Java的堆外記憶體本來是高貴而神祕的東西，只在一些快取方案的收費企業版裡出現。但自從用了Netty，就變成了天天打交道的事情，畢竟堆外記憶體能減少IO時的記憶體複製，不需要堆記憶體Buffer拷貝一份到直接記憶體中，然後才寫入Socket中；而且也沒了煩人的GC。

好在，Netty所用的堆外記憶體只是Java NIO的 DirectByteBuffer類，通讀一次很快。還有一些sun.misc.*的類木有原始碼，要自己跑去OpenJdk那看個明白。

 

1. 堆外記憶體的建立

在DirectByteBuffer中，首先向Bits類申請額度，Bits類有一個全域性的 totalCapacity變數，記錄著全部DirectByteBuffer的總大小，每次申請，都先看看是否超限 -- 堆外記憶體的限額預設與堆內記憶體(由-XMX 設定)相仿，可用 -XX:MaxDirectMemorySize 重新設定。

如果已經超限，會主動執行Sytem.gc()，期待能主動回收一點堆外記憶體。然後休眠一百毫秒，看看totalCapacity降下來沒有，如果記憶體還是不足，就丟擲大家最頭痛的OOM異常。

如果額度被批准，就呼叫大名鼎鼎的sun.misc.Unsafe去分配記憶體，返回記憶體基地址，Unsafe的C++實現在此，標準的malloc。然後再調一次Unsafe把這段記憶體給清零。跑個題，Unsafe的名字是提醒大家這個類只給Sun自家用的，你們別用，不然哪天Sun把它藏起來了你們就哭死。果然，JDK9裡就Oracle可能動手哦。

JDK7開始，DirectByteBuffer分配記憶體時預設已不做分頁對齊，不會再每次分配並清零 實際需要＋分頁大小(4k)的記憶體，這對效能應有較大提升，所以Oracle專門寫在了Enhancements in Java I/O裡。

最後，建立一個Cleaner，並把代表清理動作的Deallocator類繫結 -- 降低Bits裡的totalCapacity，並呼叫Unsafe調free去釋放記憶體。Cleaner的觸發機制後面再說。

 

2. 堆外記憶體基於GC的回收

存在於堆內的DirectByteBuffer物件很小，只存著基地址和大小等幾個屬性，和一個Cleaner，但它代表著後面所分配的一大段記憶體，是所謂的冰山物件。通過前面說的Cleaner，堆內的DirectByteBuffer物件被GC時，它背後的堆外記憶體也會被回收。

快速回顧一下堆內的GC機制，當新生代滿了，就會發生young gc；如果此時物件還沒失效，就不會被回收；撐過幾次young gc後，物件被遷移到老生代；當老生代也滿了，就會發生full gc。

這裡可以看到一種尷尬的情況，因為DirectByteBuffer本身的個頭很小，只要熬過了young gc，即使已經失效了也能在老生代裡舒服的呆著，不容易把老生代撐爆觸發full gc，如果沒有別的大塊頭進入老生代觸發full gc，就一直在那耗著，佔著一大片堆外記憶體不釋放。

這時，就只能靠前面提到的申請額度超限時觸發的system.gc()來救場了。但這道最後的保險其實也不很好，首先它會中斷整個程式，然後它讓當前執行緒睡了整整一百毫秒，而且如果gc沒在一百毫秒內完成，它仍然會無情的丟擲OOM異常。還有，萬一，萬一大家迷信某個調優指南設定了-DisableExplicitGC禁止了system.gc()，那就不好玩了。

所以，堆外記憶體還是自己主動點回收更好，比如Netty就是這麼做的。

 

3. 堆外記憶體的主動回收

對於Sun的JDK這其實很簡單，只要從DirectByteBuffer裡取出那個sun.misc.Cleaner，然後呼叫它的clean()就行。

前面說的，clean()執行時實際呼叫的是被繫結的Deallocator類，這個類可被重複執行，釋放過了就不再釋放。所以GC時再被動執行一次clean()也沒所謂。

在Netty裡，因為不確定跑在Sun的JDK裡(比如安卓)，所以多廢了些功夫來確定Cleaner的存在。

 

4. Cleaner如何與GC相關聯？

漲知識的時間到了，原來JDK除了StrongReference，SoftReference 和 WeakReference之外，還有一種PhantomReference，Phantom是幻影的意思，Cleaner就是PhantomReference的子類。

當GC時發現它除了PhantomReference外已不可達（持有它的DirectByteBuffer失效了），就會把它放進 Reference類pending list靜態變數裡。然後另有一條ReferenceHandler執行緒，名字叫 "Reference Handler"的，關注著這個pending list，如果看到有物件型別是Cleaner，就會執行它的clean()，其他型別就放入應用構造Reference時傳入的ReferenceQueue中，這樣應用的程式碼可以從Queue裡拖出這些理論上已死的物件，做愛做的事情——這是一種比finalizer更輕量更好的機制。

 

5. 其實

專家們說，OpenJDK沒有接受jemalloc(redis們在用)的補丁，直接用malloc在OS裡申請一段記憶體，比在已申請好的JVM堆內記憶體裡劃一塊出來要慢，所以我們在Netty一般用池化的 PooledDirectByteBuf 對DirectByteBuffer進行重用 ，《Netty權威指南》說效能提升了23倍，所以基本不需要頭痛堆外記憶體的釋放，順便還告別了大資料流量下的頻繁GC。

 
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