为Java虚拟机分配堆内存大于机器物理内存会怎么样？

之前在某个地方看到的一个问题，“如果为Java虚拟机指定的堆内存大于物理内存会怎么样？”，今天正好又看到了HotSpot VM中关于为堆分配内存的源代码实现，顺便从源代码角度解答一下这个问题。

我们平时为堆分配内存时，会调用到os::reserve_memory()函数，这个函数的实现如下：

char* os::reserve_memory(
  size_t bytes, char* addr, size_t alignment_hint) {
  char* result = pd_reserve_memory(bytes, addr, alignment_hint);
  return result;
}

char* os::pd_reserve_memory(
  size_t bytes, char* requested_addr,size_t alignment_hint) {
  return anon_mmap(requested_addr, bytes, (requested_addr != NULL));
}　

调用的anon_mmap()函数的实现如下：

源代码位置：openjdk/hotspot/src/os/linux/vm/os_linux.cpp

// 如果参数fixed为true，则要求分配的内存基址从requested_addr开始，如果这个内存基地被
// 占用，则会发生重写，我们不对基址有要求，所以fixed的值为false，requested_addr的值
// 为NULL，如果有值的话，内存基址可能会从从requested_addr开始，不过这不是必须的
static char* anon_mmap(char* requested_addr, size_t bytes, bool fixed) {
  char * addr;
  int flags;

  flags = MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE | MAP_ANONYMOUS;
  if (fixed) {
    flags |= MAP_FIXED;
  }

  addr = (char*)::mmap(requested_addr, bytes, PROT_NONE,flags, -1, 0);

  ...

  return addr == MAP_FAILED ? NULL : addr;
}

默认情况下，内核会为匿名映射（如使用MAP_ANONYMOUS创建的映射）预先分配交换空间，确保物理内存不足时将数据换出。而MAP_NORESERVE会跳过此预留步骤，允许进程分配大于当前 可用物理内存+交换空间总和的内存区域。

我们看一下我本地机器的可用物理内存和交换空间的大小：

物理可用内存5.8G，Swap是4G

这里需要解释一下MAP_NORESERVE，表示“不申请交换空间”。由于Linux申请内存是两阶段提交，阶段一是申请到虚拟内存，当有访问到虚拟内存时才会触发第二阶段，为虚拟内存分配对应的物理内存。这里不申请交换空间，因为是处在阶段一，申请交换空间是一种浪费。

对于第一阶段的内存申请，由于申请的是虚拟内存，实际上64 位操作系统，进程可以使用 128 TB 大小的虚拟内存空间，所以进程申请一个远大于本机物理内存是没问题的，只要不读写这个虚拟内存，操作系统就不会分配物理内存。

假设调用anon_map()函数分配500G，实例如下：

// 1G内存大小
size_t length = 1UL * 1024 * 1024 * 1024;
char*  c = anon_mmap(NULL,length * 500 ,false);

此时使用如下命令查看这个进程分配的虚拟空间：

ps aux | grep -E "VSZ|test"

如下所示。

其中的VSZ显示了进程的虚拟地址空间大小为500G。这个内存已经远远大于了物理内存的大小了。

对于第二阶段来说，我们到底可以使用多大的物理内存呢？这要介绍一下Swap。

当系统的物理内存不够用的时候，就需要将物理内存中的一部分空间释放出来，以供当前运行的程序使用。那些被释放的空间可能来自一些很长时间没有什么操作的程序，这些被释放的空间会被临时保存到磁盘，等到那些程序要运行时，再从磁盘中恢复保存的数据到内存中。

另外，当内存使用存在压力的时候，会开始触发内存回收行为，会把这些不常访问的内存先写到磁盘中，然后释放这些内存，给其他更需要的进程使用。再次访问这些内存时，重新从磁盘读入内存就可以了。

这种，将内存数据换出磁盘，又从磁盘中恢复数据到内存的过程，就是 Swap 机制负责的。

我们先使用如下命令关闭Swap，然后为虚拟机分配堆的大小为6G，实际上可用的物理内存是5.8G，所以不出意外的，内存分配失败了。

这里在启动虚拟机时，添加了-XX:+AlwaysPreTouch参数，这个参数会按页访问内存，这样就能为虚拟内存分配对应的物理内存了。

我们现在开启Swap后，再为虚拟机分配6G堆大小，如下：

可以看到，程序运行成功。再看内存情况后会看到Swap使用了200多M的内存。

实际上不能太多的使用Swap，否则磁盘换入换出，整个系统会非常卡。所以Swap可以看成一种保障，一定程度上可保障在内存吃紧时不会杀掉进程，但是如果虚拟机开始使用Swap，通常会造成性能明显下降，由Swap引起的性能问题也不算少。

所以我们可不能认为，当内存敏感型的程序上线后，如果内存不足，可借用Swap来扩大内存提高程序运行效率。

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