一文搞懂堆外内存（模拟内存泄漏）_堆外内存概念

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：

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（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
((DirectBuffer) byteBuffer).cleaner().clean();
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