看完这篇文章你还敢说你懂JVM吗？

应用程序通常不直接和内核内存打交道，内核内存由操作系统进行管理和使用;不过随着Linux对性能的关注及改进，一些新的特性使得应用程序可以使 用内核内存，或者是映射到内核空间。Java NIO正是在这种背景下诞生的，其充分利用了Linux系统的新特性，提升了Java程序的IO性能。

上图给出了Java NIO使用的内核内存在linux系统中的分布情况。nio buffer主要包括：nio使用各种channel时所使用的ByteBuffer、Java程序主动使用 ByteBuffer.allocateDirector申请分配的Buffer。而在PageCache里面，nio使用的内存主要包 括：FileChannel.map方式打开文件占用mapped、FileChannel.transferTo和 FileChannel.transferFrom所需要的Cache(图中标示 nio file)。

通过JMX可以监控到NIO Buffer和 mapped 的使用情况，如下图所示。不过，FileChannel的实现是通过系统调用使用原生的PageCache，过程对于Java是透明的，无法监控到这部分内存的使用大小。

Linux和Java NIO在内核内存上开辟空间给程序使用，主要是减少不要的复制，以减少IO操作系统调用的开销。例如，将磁盘文件的数据发送网卡，使用普通方法和NIO时，数据流动比较下图所示：

将数据在内核内存和用户内存之间拷贝是比较消耗资源和时间的事情，而从上图我们可以看到，通过NIO的方式减少了2次内核内存和用户内存之间的数据拷贝。这是Java NIO高性能的重要机制之一(另一个是异步非阻塞)。

从上面可以看出，内核内存对于Java程序性能也非常重要，因此，在划分系统内存使用时候，一定要给内核留出一定可用空间。

三、案例分析

1.内存分配问题

通过上面的分析，省略比较小的区域，可以总结JVM占用的内存：

JVM内存 ≈ Java永久代 + Java堆(新生代和老年代) + 线程栈+ Java NIO

回到文章开头提出的问题，原来的内存分配是：6g(java堆) + 600m(监控) + 800m(系统)，剩余大约600m内存未分配。

现在分析这600m内存的分配情况：

(1)Linux保留大约200m，这部分是Linux正常运行的需要，

(2)Java服务的线程数量是160个，JVM默认的线程栈大小是1m，因此使用160m内存，

(3)Java NIO buffer，通过JMX查到最多占用了200m，

(4)Java服务使用NIO大量读写文件，需要使用PageCache，正如前面分析，这个暂时不好定量估算大小。

前三项加起来已经560m，因此可以断定Linux物理内存不够使用。

细心的人会发现，引言中给出两个服务器，一个SWAP最多占用了2.16g，另外一个SWAP最多占用了871m;但是，似乎我们的内存缺口没有那么大。事实上，这是由于SWAP和GC同时进行造成的，从下图可以看到，SWAP的使用和长时间的GC在同一时刻发生。

SWAP和GC同时发生会导致GC时间很长，JVM严重卡顿，极端的情况下会导致服务崩溃。原因如下：JVM进行GC时，时需要对相应堆分区的已用 内存进行遍历;假如GC的时候，有堆的一部分内容被交换到SWAP中，遍历到这部分的时候就需要将其交换回内存，同时由于内存空间不足，就需要把内存中堆 的另外一部分换到SWAP中去;于是在遍历堆分区的过程中，(极端情况下)会把整个堆分区轮流往SWAP写一遍。Linux对SWAP的回收是滞后的，我 们就会看到大量SWAP占用。

上述问题，可以通过减少堆大小，或者增加物理内存解决。

因此，我们得出一个结论：部署Java服务的Linux系统，在内存分配上，需要避免SWAP的使用;具体如何分配需要综合考虑不同场景下JVM对Java永久代 、Java堆(新生代和老年代)、线程栈、Java NIO所使用内存的需求。

2.内存泄漏问题

另一个案例是，8g内存的服务器，Linux使用800m，监控进程使用600m，堆大小设置4g;系统可用内存有2.5g左右，但是也发生了大量的SWAP占用。

分析这个问题如下：

(1)在这个场景中， Java永久代 、Java堆(新生代和老年代)、线程栈所用内存基本是固定的，因此，占用内存过多的原因就定位在Java NIO上。

(2)根据前面的模型，Java NIO使用的内存主要分布在Linux内核内存的System区和PageCache区。查看监控的记录，如下图，我们可以看到发生SWAP之前，也就是 物理内存不够使用的时候，PageCache急剧缩小。因此，可以定位在System区的Java NIO Buffer发生内存泄漏。

（编辑：PHP编程网 - 黄冈站长网）

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