JVM源码分析之不可控的堆外内存

概述

之前写过篇文章，关于堆外内存的，JVM源码分析之堆外内存完全解读，里面重点讲了DirectByteBuffer的原理，但是今天碰到一个比较奇怪的问题，在设置了-XX:MaxDirectMemorySize=1G的前提下，然后统计所有DirectByteBuffer对象后面占用的内存达到了7G，远远超出阈值，这个问题很诡异，于是好好查了下原因，虽然最终发现是我们统计的问题，但是期间发现的其他一些问题还是值得分享一下的。

不得不提的DirectByteBuffer构造函数

打开DirectByteBuffer这个类，我们会发现有5个构造函数

DirectByteBuffer(int cap);

DirectByteBuffer(long addr, int cap, Object ob);

private DirectByteBuffer(long addr, int cap);

protected DirectByteBuffer(int cap, long addr,FileDescriptor fd,Runnable unmapper);

DirectByteBuffer(DirectBuffer db, int mark, int pos, int lim, int cap,int off)

我们从java层面创建DirectByteBuffer对象，一般都是通过ByteBuffer的allocateDirect方法

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
        return new DirectByteBuffer(capacity);
}

也就是会使用上面提到的第一个构造函数，即

DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private

        super(-1, 0, cap, cap);
        boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
        int ps = Bits.pageSize();
        long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
        Bits.reserveMemory(size, cap);

        long base = 0;
        try {
            base = unsafe.allocateMemory(size);
        } catch (OutOfMemoryError x) {
            Bits.unreserveMemory(size, cap);
            throw x;
        }
        unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
        if (pa && (base % ps != 0)) {
            // Round up to page boundary
            address = base + ps - (base & (ps - 1));
        } else {
            address = base;
        }
        cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
        att = null;



    }

而这个构造函数里的Bits.reserveMemory(size, cap)方法会做堆外内存的阈值check

static void reserveMemory(long size, int cap) {
        synchronized (Bits.class) {
            if (!memoryLimitSet && VM.isBooted()) {
                maxMemory = VM.maxDirectMemory();
                memoryLimitSet = true;
            }
            // -XX:MaxDirectMemorySize limits the total capacity rather than the
            // actual memory usage, which will differ when buffers are page
            // aligned.
            if (cap <= maxMemory - totalCapacity) {
                reservedMemory += size;
                totalCapacity += cap;
                count++;
                return;
            }
        }

        System.gc();
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException x) {
            // Restore interrupt status
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        synchronized (Bits.class) {
            if (totalCapacity + cap > maxMemory)
                throw new OutOfMemoryError("Direct buffer memory");
            reservedMemory += size;
            totalCapacity += cap;
            count++;
        }

    }

因此当我们已经分配的内存超过阈值的时候会触发一次gc动作，并重新做一次分配，如果还是超过阈值，那将会抛出OOM，因此分配动作会失败。所以从这一切看来，只要设置了-XX:MaxDirectMemorySize=1G是不会出现超过这个阈值的情况的，会看到不断的做GC。

构造函数再探

那其他的构造函数主要是用在什么情况下的呢？

我们知道DirectByteBuffer回收靠的是里面有个cleaner的属性，但是我们发现有几个构造函数里cleaner这个属性却是null，那这种情况下他们怎么被回收呢？

那下面请大家先看下DirectByteBuffer里的这两个函数：

 public ByteBuffer slice() {
        int pos = this.position();
        int lim = this.limit();
        assert (pos <= lim);
        int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);
        int off = (pos << 0);
        assert (off >= 0);
        return new DirectByteBuffer(this, -1, 0, rem, rem, off);
    }

    public ByteBuffer duplicate() {
        return new DirectByteBuffer(this,
                                              this.markValue(),
                                              this.position(),
                                              this.limit(),
                                              this.capacity(),
                                              0);
    }

从名字和实现上基本都能猜出是干什么的了，slice其实是从一块已知的内存里取出剩下的一部分，用一个新的DirectByteBuffer对象指向它，而duplicate就是创建一个现有DirectByteBuffer的全新副本，各种指针都一样。

因此从这个实现来看，后面关联的堆外内存其实是同一块，所以如果我们做统计的时候如果仅仅将所有DirectByteBuffer对象的capacity加起来，那可能会导致算出来的结果偏大不少，这其实也是我查的那个问题，本来设置了阈值1G，但是发现达到了7G的效果。所以这种情况下使用的构造函数，可以让cleaner为null，回收靠原来的那个DirectByteBuffer对象被回收。

被遗忘的检查

但是还有种情况，也是本文要讲的重点，在jvm里可以通过jni方法回调上面的DirectByteBuffer构造函数，这个构造函数是

private DirectByteBuffer(long addr, int cap) {
    super(-1, 0, cap, cap);
    address = addr;
    cleaner = null;
    att = null;
}

而调用这个构造函数的jni方法是 jni_NewDirectByteBuffer

extern "C" jobject JNICALL jni_NewDirectByteBuffer(JNIEnv *env, void* address, jlong capacity)
{
  // thread_from_jni_environment() will block if VM is gone.
  JavaThread* thread = JavaThread::thread_from_jni_environment(env);

  JNIWrapper("jni_NewDirectByteBuffer");
#ifndef USDT2
  DTRACE_PROBE3(hotspot_jni, NewDirectByteBuffer__entry, env, address, capacity);
#else /* USDT2 */
 HOTSPOT_JNI_NEWDIRECTBYTEBUFFER_ENTRY(
                                       env, address, capacity);
#endif /* USDT2 */

  if (!directBufferSupportInitializeEnded) {
    if (!initializeDirectBufferSupport(env, thread)) {
#ifndef USDT2
      DTRACE_PROBE1(hotspot_jni, NewDirectByteBuffer__return, NULL);
#else /* USDT2 */
      HOTSPOT_JNI_NEWDIRECTBYTEBUFFER_RETURN(
                                             NULL);
#endif /* USDT2 */
      return NULL;
    }
  }

  // Being paranoid about accidental sign extension on address
  jlong addr = (jlong) ((uintptr_t) address);
  // NOTE that package-private DirectByteBuffer constructor currently
  // takes int capacity
  jint  cap  = (jint)  capacity;
  jobject ret = env->NewObject(directByteBufferClass, directByteBufferConstructor, addr, cap);
#ifndef USDT2
  DTRACE_PROBE1(hotspot_jni, NewDirectByteBuffer__return, ret);
#else /* USDT2 */
  HOTSPOT_JNI_NEWDIRECTBYTEBUFFER_RETURN(
                                         ret);
#endif /* USDT2 */
  return ret;
}

想象这么种情况，我们写了一个native方法，里面分配了一块内存，同时通过上面这个方法和一个DirectByteBuffer对象关联起来，那从java层面来看这个DirectByteBuffer确实是一个有效的占有不少native内存的对象，但是这个对象后面关联的内存完全绕过了MaxDirectMemorySize的check，所以也可能给你造成这种现象，明明设置了MaxDirectMemorySize，但是发现DirectByteBuffer关联的堆外内存其实是大于它的。