference Handler");

  16.        /* If there were a special system-only priority greater than

  17.         * MAX_PRIORITY, it would be used here

  18.         */

  19.        handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);

  20.        handler.setDaemon(true);

  21.        handler.start();

  22.    }


  23.    public T get() {

  24.        return this.referent;

  25.    }


  26.    public void clear() {

  27.        this.referent = null;

  28.    }


  29.    public boolean isEnqueued() {

  30.            synchronized (this) {

  31.            return (this.queue != ReferenceQueue.NULL) && (this.next != null);

  32.        }

  33.    }



  34.    public boolean enqueue() {

  35.        return this.queue.enqueue(this);

  36.    }



  37.    /* -- Constructors -- */


  38.    Reference(T referent) {

  39.        this(referent, null);

  40.    }


  41.    Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {

  42.        this.referent = referent;

  43.        this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;

  44.    }


  45. }

我们来看看 ReferenceHandler 是如何处理的?直接看 run 方法,首先是个死循环,一直在那不停的干活,synchronized 块内的这段主要是交接 JVM 扔过来的 reference(就是 pending),再往下看,很明显,调用了 cleaner 的 clean 方法。调完之后直接 continue 结束此次循环,这个 reference 并没有进入 queue,也就是说 Cleaner 虚引用是不放入 ReferenceQueue。

  1. /* High-priority thread to enqueue pending References

  2.     */

  3.    private static class ReferenceHandler extends Thread {


  4.        ReferenceHandler(ThreadGroup g, String name) {

  5.            super(g, name);

  6.        }


  7.        public void run() {

  8.            for (;;) {


  9.                Reference r;

  10.                synchronized (lock) {

  11.                    if (pending != null) {

  12.                        r = pending;

  13.                        Reference rn = r.next;

  14.                        pending = (rn == r) ? null : rn;

  15.                        r.next = r;

  16.                    } else {

  17.                        try {

  18.                            lock.wait();

  19.                        } catch (InterruptedException x) { }

  20.                        continue;

  21.                    }

  22.                }


  23.                // Fast path for cleaners

  24.                if (r instanceof Cleaner) {

  25.                    ((Cleaner)r).clean();

  26.                    continue;

  27.                }


  28.                ReferenceQueue q = r.queue;

  29.                if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);

  30.            }

  31.        }

  32.    }

这块有点想不通,既然不放入 ReferenceQueue,为什么 Cleaner 类还是初始化了这个 ReferenceQueue。

如何手动回收?

手动回收,就是由开发手动调用 DirectByteBuffer 的 cleaner 的 clean 方法来释放空间。由于 cleaner 是 private 反问权限,所以自然想到使用反射来实现。

public static void clean(final ByteBuffer byteBuffer) { if (byteBuffer.isDirect()) {        Field cleanerField = byteBuffer.getClass().getDeclaredField("cleaner");        cleanerField.setAccessible(true);        Cleaner cleaner = (Cleaner) cleanerField.get(byteBuffer);        cleaner.clean();    }}

还有另一种方法,DirectByteBuffer 实现了 DirectBuffer 接口,这个接口有 cleaner 方法可以获取 cleaner 对象。

public static void clean(final ByteBuffer byteBuffer) {    if (byteBuffer.isDirect()) {        ((DirectBuffer)byteBuffer).cleaner().clean();    }}

Netty 中的堆外内存池就是使用反射来实现手动回收方式进行回收的。




分类标签: 内存 回收 原理 简介