Java直接内存分配与释放原理

前言

在Java中分配直接内存大有如下三种主要方式：

1.Unsafe.allocateMemory()
2.ByteBuffer.allocateDirect()
3.native方法

Unsafe类

Java提供了Unsafe类用来进行直接内存的分配与释放

public native long allocateMemory(long var1); public native void
freeMemory(long var1);

示例 public class DirectMemoryMain {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Unsafe unsafe = getUnsafe();
while (true) {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
long address = unsafe.allocateMemory(10000);
// System.out.println(address);
// unsafe.freeMemory(address);
}
Thread.sleep(1);
}
}
// Unsafe无法直接使用，需要通过反射来获取
private static Unsafe getUnsafe() {
    try {
        Class clazz = Unsafe.class;
        Field field = clazz.getDeclaredField("theUnsafe");
        field.setAccessible(true);
        return (Unsafe) field.get(null);
    } catch (IllegalAccessException | NoSuchFieldException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
} }

下面为这段代码的演示效果，其中JVM最大内存设为64M，而真实内存则可以无限增长。
在这里插入图片描述
DirectByteBuffer类
内存分配
虽然Unsafe可以通过反射调用来进行内存分配，但是按照其设计方式，它并不是给开发者来使用的，而且Unsafe里面的方法也十分原始，更像是一个底层设施。而其上层的封装则是DirectByteBuffer，这个才是最终留给开发者使用的。DirectByteBuffer的分配是通过ByteBuffer.allocateDirect(int capacity)方法来实现的。
DirectByteBuffer申请内存的源码如下：

DirectByteBuffer(int cap) {
super(-1, 0, cap, cap);

// 计算需要分配的内存大小
boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
int ps = Bits.pageSize();
long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));

// 告诉内存管理器要分配内存
Bits.reserveMemory(size, cap);

// 分配直接内存
long base = 0;
try {
    base = unsafe.allocateMemory(size);
} catch (OutOfMemoryError x) {
    Bits.unreserveMemory(size, cap);
    throw x;
}
unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);

// 计算内存的地址
if (pa && (base % ps != 0)) {
    address = base + ps - (base & (ps - 1));
} else {
    address = base;
}

// 创建Cleaner
cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
att = null; }

整个DirectByteBuffer分配过程中，比较需要关注的Bits.reserveMemory()和Cleaner,Deallocator，其中Bits.reserveMemory()与分配相关，Cleaner、Deallocator则与内存释放相关。
Bits.reserveMemory()

static void reserveMemory(long size, int cap) {

// 初始化maxMemory，就是使用-XX:MaxDirectMemorySize指定的最大直接内存大小
if (!memoryLimitSet && VM.isBooted()) {
    maxMemory = VM.maxDirectMemory();
    memoryLimitSet = true;
}

// 第一次先采取最乐观的方式直接尝试告诉Bits要分配内存
if (tryReserveMemory(size, cap)) {
    return;
}

final JavaLangRefAccess jlra = SharedSecrets.getJavaLangRefAccess();

// 尝试执行Cleaner来释放直接内存，直到内存空间足够
while (jlra.tryHandlePendingReference()) {
    if (tryReserveMemory(size, cap)) {
        return;
    }
}

// GC
System.gc();

// 按照1ms,2ms,4ms,...,256ms的等待间隔尝试9次分配内存
boolean interrupted = false;
try {
    long sleepTime = 1;
    int sleeps = 0;
    while (true) {
        if (tryReserveMemory(size, cap)) {
            return;
        }
        if (sleeps >= MAX_SLEEPS) {
            break;
        }
        if (!jlra.tryHandlePendingReference()) {
            try {
                Thread.sleep(sleepTime);
                sleepTime <<= 1;
                sleeps++;
            } catch (InterruptedException e) {
                interrupted = true;
            }
        }
    }

    throw new OutOfMemoryError("Direct buffer memory");

} finally {
    if (interrupted) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
} }

//
-XX:MaxDirectMemorySize限制的是总cap，而不是真实的内存使用量，(在页对齐的情况下，真实内存使用量和总cap是不同的)
private static boolean tryReserveMemory(long size, int cap) {
long totalCap;
while (cap <= maxMemory - (totalCap = totalCapacity.get())) {
if (totalCapacity.compareAndSet(totalCap, totalCap + cap)) {
reservedMemory.addAndGet(size);
count.incrementAndGet();
return true;
}
}

return false; }

内存释放

内存释放是通过Cleaner和Deallocator来实现的。

Deallocator

private static class Deallocator implements Runnable {

private static Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

private long address;
private long size;
private int capacity;

private Deallocator(long address, long size, int capacity) {
    assert (address != 0);
    this.address = address;
    this.size = size;
    this.capacity = capacity;
}

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

这个类中主要方法为run()，里面的步骤也很简单，包含两步

使用unsafe释放内存
利用Bits管理内存的释放，就是标记一下该内存已释放

每个DirectByteBuffer都有一个相对应的Deallocator，而Deallocator则是由Cleaner来进行调度。
Cleaner
Cleaner的数据结构为一个双向链表，如下

private static Cleaner first = null; // 链表的头节点 private Cleaner next =
null; // 下一个节点 private Cleaner prev = null; // 上一个节点 private final
Runnable thunk; // 存放Deallocator

Cleaner中主要包含如下操作，add, remove,clean

主要操作

private static synchronized Cleaner add(Cleaner var0) {
if (first != null) {
var0.next = first;
first.prev = var0;
}

first = var0;
return var0; }

add操作就是不断地将新的Cleaner节点添加在链表头部，之后将头节点指针指向新的Cleaner

remove

private static synchronized boolean remove(Cleaner var0) {
if (var0.next == var0) { // 已经移除，防止重复移除
return false;
} else {
if (first == var0) {
if (var0.next != null) {
first = var0.next;
} else {
first = var0.prev;
}
}
    if (var0.next != null) {
        var0.next.prev = var0.prev;
    }

    if (var0.prev != null) {
        var0.prev.next = var0.next;
    }

    var0.next = var0;
    var0.prev = var0;
    return true;
} }

remove操作就是将Cleaner节点从链表中删除

clean

public void clean() {
if (remove(this)) {
try {
this.thunk.run();
} catch (final Throwable var2) {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {
public Void run() {
if (System.err != null) {
(new Error(“Cleaner terminated abnormally”, var2)).printStackTrace();
}
                System.exit(1);
                return null;
            }
        });
    }

} }

clean操作则是移除Cleaner节点并调用Deallocator的run()方法
清理过程
疑问 Cleaner.clean()又是由谁在何时调用的呢？
仔细观察可以发现，Cleaner继承了PhantomReference，其referent为DirectByteBuffer
Reference
在Reference初次加载的过程中会调用一段静态代码

static {
ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
for (ThreadGroup tgn = tg;
tgn != null;
tg = tgn, tgn = tg.getParent());
Thread handler = new ReferenceHandler(tg, “Reference Handler”);
handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
handler.setDaemon(true);
handler.start();
// provide access in SharedSecrets
SharedSecrets.setJavaLangRefAccess(new JavaLangRefAccess() {
    @Override
    public boolean tryHandlePendingReference() {
        return tryHandlePending(false);
    }
}); }

这段代码中包含了两种可以调用Cleaner的方式：

ReferenceHandler，会不停地循环调用tryHandlePending
SharedSecrets.JavaLangRefAccess，在Bits.reserveMemory()中被调用

事实上直接内存的回收过程也的确是由这两种方式混合组成，这两种方式有一个共同点，他们都会调用Reference.tryHandlePending()方法。

static boolean tryHandlePending(boolean waitForNotify) {
Reference r;
Cleaner c;
try {
synchronized (lock) {
if (pending != null) {
r = pending;
c = r instanceof Cleaner ? (Cleaner) r : null;
pending = r.discovered;
r.discovered = null;
} else {
if (waitForNotify) {
lock.wait();
}
return waitForNotify;
}
}
} catch (OutOfMemoryError x) {
Thread.yield();
return true;
} catch (InterruptedException x) {
return true;
}
if (c != null) {
    c.clean();
    return true;
}

ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue;
if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
return true; }

其中pending和discovered由JVM来操作，两个共同组成一个等待队列链表，对于PhantomReference的情况，当对象不存在其他引用，便会直接加入等待队列。每当等待队列中出现Cleaner，就会执行其clean()方法。

总结

整个DirectByteBuffer的分配与释放流程如下
-XX:MaxDirectMemorySize参数只对由DirectByteBuffer分配的内存有效，对Unsafe直接分配的内存无效
native方法
疑问 native方法中分配的内存是否是属于DirectByteBuffer对象呢?
这个疑问来自于一次内存泄漏问题的排查，一直没有机会去研究，正好借这次机会寻找一下该问题的答案。
demo
写了一个简单的demo程序如下

// java部分 public class NativeMain {
public native void allocateMemory();
static {
    System.setProperty("java.library.path", ".");
    System.loadLibrary("nativemain");
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    NativeMain nativeMain = new NativeMain();
    while (true) {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            nativeMain.allocateMemory();
        }
        Thread.sleep(1);
    }
} }
// c++实现部分
#include “jni.h”
#include “NativeMain.h”
#include <stdlib.h>

JNIEXPORT void JNICALL Java_NativeMain_allocateMemory(JNIEnv *,
jobject) {
char ptr = (char)malloc(1000); }

在这里插入图片描述

运行发现native方法分配的内存并不会产生DirectByteBuffer对象，同样的也不受-XX:MaxDirectMemorySize影响。

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Java直接内存分配与释放原理

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