JAVA服务突发OOM：堆外内存泄漏、NIO DirectBuffer排查指南

好的，下面是关于Java服务突发OOM，特别是堆外内存泄漏和NIO DirectBuffer问题的排查指南，以讲座形式呈现。

大家好，今天我们来聊聊Java服务OOM（OutOfMemoryError）问题，特别是那些由堆外内存泄漏，尤其是NIO DirectBuffer引起的OOM。OOM是线上服务最常见的也是最让人头疼的问题之一，它会导致服务崩溃，影响用户体验。虽然排查OOM的手段有很多，但堆外内存泄漏往往隐蔽性更强，更难定位。下面，我们将从理论到实践，一步步分析这类问题的排查方法。

1. 堆外内存与DirectBuffer

首先，我们需要了解Java中的内存区域划分。除了我们熟悉的堆内存（Heap Memory）之外，还有堆外内存（Off-Heap Memory）。堆内存由JVM管理，用于存储对象实例。而堆外内存则不由JVM直接管理，而是通过Native方法分配和释放。

DirectBuffer是Java NIO库提供的一种特殊类型的ByteBuffer，它直接在堆外内存中分配空间。这样做的好处是可以避免在Java堆和操作系统内核之间进行数据复制，从而提高I/O性能。例如，在使用SocketChannel进行网络通信时，数据可以直接从内核缓冲区复制到DirectBuffer，而不需要先复制到Java堆中的ByteBuffer，再复制到内核缓冲区。

然而，DirectBuffer的使用也带来了一些问题。由于DirectBuffer的内存分配和释放不由JVM直接控制，如果使用不当，很容易导致堆外内存泄漏。

2. 堆外内存泄漏的常见原因

导致DirectBuffer堆外内存泄漏的常见原因包括：

DirectBuffer对象被GC回收，但其关联的堆外内存未被释放。 这通常是因为DirectBuffer对象不再被引用，JVM认为它可以被回收，但其关联的堆外内存却没有被显式释放。DirectBuffer 的内存释放依赖 sun.misc.Cleaner 机制，但该机制并非实时性，会导致内存延迟释放。
代码逻辑错误导致DirectBuffer对象无法被回收。 例如，DirectBuffer对象被长期引用，导致JVM无法回收。
NIO框架或第三方库的bug导致DirectBuffer内存泄漏。 有些NIO框架或第三方库在处理DirectBuffer时存在bug，导致内存泄漏。
分配了大量的DirectBuffer，超过了系统内存限制。 虽然DirectBuffer使用了堆外内存，但它仍然受到系统内存的限制。如果分配了大量的DirectBuffer，可能会导致系统内存不足，从而引发OOM。

3. 排查DirectBuffer OOM的常用工具和方法

以下是排查DirectBuffer OOM时可以使用的工具和方法。

jstat： jstat是JDK自带的命令行工具，可以用于监控JVM的各种运行指标，包括堆内存使用情况、GC情况等。虽然jstat不能直接查看DirectBuffer的使用情况，但可以通过观察GC情况来间接判断是否存在堆外内存泄漏。如果GC频繁发生，但堆内存使用率却不高，那么很可能存在堆外内存泄漏。
jmap： jmap也是JDK自带的命令行工具，可以用于生成堆转储快照（Heap Dump）。堆转储快照包含了JVM中所有对象的信息，包括DirectBuffer对象。通过分析堆转储快照，我们可以找到DirectBuffer对象，并查看其引用链，从而找到内存泄漏的根源。可以使用 jmap -dump:live,format=b,file=heapdump.bin <pid> 命令生成堆转储文件。
jcmd： jcmd是JDK 7及以上版本提供的命令行工具，它提供了比jstat和jmap更强大的功能。可以使用 jcmd <pid> VM.native_memory summary 命令查看JVM的本地内存使用情况，包括DirectBuffer的使用情况。
VisualVM： VisualVM是JDK自带的可视化监控工具，它可以用于监控JVM的各种运行指标，并生成堆转储快照。VisualVM提供了友好的图形界面，可以方便地查看DirectBuffer的使用情况。
MAT (Memory Analyzer Tool)： MAT是Eclipse基金会提供的内存分析工具，它可以用于分析堆转储快照，查找内存泄漏的根源。MAT提供了强大的查询和分析功能，可以帮助我们快速定位内存泄漏问题。

4. 实战案例：DirectBuffer OOM排查

接下来，我们通过一个实战案例来演示如何排查DirectBuffer OOM。

4.1 问题描述

某个Java服务在线上运行时，突然出现OOM错误，错误信息如下：

java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

4.2 排查步骤

监控JVM运行指标： 使用jstat或VisualVM监控JVM的运行指标，发现GC频繁发生，但堆内存使用率不高。这表明可能存在堆外内存泄漏。
生成堆转储快照： 使用jmap或VisualVM生成堆转储快照。
分析堆转储快照： 使用MAT分析堆转储快照。在MAT中，可以使用OQL（Object Query Language）查询DirectBuffer对象。例如，可以使用以下OQL查询所有DirectBuffer对象：

SELECT * FROM java.nio.DirectByteBuffer

查找内存泄漏的根源： 在MAT中，查看DirectBuffer对象的引用链，找到DirectBuffer对象被长期引用的地方。例如，发现某个DirectBuffer对象被一个静态变量引用，导致JVM无法回收。
修复代码： 修改代码，释放DirectBuffer对象的引用，确保DirectBuffer对象可以被及时回收。例如，将静态变量改为局部变量，或者在不再需要DirectBuffer对象时显式地释放其引用。

4.3 代码示例

以下是一个可能导致DirectBuffer OOM的代码示例：

import java.nio.ByteBuffer;

public class DirectBufferLeak {

    private static ByteBuffer leakedBuffer; //静态变量持有DirectBuffer

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            leakedBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024); // 分配1MB的DirectBuffer
            // 没有释放leakedBuffer的引用
        }
        System.out.println("Done!");
    }
}

在这个例子中，leakedBuffer是一个静态变量，它持有一个DirectBuffer对象的引用。在循环中，每次都分配一个新的DirectBuffer对象，并将其赋值给leakedBuffer。由于leakedBuffer是一个静态变量，它会一直持有DirectBuffer对象的引用，导致DirectBuffer对象无法被回收，从而导致堆外内存泄漏。

修复方法：

将leakedBuffer改为局部变量：

import java.nio.ByteBuffer;

public class DirectBufferLeakFixed {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            ByteBuffer leakedBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024); // 分配1MB的DirectBuffer
            // leakedBuffer是局部变量，循环结束后会被回收
        }
        System.out.println("Done!");
    }
}

或者，在使用完DirectBuffer对象后，显式地释放其引用：

import java.nio.ByteBuffer;

public class DirectBufferLeakFixed2 {

    private static ByteBuffer leakedBuffer;

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            leakedBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024); // 分配1MB的DirectBuffer
            // 使用leakedBuffer
            leakedBuffer = null; // 释放leakedBuffer的引用
        }
        System.out.println("Done!");
    }
}

5. 其他需要注意的点

显式释放DirectBuffer： 在某些情况下，即使DirectBuffer对象不再被引用，其关联的堆外内存也可能不会被立即释放。这是因为DirectBuffer的内存释放依赖 sun.misc.Cleaner 机制，该机制并非实时性。因此，建议在使用完DirectBuffer对象后，显式地释放其内存。可以使用((sun.nio.ch.DirectBuffer)buffer).cleaner().clean()方法释放DirectBuffer的内存。但需要注意的是，这种方式依赖于 sun.misc.Cleaner，属于内部API，在未来的JDK版本中可能会被移除。
设置DirectBuffer的最大内存： 可以通过-XX:MaxDirectMemorySize参数设置DirectBuffer的最大内存。默认情况下，-XX:MaxDirectMemorySize参数的值等于堆内存的最大值。如果DirectBuffer的使用量超过了-XX:MaxDirectMemorySize参数的值，JVM会抛出OOM错误。
使用内存池： 为了避免频繁地分配和释放DirectBuffer，可以使用内存池来管理DirectBuffer。内存池可以预先分配一些DirectBuffer，当需要使用DirectBuffer时，从内存池中获取，使用完后再放回内存池。这样可以减少内存分配和释放的开销，提高性能。
升级JDK版本： 新版本的JDK通常会修复一些DirectBuffer相关的bug，并提供更好的内存管理机制。因此，建议升级到最新版本的JDK。
监控DirectBuffer的使用情况： 可以使用一些监控工具来监控DirectBuffer的使用情况，例如Prometheus、Grafana等。通过监控DirectBuffer的使用情况，可以及时发现内存泄漏问题。
Code Review： 代码审查是避免内存泄漏的有效手段。通过代码审查，可以发现潜在的内存泄漏问题，并及时修复。

6. 总结和建议

排查DirectBuffer OOM是一个复杂的过程，需要耐心和细致。希望今天的分享能够帮助大家更好地理解DirectBuffer OOM的原因，并掌握排查和解决这类问题的方法。记住，预防胜于治疗，在编写代码时，就要注意避免DirectBuffer内存泄漏。

理解堆外内存和DirectBuffer： 它们的工作方式以及可能导致的问题。
使用合适的工具： jstat, jmap, jcmd, VisualVM, MAT等工具在不同的阶段提供不同的帮助。
关注代码质量： 避免长期引用，显式释放，并考虑使用内存池。
监控和告警： 建立监控体系，及时发现异常。

7. 一些思考

DirectBuffer OOM问题通常难以诊断，因为它们发生在JVM堆之外。解决这些问题的关键是理解DirectBuffer的工作原理，并使用适当的工具进行分析。此外，良好的编码习惯和及时的监控也能帮助预防这些问题的发生。希望今天的分享能对大家有所帮助，谢谢！

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