堆外内存和堆内内存

   堆外内存又称为直接内存(Direct Memory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域.一直以来是Javaer们难以关注的一片领域,今天我们就一起探索一下这片区域究竟隐藏着什么东东????

    JVM可以使用的内存分外2种：堆内存和堆外内存.

我们先看一下我们已经相对来说十分熟悉的堆内内存:

Java堆(JAva Heap)是Java虚拟机所管理的内存中的最大的一块.Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建.此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存.这一点Java虚拟机所规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配,标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么"绝对"了,所有有了堆外内存的概念.

•    堆内存完全由JVM负责分配和释放，如果程序没有缺陷代码导致内存泄露，那么就不会遇到java.lang.OutOfMemoryError这个错误。
•     使用堆外内存，就是为了能直接分配和释放内存，提高效率。JDK5.0之后，代码中能直接操作本地内存的方式有2种：使用未公开的Unsafe和NIO包下ByteBuffer。

我们一起来看看NIO中提供的ByteBuffer:

我们将最大堆外内存设置成40M，运行这段代码会发现：程序可以一直运行下去，不会报OutOfMemoryError。如果使用了-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails，会发现程序频繁的进行垃圾回收活动。那么DirectByteBuffer究竟是如何释放堆外内存的？

    我们修改下JVM的启动参数，重新运行之前的代码：

与之前的JVM启动参数相比，增加了-XX:+DisableExplicitGC，这个参数作用是禁止代码中显示调用GC。代码如何显示调用GC呢，通过System.gc()函数调用。如果加上了这个JVM启动参数，那么代码中调用System.gc()没有任何效果，相当于是没有这行代码一样。

显然堆内存（包括新生代和老年代）内存很充足，但是堆外内存溢出了。也就是说NIO直接内存的回收，需要依赖于System.gc()。如果我们的应用中使用了java nio中的direct memory，那么使用-XX:+DisableExplicitGC一定要小心，存在潜在的内存泄露风险。 

 我们知道java代码无法强制JVM何时进行垃圾回收，也就是说垃圾回收这个动作的触发，完全由JVM自己控制，它会挑选合适的时机回收堆内存中的无用java对象。代码中显示调用System.gc()，只是建议JVM进行垃圾回收，但是到底会不会执行垃圾回收是不确定的，可能会进行垃圾回收，也可能不会。什么时候才是合适的时机呢？一般来说是，系统比较空闲的时候（比如JVM中活动的线程很少的时候），还有就是内存不足，不得不进行垃圾回收。我们例子中的根本矛盾在于：堆内存由JVM自己管理，堆外内存必须要由我们自己释放；堆内存的消耗速度远远小于堆外内存的消耗，但要命的是必须先释放堆内存中的对象，才能释放堆外内存，但是我们又不能强制JVM释放堆内存。

 Direct Memory的回收机制：Direct Memory是受GC控制的，例如ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(1024)，这段代码的执行会在堆外占用1k的内存，Java堆内只会占用一个对象的指针引用的大小，堆外的这1k的空间只有当bb对象被回收时，才会被回收，这里会发现一个明显的不对称现象，就是堆外可能占用了很多，而堆内没占用多少，导致还没触发GC，那就很容易出现Direct Memory造成物理内存耗光。

 Direct ByteBuffer分配出去的内存其实也是由GC负责回收的，而不像Unsafe是完全自行管理的，Hotspot在GC时会扫描Direct ByteBuffer对象是否有引用，如没有则同时也会回收其占用的堆外内存。

使用堆外内存与对象池都能减少GC的暂停时间，这是它们唯一的共同点。生命周期短的可变对象，创建开销大，或者生命周期虽长但存在冗余的可变对象都比较适合使用对象池。生命周期适中，或者复杂的对象则比较适合由GC来进行处理。然而，中长生命周期的可变对象就比较棘手了，堆外内存则正是它们的菜。

堆外内存的好处是：

(1)可以扩展至更大的内存空间。比如超过1TB甚至比主存还大的空间;

(2)理论上能减少GC暂停时间;

(3)可以在进程间共享，减少JVM间的对象复制，使得JVM的分割部署更容易实现;

(4)它的持久化存储可以支持快速重启，同时还能够在测试环境中重现生产数据

站在系统设计的角度来看，使用堆外内存可以为你的设计提供更多可能。最重要的提升并不在于性能

为什么堆外内存能够提升IO效率？

　　堆内内存由JVM管理，属于“用户态”；而堆外内存由OS管理，属于“内核态”。如果从堆内向磁盘写数据时，数据会被先复制到堆外内存，即内核缓冲区，然后再由OS写入磁盘，使用堆外内存避免了数据从用户内向内核态的拷贝。

使用堆外内存的原因

• 对垃圾回收停顿的改善
  因为full gc 意味着彻底回收，彻底回收时，垃圾收集器会对所有分配的堆内内存进行完整的扫描，这意味着一个重要的事实——这样一次垃圾收集对Java应用造成的影响，跟堆的大小是成正比的。过大的堆会影响Java应用的性能。如果使用堆外内存的话，堆外内存是直接受操作系统管理( 而不是虚拟机 )。这样做的结果就是能保持一个较小的堆内内存，以减少垃圾收集对应用的影响。
• 在某些场景下可以提升程序I/O操纵的性能。少去了将数据从堆内内存拷贝到堆外内存的步骤。

什么情况下使用堆外内存

• 堆外内存适用于生命周期中等或较长的对象。( 如果是生命周期较短的对象，在YGC的时候就被回收了，就不存在大内存且生命周期较长的对象在FGC对应用造成的性能影响 )。
• 直接的文件拷贝操作，或者I/O操作。直接使用堆外内存就能少去内存从用户内存拷贝到系统内存的操作，因为I/O操作是系统内核内存和设备间的通信，而不是通过程序直接和外设通信的。
• 同时，还可以使用 池+堆外内存 的组合方式，来对生命周期较短，但涉及到I/O操作的对象进行堆外内存的再使用。( Netty中就使用了该方式 )

堆外内存的特点

• 对于大内存有良好的伸缩性
• 对垃圾回收停顿的改善可以明显感觉到
• 在进程间可以共享，减少虚拟机间的复制
   

堆外内存的一些问题

• 堆外内存回收问题，以及堆外内存的泄漏问题。这个在上面的源码解析已经提到了
• 堆外内存的数据结构问题：堆外内存最大的问题就是你的数据结构变得不那么直观，如果数据结构比较复杂，就要对它进行串行化（serialization），而串行化本身也会影响性能。另一个问题是由于你可以使用更大的内存，你可能开始担心虚拟内存（即硬盘）的速度对你的影响了。