在 Apache Spark 中，堆外内存（Off-Heap Memory）是直接分配在操作系统的物理内存中，而非 JVM 堆内内存。以下是详细的解释：
1. 堆外内存的本质
操作系统管理
Spark 的堆外内存直接通过操作系统分配（例如使用ByteBuffer.allocateDirect()或底层sun.misc.UnsafeAPI），完全独立于 JVM 堆内存。- JVM 不控制这部分内存：堆外内存的分配和释放由 Spark 或用户代码显式管理（或依赖框架的内存池机制）。
- 不受 GC 影响：堆外内存的数据不会被 JVM 垃圾回收器扫描或回收，因此没有 GC 停顿问题。
物理内存限制
堆外内存的容量取决于操作系统的可用物理内存（或容器的内存限制），而非 JVM 的-Xmx参数。
2. Spark 中堆外内存的用途
Spark 使用堆外内存主要为了优化性能和减少 GC 开销，常见场景包括：
Tungsten 引擎优化
- 序列化后的二进制数据（如 Shuffle、Sort、Join 的中间数据）直接存储在堆外内存，减少对象头开销和 GC 压力。
- 例如：使用
UnsafeRow表示数据，避免 Java 对象的内存开销。
网络传输（Netty）
- Spark 使用 Netty 进行节点间数据传输，Netty 的
PooledByteBuf默认使用堆外内存实现零拷贝（Zero-Copy），提升网络 I/O 效率。
- Spark 使用 Netty 进行节点间数据传输，Netty 的
本地库交互
- 调用 JNI 库（如某些机器学习算法）时，数据可能需要通过堆外内存与本地代码交互。
3. 堆外内存与 JVM 的关系
尽管堆外内存由操作系统直接管理，但 Spark 的 Executor 进程本身运行在 JVM 中，因此存在以下关联：
进程边界
Executor 是 JVM 进程，堆外内存由该进程通过系统调用（如malloc）向操作系统申请，但仍属于该进程的虚拟地址空间。- JVM 参数的影响：堆外内存的分配不受
-Xmx（堆内存上限）限制，但可能受容器资源限制（如 YARN 的--executor-memory）。
- JVM 参数的影响：堆外内存的分配不受
配置参数
Spark 通过spark.executor.memoryOverhead参数设置堆外内存的大小（默认是 Executor 内存的 10%），用于避免容器因堆外内存超额被系统杀死（OOM Killer）。# 示例：为每个 Executor 额外分配 2GB 堆外内存 spark-submit --conf spark.executor.memoryOverhead=2g
4. 堆外内存的优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 避免 GC 停顿，适合大数据量处理 | 需手动管理或依赖框架，容易内存泄漏 |
| 减少对象头开销，内存利用率更高 | 调试困难（需借助 Native 内存分析工具） |
| 支持零拷贝，提升网络和磁盘 I/O 性能 | 配置不当容易导致容器 OOM（需合理设置参数） |
5. 堆内 vs 堆外内存对比
| 特性 | 堆内内存（On-Heap） | 堆外内存（Off-Heap） |
|---|---|---|
| 管理方 | JVM 自动管理（GC） | 手动管理或框架管理 |
| 分配位置 | JVM 堆内 | 操作系统物理内存 |
| 访问速度 | 较慢（通过 JVM 引用） | 较快（直接内存地址） |
| 典型使用场景 | 常规 Java 对象、RDD 缓存 | Shuffle 数据、网络传输、本地库交互 |
| 配置参数 | spark.executor.memory |
spark.executor.memoryOverhead |
6. 常见问题
为什么堆外内存可能导致 Executor 崩溃？
- 如果堆外内存分配超出容器限制（如 YARN 的
memoryOverhead设置过小），操作系统会直接终止进程（OOM Killer），而非抛出 JVM OOM 异常。
如何监控堆外内存使用？
- Spark UI：在 Executor 页面查看 “Off-Heap Memory” 使用情况。
- Native 工具：如
pmap、jcmd或 APM 工具（如 Prometheus + Grafana）。
堆外内存如何释放？
- 框架自动管理：Spark 的内存管理器（如
TaskMemoryManager）会在 Task 完成后回收堆外内存。 - 手动释放：调用
sun.misc.Unsafe的freeMemory（高风险，一般不推荐）。
总结
- Spark 的堆外内存属于操作系统内存，由 Executor 进程直接管理，独立于 JVM 堆。
- 它的核心价值是减少 GC 开销、提升 I/O 性能，但需要合理配置参数（如
memoryOverhead）以避免容器级 OOM。 - 在 Spark 性能调优中，堆外内存的管理（如 Shuffle 优化）是关键方向之一。