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Gostaria de uma explicação determinando as caraterísticas de On heap e Off heap Memory em Java.

Sabemos que Thread Stacks, o código da nossa aplicação e os Buffers NIO são todos alocados Off heap. Mas afinal, o que significa este termo?

Quais são as semanticas de alocacão de memória On Heap vs Off Heap?

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    Relacionado: "Heap de memória Java" (obs.: não é duplicata - lá se fala da heap em termos mais gerais, aqui se trata de algo mais específico)
    – mgibsonbr
    Commented 27/06/2015 às 13:58

3 Respostas 3

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Gostaria de uma explicação determinando as caraterísticas de On heap e Off heap Memory em Java.

On-Heap Java Memory é a memória gerenciada pela Java Virtual Machine (JVM), o java heap é estabelecido na inicialização do processo da virtual machine, e o seu tamanho pode ser especificado nesse momento:

java -Xmx2048m -Xms256m (... meus argumentos jvm ...)

Portanto java heap é um espaço em memória disponibilizado à instância da JVM para que esse seja utilizado durante a execução do programa (bytecode), o heap em questão é compartilhado com todas threads pertencentes à instância da JVM (processo).

Mas o que efetivamente "fica" no Java Heap?

Todas as instâncias de classes criadas pela aplicação.

Sendo direto, então temos o Java Heap como um ponto de armazenamento para todas alocações de memória efetuadas pela instância da JVM durante sua execução.

Quais as características mais marcantes desse "ponto de armazenamento"?

  • Gerenciamento automático: "a limpeza" de memoria. (ou Garbage Collection)
  • Não há necessidade de alocação de memória contínua para os elementos (objetos) dentro do Heap.
  • Alocação (ocupação efetiva) de espaço pelo Heap ocorre dinamicamente (para maior ou menor), respeitando os limites especificados na inicialização da JVM e do endereçamento do SO/Arquitetura.

Sabemos que Thread Stacks, o código da nossa aplicação e os Buffers NIO são todos alocados Off heap. Mas afinal, o que significa este termo?

Para entender mais profundamente o conceito de "On Heap" e "Off Heap", vamos visualizar o contexto de execução da instância da JVM:

JVM Arquitetura

Como você observou, uma Thread Stack (ou melhor Java Virtual Machine Stack) estaria "Off Heap" pelo fato de sua área de execução estar dentro de uma Java Thread e não ocorrer dentro do Heap.

Thread Runtime Inside

Agora quanto aos Buffers NIO, o assunto começa a se estreitar. Claramente não existe uma "runtime data area" específica (na arquitetura JVM) para que seja feita alocação de memória fora do jvm heap nativamente.

Digamos que eu queira fazer um caching de um extenso conjunto (Set) de informações, normalmente manteríamos uma instancia estática no heap, e todas as Threads poderiam referenciá-lo "On heap".

E sobre "new I/O APIs" ou ByteBuffer e o "Off Heap"?

A New I/O APIs entrega de um recurso potencial a uma implementação "Off Heap" Memory Mapped File, esse é o direct buffers.

Os pontos chave dele são:

  • O conteúdo de um direct buffer pode residir em memória nativa, ou seja, fora do heap gerenciado pela JVM.
  • Cada JVM deve implementar nativamente as novas operações:
    • NewDirectByteBuffer
    • GetDirectBufferAddress
    • GetDirectBufferCapacity
  • As operações de direct buffers são definidas por um ByteBuffer.

Porque não "On Heap"?

Caso uma aplicação requeresse um volumoso conjunto de informações ao ponto que não seja prático ou viável o seu gerenciamento no heap, pelo excesso de pausas causados pelo Garbage Colletor (ou por estratégias de GC conflitantes em áreas distintas do Heap) podendo nos deixar em face a problemas de java heap memory leak.

Outro ponto seria a respeito de possíveis problemas a um não previsível (ou incompatível) volume de endereçamento de memória (lembre-se, para alocação de objetos no heap não é contínuo, mas para a JVM sim, o alcance/tamanho do heap deve ser especificado na criação do processo da JVM).

Assim como caso quiséssemos compartilhar esse mesmo heap entre instâncias de diferentes JVMs.

Nesses casos estratégia seria a alocação de memória "Off Heap".

A característica definitiva da alocação "Off Heap" é que ela não compartilha do Heap de arquitetura nativa da JVM e de todas suas características e gerenciamento por ela (Garbage Collection por exemplo).

Quais são as semânticas de alocacão de memória On Heap vs Off Heap?

  • Semântica de alocação On Heap:

    public class OffHeap {
        public static void main(String[] args) {
            // TestObject é criado no jvm heap usando o operador new
            // t variavel local no stack recebe referencia de TestObject
            TestObject t = new TestObject();
        }
    }
    
  • semântica de alocação Off Heap:

    Vou usar um exemplo de Peter Lawrey no Stack Overflow Java - Swapping Page. Nesse código é criado um HashMap customizado suportando ser paginado em arquivos de memória "Off Heap".

    class LongIntParallelHashMultimap {
        private static final int NULL = 0;
        private final FileChannel channel1, channel2;
        private final LongBuffer keys;
        private final IntBuffer values;
        private final int capacity;
        private int size;
    
        public LongIntParallelHashMultimap(int capacity, String basename) throws IOException {
            assert (capacity & (capacity - 1)) == 0 : "Capacity " + capacity + " must be a power of 2";
            this.capacity = capacity;
            channel1 = new RandomAccessFile(basename + ".keys", "rw").getChannel();
            keys = channel1.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, capacity * 8).order(ByteOrder.nativeOrder()).asLongBuffer();
            // load keys into memory
            for(int i=0;i<capacity;i+=512) keys.get(i);
    
            channel2 = new RandomAccessFile(basename + ".values", "rw").getChannel();
            values = channel2.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, capacity * 4).order(ByteOrder.nativeOrder()).asIntBuffer();
            for(int i=0;i<capacity;i+=1024) values.get(i);
        }
    
        public void put(long key, int value) {
            long key1 = key + 1;
            int index = indexFor(key1);
            while (keys.get(index) != NULL) {
                index = successor(index);
            }
            values.put(index, value);
            keys.put(index, key1);
            ++size;
        }
    
        /**
         * Uses a pre-allocated array and return the count of matches.
         */
        public int get(long key, int[] hits) {
            long key1 = key + 1;
            int index = indexFor(key1);
            int hitIndex = 0;
    
            while (keys.get(index) != NULL) {
                if (keys.get(index) == key1) {
                    hits[hitIndex] = values.get(index);
                    ++hitIndex;
                }
                index = successor(index);
            }
    
            return hitIndex;
        }
    
        private int indexFor(long key) {
            return Math.abs((int) ((key * 5700357409661598721L) & (capacity - 1)));
        }
    
        private int successor(int index) {
            return (index + 1) & (capacity - 1);
        }
    
        public int size() {
            return size;
        }
    
        public void close() {
            try {
                channel1.close();
                channel2.close();
            } catch (IOException ignored) {
            }
            try {
                ((DirectBuffer) keys).cleaner().clean();
                ((DirectBuffer) values).cleaner().clean();
            } catch (Throwable notSupportedOnThisPlatform) {
            }
        }
    }
    

    Contexto de execução:

    long heap = Runtime.getRuntime().totalMemory() - Runtime.getRuntime().freeMemory();
    RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("array.dat", "rw");
    IntBuffer map = raf.getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1 << 30).order(ByteOrder.nativeOrder()).asIntBuffer();
    for (int i = 0; i < map.capacity(); i++)
        map.put(i, i);
    long heap2 = Runtime.getRuntime().totalMemory() - Runtime.getRuntime().freeMemory();
    System.out.printf("Wrote %,d int values, heap used %,d bytes approx%n", map.capacity(), heap2 - heap);
    

    Resultado:

    Wrote 268,435,456 int values, heap used 0 approx
    
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Off Heap vs On Heap

On heap memory é o espaço de memória controlado pela JVM (exemplo: limpeza de variáveis automática - GC) enquanto o off heap memory é controlado pelo desenvolvedor e é este quem precisa liberar (limpar) os espaços de memórias consumidos.

Algo que pode ajudar no entendimento do porque usar memória off-heap:

A coleta de lixo (GC) em uma JVM pode ser um impedimento de desempenho. Um servidor não pode exercer controle sobre quando ocorre a coleta de lixo na memória heap da JVM e o servidor tem pouco controle sobre os acionadores para chamada.

A memória fora do heap transfere valores para uma área de armazenamento que não está sujeita ao Java GC. Aproveitando o armazenamento fora de heap, um aplicativo pode reduzir a quantidade de armazenamento de heap que está sujeita à sobrecarga do GC.

A memória fora do heap funciona em conjunto com o heap, não o substitui. As chaves são armazenadas no espaço de memória heap.

O armazenamento fora do heap é mais adequado para padrões de dados em que:

  • Os valores armazenados são relativamente uniformes em tamanho
  • Os valores armazenados têm, em sua maioria, menos de 128 K de tamanho
  • Os padrões de uso envolvem ciclos de muitas criações seguidos por destruições ou limpezas
  • Os valores não precisam ser desserializados com frequência
  • Muitos dos valores são dados de referência de longa duração

Fonte:

https://geode.apache.org/docs/guide/114/managing/heap_use/off_heap_management.html#:~:text=Off%2Dheap%20memory%20offloads%20values,it%20does%20not%20replace%20it.

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A JVM possui um heap / free store de tamanho definido, e este tamanho pode ser alterado. Em C++, para alocar memória no heap, utiliza-se do operador new (Se não utilizar o operador new, a memória é alocada no stack de tamanho definido no momento de execução do programa). Em Java, toda alocação de memória é feita no heap by default (Nâo é possível alocar no stack), e o GC / Garbage Collector fica responsável pela "limpeza" e verificação da mesma (Por isso Java manteu a convenção de utilizar o operador new, mesmo sendo desnecessário / inútil no Java).

A diferença é aqui, é que ao utilizar C/C++, a alocação é feita no heap do OS, e no Java, a alocação é feita no heap da JVM. Quando esse tamanho limite é excedido em uma aplicação muito grande, é possível alocar memória no heap do OS por meio de serialização, e por isso chama-se off-heap.

On-heap: Heap da JVM. Off-heap: Heap do OS.

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    Não sei por que negativaram. Para mim, que não sou especialista em Java nem C++, a resposta parece OK. Porém as pessoas têm a liberdade de negativar sem comentar, tanto aqui como no site em inglês. Claro que incentivamos que comentem, para que o autor possa corrigir eventuais erros na resposta.
    – bfavaretto
    Commented 29/06/2015 às 19:28
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    Discordo da sua resposta, o operador new é a instrução especifica para criação da instancia no JVM Heap, caso você não queria criar uma Struct-like no Heap é plenamente possível manipular toda a estrutura localmente no JVM Thread Stack. Commented 5/07/2015 às 22:20
  • Não votei negativo na sua resposta e só a estou vendo agora. O operador new não é desnecessário ou inútil no Java de forma nenhuma, o seu uso não se restringe só a questões de gerenciamento de memória, aliás este ponto chega a ser irrelevante em questão do uso do operador. No segundo parágrafo, você dá a entender que o que faz a memória ficar off-heap é o tamanho da aplicação, o que não é verdade. Enfim, me parece que a sua resposta está simplesmente errada, e por isso você recebeu os votos contrários. Commented 6/07/2015 às 3:16

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