Java 堆外内存

在 Java 虚拟机中，分配对象基本上都是在堆上进行的，然而在有些情况下，缓存的数据量非常大时，使用磁盘或者分布式缓存就会比较合适，这时堆外缓存就是一个比较合适的选择。一般会认为 Java 进程启动后，除了分配的堆（heap）内存之外的内存都为堆外内存。堆外内存在没有引用时，也会被 Java 垃圾收集器进行回收。

如上图所示，堆外内存就是 Heap Out Memory 部分，在 Java 虚拟机中由 DirectByteBuffer 对象表示。

堆外内存的分配方式

Java 分配堆外内存的方式有两种方式，一种使用Unsafe类来进行分配，另一种使用ByteBuffer来进行分配。

使用 Unsafe 类进行分配

需要注意的是，使用 Unsafe 来进行分配，不受 -XX:MaxDirectMemorySize 参数的限制。

private static final long SIZE = 40 * 1024 * 1024;

/**
 * 获取 Unsafe 实例，通过反射的方式来获取，避免触发 SecurityException
 *
 * 通过反射的方式，堆外内存不受 -XX:MaxDirectMemorySize 参数限制
 */
private static Unsafe getUnsafeInstance() {
    try {
        Class<?> unsafeClass = Class.forName("sun.misc.Unsafe");
        Field field = unsafeClass.getDeclaredField("theUnsafe");
        field.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        return unsafe;
    } catch (Exception e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

/**
 * 分配堆外内存方式 1
 */
private static void allocateOffHeapMemory1() {
    Unsafe unsafe = getUnsafeInstance();
    // 分配内存
    long address = unsafe.allocateMemory(SIZE);

    // 重新分配内存，把数据从
    // unsafe.reallocateMemory(address, SIZE);

    // 释放内存
    // unsafe.freeMemory(address);
}

使用 ByteBuffer 进行分配

private static final long SIZE = 40 * 1024 * 1024;

/**
 * 分配堆外内存方式 2
 *
 * 受 -XX:MaxDirectMemorySize 参数限制
 */
private static void allocateOffHeapMemory2() {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect((int) SIZE);
    // ...
}

堆外内存的查看方式

想要查看一个 Java 进程的堆外内存的信息，可以通过如下命令来启动该 Java 进程。

java -XX:+DisableExplicitGC -XX:MaxDirectMemorySize=40M -XX:NativeMemoryTracking=summary -Xms300M -Xmx300M -classpath [your class]

• -XX:+DisableExplicitGC：用来显示禁止垃圾收集器回收。
• -XX:MaxDirectMemorySize=40M：设置直接内存大小为 40M，如果使用 ByteBuffer 来执行分配时，超过 40M 会抛出 OOM 异常。
• -XX:NativeMemoryTracking=summary：配置查看堆外内存的跟踪。
• -Xms300M -Xmx300M：将堆内存限定在 300M。

当你的 Java 进程运行起来之后，可以通过下面的命令来查看虚拟机中内存的实际分配。

其中 reserved 表示应用可以使用的内存大小，committed 表示正在使用的内存大小。

# 通过 jps 找出对应进程的 pid
jps

# 使用 jcmd 查看汇总信息
jcmd [your process pid] VM.native_memory summary scale=MB

# 输出
Native Memory Tracking:

Total: reserved=1746MB, committed=478MB
-                 Java Heap (reserved=300MB, committed=300MB)
                            (mmap: reserved=300MB, committed=300MB) 
 
-                     Class (reserved=1046MB, committed=19MB)
                            (classes #470)
                            (malloc=14MB #179) 
                            (mmap: reserved=1032MB, committed=5MB) 
 
-                    Thread (reserved=33MB, committed=33MB)
                            (thread #34)
                            (stack: reserved=33MB, committed=33MB)
 
-                      Code (reserved=244MB, committed=3MB)
                            (mmap: reserved=244MB, committed=3MB) 
 
-                        GC (reserved=27MB, committed=27MB)
                            (malloc=16MB #144) 
                            (mmap: reserved=11MB, committed=11MB) 
 
-                  Internal (reserved=54MB, committed=54MB)
                            (malloc=54MB #1678) 
 
-                    Symbol (reserved=1MB, committed=1MB)
                            (malloc=1MB #98) 
                            (arena=1MB #1)

• Java Heep：可以观察到堆（heap）内内存限定在 300M。
• Class：表示已经加载 class 数量以及占用的内存。
• Thread：表示目前有多少个线程以及占用的内存。
• Code：表示编译器生成代码所占用的内存。
• GC：表示垃圾回收器需要使用多少内存来完成垃圾回收动作。
• Internal： 包含命令行解析器使用的内存、JVMTI、PerfData 以及 Unsafe 分配的内存等等，可以观察到上述代码分配的 40M 堆外内存包含此处的 54M 内。
  • JVMTI（JVM Tool Interface）：是开发和监视 Java 虚拟机的编程接口。
  • PerfData：是 Java 虚拟机中用来记录一些指标数据的文件。
• Symbol：表示字符串表、常量池等所占用的内存。