flink内存管理（二）：MemorySegment的设计与实现:（1）架构、（2）管理堆内/外内存、（3）写入/读取内存、（4）垃圾清理器

• 在flink内存管理（一）中我们已经知道：在Flink中会将对象序列化成二进制格式数据，然后写入预先分配的内存块，而这个内存块就是MemorySegment。
• MemorySegments作为Flink内存管理的最小内存分配单元，能够申请堆内存和堆外内存空间，并对上层提供丰富且高效的内存数据读写方法。

一. MemorySegment架构概览

在flink1.16.1中MemorySegment已作为单独的一个类用于处理：堆内内存、堆外直接内存或堆外不安全内存。

单独的原因：关于效率的注意事项：为了获得最佳效率，MemorySegment不会通过继承来分离不同内存类型的实现，以避免在调用抽象方法时寻找具体实现的开销。

MemorySegment架构描述

1. 为了尽可能避免直接实例化MemorySegment对象，Flink通过MemorySegmentFactory工厂类创建了MemorySegment。这是因为使用工厂模式控制类的创建，能够帮助JIT执行虚化（de-virtualized）和内联（inlined）的性能优化。
2. DataOutputView接口扩展了java.io.DataOutput接口，提供了对一个或多个MemorySegment执行写入操作的视图。使用DataOutputView提供的方法可以灵活高效地将数据按顺序写入连续的MemorySegment内存块中。
3. DataInputView接口扩展了java.io.DataInput接口，提供了对一个或多个MemorySegment执行读取操作的视图。使用DataInputView提供的方法可以灵活高效地按顺序读取MemorySegment中的内存数据。
4. MemoryManager主要用于管理排序、哈希和缓存等操作对应的内存空间，且这些操作主要集中在离线计算场景中。
5. NetworkBufferPool通过MemorySegmentFactory申请用于存储NetworkBuffer的MemorySegment内存空间。

 

JIT编译

JIT（即时编译）是一种在程序运行时将代码编译成机器码的编译技术。JIT编译的优势在于它可以根据程序的实际运行情况进行优化，使得在特定平台上达到更好的性能。

MemorySegment是系统最底层的内存管理单元，可想而知，MemorySegment在整个系统中的使用频率是非常高的。在JIT编译过程中，最好的处理方式就是明确需要调用的方法，早期MemorySegment因为是独立的Final类，JIT编译时要调用的方法都是确定的。

之前的版本将HybridMemorySegment和HeapMemorySegment两个子类加载到JVM，此时JIT编译器只有在真正执行方法的时候才会确认是哪一个子类的方法，这样就无法提前判断使用哪一个实现的虚方法，也就无法直接调用，就会影响JVM的性能。

 

二. MemorySegment详解

1.基于MemorySegment管理堆内存

我们已经知道，MemorySegment只能通过MemorySegmentFactory创建，并且在MemorySegmentFactory中直接提供了基于堆内存创建MemorySegment的方法。

如下代码所示，在MemorySegmentFactory.wrap()方法中可以直接将byte[] buffer数组封装成MemorySegment，其中byte[]数组中的内存空间实际上就是从堆内存中申请的。

/**
*创建一个以给定堆内存区域为新的memory segments。
此方法应用于将短期字节数组转换为memory segments.
*/
public static MemorySegment wrap(byte[] buffer) {
     
    return new MemorySegment(buffer, null);  
}

除了将已有的byte[]数组空间转换成MemorySegment之外，在MemorySegmentFactory中同时提供了通过分配堆内存空间创建MemorySegment的方法。如代码所示，在MemorySegmentFactory.allocateUnpooledSegment()方法中通过指定参数size申请固定数量的byte[]数组，这里new byte[size]的操作实际上就是从堆内存申请内存空间。

//分配一些非池化内存并创建一个代表该内存的新内存段。
//此方法类似于allocateUnpooledSegment(int, Object) ，但内存段的所有者为 null。
public static MemorySegment allocateUnpooledSegment(int size) {
     
    return allocateUnpooledSegment(size, null);  
}

 

在MemorySegment构造器中，提供了对byte[] buffer堆内存进行初始化的逻辑，在方法中首先将buffer赋值给heapMemory，然后将address设定为BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET，表示byte[]数组内容的起始部分，然后根据数组对象和偏移量获取元素值（getObject）。

设定offHeapBuffer和cleaner为空。offHeapBuffer和cleaner主要在OffHeap中使用，owner参数表示当前的所有者，通常情况下设定为空。

//创建一个新的memory segment，表示字节数组的内存。
//由于字节数组由堆内存支持，因此该内存段将其数据保存在堆上。缓冲区的大小必须至少为 8 字节。
//memory segment引用给定的owner
MemorySegment(@Nonnull byte[] buffer, @Nullable Object owner) {
     
    this.heapMemory = buffer;  
    this.offHeapBuffer = null;  
    this.size = buffer.length;  
    this.address = BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET;  
    this.addressLimit = this.address + this.size;  
    this.owner = owner;  
    this.allowWrap = true;  
    this.cleaner = null;  
    this.isFreedAtomi