堆外内存的回收机制分析

占小狼
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堆外内存

JVM启动时分配的内存，称为堆内存，与之相对的，在代码中还可以使用堆外内存，比如Netty，广泛使用了堆外内存，但是这部分的内存并不归JVM管理，GC算法并不会对它们进行回收，所以在使用堆外内存时，要格外小心，防止内存一直得不到释放，造成线上故障。

堆外内存的申请和释放

JDK的ByteBuffer类提供了一个接口allocateDirect(int capacity)进行堆外内存的申请，底层通过unsafe.allocateMemory(size)实现，接下去看看在JVM层面是如何实现的。

可以发现，最底层是通过malloc方法申请的，但是这块内存需要进行手动释放，JVM并不会进行回收，幸好Unsafe提供了另一个接口freeMemory可以对申请的堆外内存进行释放。

堆外内存的回收机制

如果每次申请堆外内存，都需要在代码中显示的释放，对于Java这门语言的设计来说，显然不够合理，既然JVM不会管理这些堆外内存，它们是如何回收的呢？

DirectByteBuffer

JDK中使用DirectByteBuffer对象来表示堆外内存，每个DirectByteBuffer对象在初始化时，都会创建一个对用的Cleaner对象，这个Cleaner对象会在合适的时候执行unsafe.freeMemory(address)，从而回收这块堆外内存。

当初始化一块堆外内存时，对象的引用关系如下：

其中first是Cleaner类的静态变量，Cleaner对象在初始化时会被添加到Clener链表中，和first形成引用关系，ReferenceQueue是用来保存需要回收的Cleaner对象。

如果该DirectByteBuffer对象在一次GC中被回收了

此时，只有Cleaner对象唯一保存了堆外内存的数据（开始地址、大小和容量），在下一次FGC时，把该Cleaner对象放入到ReferenceQueue中，并触发clean方法。

Cleaner对象的clean方法主要有两个作用：
1、把自身从Clener链表删除，从而在下次GC时能够被回收
2、释放堆外内存

public void run() {
    if (address == 0) {
        // Paranoia
        return;
    }
    unsafe.freeMemory(address);
    address = 0;
    Bits.unreserveMemory(size, capacity);
}

如果JVM一直没有执行FGC的话，无效的Cleaner对象就无法放入到ReferenceQueue中，从而堆外内存也一直得不到释放，内存岂不是会爆？

其实在初始化DirectByteBuffer对象时，如果当前堆外内存的条件很苛刻时，会主动调用System.gc()强制执行FGC。

不过很多线上环境的JVM参数有-XX:+DisableExplicitGC，导致了System.gc()等于一个空函数，根本不会触发FGC，这一点在使用Netty框架时需要注意是否会出问题。