分析内存泄露的一般方法

分析内存泄露的一般步骤

 

    如果发现Java应用程序占用的内存出现了泄露的迹象，那么我们一般采用下面的步骤分析

1. 把Java应用程序使用的heap dump下来
2. 使用Java heap分析工具，找出内存占用超出预期（一般是因为数量太多）的嫌疑对象
3. 必要时，需要分析嫌疑对象和其他对象的引用关系。
4. 查看程序的源代码，找出嫌疑对象数量过多的原因。

dump heap

 

    如果Java应用程序出现了内存泄露，千万别着急着把应用杀掉，而是要保存现场。如果是互联网应用，可以把流量切到其他服务器。保存现场的目的就是为了把运行中JVM的heap dump下来。

 

    JDK自带的jmap工具，可以做这件事情。它的执行方法是：

Java代码  

1. jmap -dump:format=b,file=heap.bin <pid>  

 

    format=b的含义是，dump出来的文件时二进制格式。

    file-heap.bin的含义是，dump出来的文件名是heap.bin。

    <pid>就是JVM的进程号。

    （在linux下）先执行ps aux | grep java，找到JVM的pid；然后再执行jmap -dump:format=b,file=heap.bin <pid>，得到heap dump文件。

analyze heap

 

    将二进制的heap dump文件解析成human-readable的信息，自然是需要专业工具的帮助，这里推荐Memory Analyzer 。

 

    Memory Analyzer，简称MAT，是Eclipse基金会的开源项目，由SAP和IBM捐助。巨头公司出品的软件还是很中用的，MAT可以分析包含数亿级对象的heap、快速计算每个对象占用的内存大小、对象之间的引用关系、自动检测内存泄露的嫌疑对象，功能强大，而且界面友好易用。

 

    MAT的界面基于Eclipse开发，以两种形式发布：Eclipse插件和Eclipe RCP。MAT的分析结果以图片和报表的形式提供，一目了然。总之个人还是非常喜欢这个工具的。下面先贴两张官方的screenshots：

    言归正传，我用MAT打开了heap.bin，很容易看出，char[]的数量出其意料的多，占用90%以上的内存 。一般来说，char[]在JVM确实会占用很多内存，数量也非常多，因为String对象以char[]作为内部存储。但是这次的char[]太贪婪了，仔细一观察，发现有数万计的char[]，每个都占用数百K的内存 。这个现象说明，Java程序保存了数以万计的大String对象 。结合程序的逻辑，这个是不应该的，肯定在某个地方出了问题。

 

顺藤摸瓜

 

    在可疑的char[]中，任意挑了一个，使用Path To GC Root功能，找到该char[]的引用路径，发现String对象是被一个HashMap中引用的 。这个也是意料中的事情，Java的内存泄露多半是因为对象被遗留在全局的HashMap中得不到释放。不过，该HashMap被用作一个缓存，设置了缓存条目的阈值，导达到阈值后会自动淘汰。从这个逻辑分析，应该不会出现内存泄露的。虽然缓存中的String对象已经达到数万计，但仍然没有达到预先设置的阈值（阈值设置地比较大，因为当时预估String对象都比较小）。

 

    但是，另一个问题引起了我的注意：为什么缓存的String对象如此巨大？内部char[]的长度达数百K。虽然缓存中的String对象数量还没有达到阈值，但是String对象大小远远超出了我们的预期，最终导致内存被大量消耗，形成内存泄露的迹象（准确说应该是内存消耗过多） 。

 

    就这个问题进一步顺藤摸瓜，看看String大对象是如何被放到HashMap中的。通过查看程序的源代码，我发现，确实有String大对象，不过并没有把String大对象放到HashMap中，而是把String大对象进行split（调用String.split方法），然后将split出来的String小对象放到HashMap中 了。

 

    这就奇怪了，放到HashMap中明明是split之后的String小对象，怎么会占用那么大空间呢？难道是String类的split方法有问题？

 

查看代码

 

    带着上述疑问，我查阅了Sun JDK6中String类的代码，主要是是split方法的实现：

Java代码 

1. public String[] split(String regex, int limit) {  
2.     return Pattern.compile(regex).split(this, limit);  
3. }  

可以看出，Stirng.split方法调用了Pattern.split方法。继续看Pattern.split方法的代码：

Java代码 

1. public String[] split(CharSequence input, int limit) {  
2.         int index = 0;  
3.         boolean matchLimited = limit > 0;  
4.         ArrayList<String> matchList = new ArrayList<String>();  
5.         Matcher m = matcher(input);  
6.         // Add segments before each match found  
7.         while(m.find()) {  
8.             if (!matchLimited || matchList.size() < limit - 1) {  
9.                 String match = input.subSequence(index, m.start()).toString();  
10.                 matchList.add(match);  
11.                 index = m.end();  
12.             } else if (matchList.size() == limit - 1) { // last one  
13.                 String match = input.subSequence(index,  
14.                                                  input.length()).toString();  
15.                 matchList.add(match);  
16.                 index = m.end();  
17.             }  
18.         }  
19.         // If no match was found, return this  
20.         if (index == 0)  
21.             return new String[] {input.toString()};  
22.         // Add remaining segment  
23.         if (!matchLimited || matchList.size() < limit)  
24.             matchList.add(input.subSequence(index, input.length()).toString());  
25.         // Construct result  
26.         int resultSize = matchList.size();  
27.         if (limit == 0)  
28.             while (resultSize > 0 && matchList.get(resultSize-1).equals(""))  
29.                 resultSize--;  
30.         String[] result = new String[resultSize];  
31.         return matchList.subList(0, resultSize).toArray(result);  
32.     }  

    注意看第9行：Stirng match = input.subSequence(intdex, m.start()).toString();

这里的match就是split出来的String小对象，它其实是String大对象subSequence的结果。继续看String.subSequence的代码：

Java代码 

1. public CharSequence subSequence(int beginIndex, int endIndex) {  
2.         return this.substring(beginIndex, endIndex);  
3. }  

    String.subSequence有调用了String.subString，继续看：

Java代码 

1. public String substring(int beginIndex, int endIndex) {  
2.     if (beginIndex < 0) {  
3.         throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);  
4.     }  
5.     if (endIndex > count) {  
6.         throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);  
7.     }  
8.     if (beginIndex > endIndex) {  
9.         throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex - beginIndex);  
10.     }  
11.     return ((beginIndex == 0) && (endIndex == count)) ? this :  
12.         new String(offset + beginIndex, endIndex - beginIndex, value);  
13.     }  

    看第11、12行，我们终于看出眉目，如果subString的内容就是完整的原字符串，那么返回原String对象；否则，就会创建一个新的String对象，但是这个String对象貌似使用了原String对象的char[]。我们通过String的构造函数确认这一点：

Java代码 

1. // Package private constructor which shares value array for speed.  
2.     String(int offset, int count, char value[]) {  
3.     this.value = value;  
4.     this.offset = offset;  
5.     this.count = count;  
6.     }  

    为了避免内存拷贝、加快速度，Sun JDK直接复用了原String对象的char[]，偏移量和长度来标识不同的字符串内容。也就是说，subString出的来String小对象仍然会指向原String大对象的char[]，split也是同样的情况 。这就解释了，为什么HashMap中String对象的char[]都那么大。

原因解释

 

    其实上一节已经分析出了原因，这一节再整理一下：

1. 程序从每个请求中得到一个String大对象，该对象内部char[]的长度达数百K。
2. 程序对String大对象做split，将split得到的String小对象放到HashMap中，用作缓存。
3. Sun JDK6对String.split方法做了优化，split出来的Stirng对象直接使用原String对象的char[]
4. HashMap中的每个String对象其实都指向了一个巨大的char[]
5. HashMap的上限是万级的，因此被缓存的Sting对象的总大小=万*百K=G级。
6. G级的内存被缓存占用了，大量的内存被浪费，造成内存泄露的迹象。
   

解决方案

 

    原因找到了，解决方案也就有了。split是要用的，但是我们不要把split出来的String对象直接放到HashMap中，而是调用一下String的拷贝构造函数String(String original)，这个构造函数是安全的，具体可以看代码：

Java代码 

1.    /** 
2.     * Initializes a newly created {@code String} object so that it represents 
3.     * the same sequence of characters as the argument; in other words, the 
4.     * newly created string is a copy of the argument string. Unless an 
5.     * explicit copy of {@code original} is needed, use of this constructor is 
6.     * unnecessary since Strings are immutable. 
7.     * 
8.     * @param  original 
9.     *         A {@code String} 
10.     */  
11.    public String(String original) {  
12. int size = original.count;  
13. char[] originalValue = original.value;  
14. char[] v;  
15.     if (originalValue.length > size) {  
16.         // The array representing the String is bigger than the new  
17.         // String itself.  Perhaps this constructor is being called  
18.         // in order to trim the baggage, so make a copy of the array.  
19.            int off = original.offset;  
20.            v = Arrays.copyOfRange(originalValue, off, off+size);  
21.     } else {  
22.         // The array representing the String is the same  
23.         // size as the String, so no point in making a copy.  
24.     v = originalValue;  
25.     }  
26. this.offset = 0;  
27. this.count = size;  
28. this.value = v;  
29.    }  

    只是，new String(string)的代码很怪异，囧。或许，subString和split应该提供一个选项，让程序员控制是否复用String对象的char[]。

是否Bug

 

    虽然，subString和split的实现造成了现在的问题，但是这能否算String类的bug呢？个人觉得不好说。因为这样的优化是比较合理 的，subString和spit的结果肯定是原字符串的连续子序列。只能说，String不仅仅是一个核心类，它对于JVM来说是与原始类型同等重要的类型。

 

    JDK实现对String做各种可能的优化都是可以理解的。但是优化带来了忧患，我们程序员足够了解他们，才能用好他们。

1 内存分析

1.1 jmap -histo 命令
pid=`jps | awk '{if ($2 == "Jps") print $1}'`
jmap -histo $pid >>1.txt 查看pid中类的内存占用
num     #instances（实例数）         #bytes(占用字节)  class name 
class name 解读
B代表byte 
C代表char 
D代表double 
F代表float 
I代表int 
J代表long 
Z代表boolean 
前边有[代表数组，[I 就相当于int[] 
对象用[L+类名表示 

如果某个类的个数特别多， 就得检查是否内存溢出了。

1.2 命令 jmap -heap

    jmap -heap 22792       
    Attaching to process ID 22792, please wait...  
    Debugger attached successfully.  
    Server compiler detected.  
    JVM version is 19.0-b09  
      
    using thread-local object allocation.  
    Parallel GC with 8 thread(s)  
      
    Heap Configuration:  
       MinHeapFreeRatio = 40                            # 对应jvm启动参数 -XX:MinHeapFreeRatio 设置JVM堆最小空闲比率 (默认40)  
       MaxHeapFreeRatio = 70                            # 对应jvm启动参数 -XX:MaxHeapFreeRatio 设置JVM堆最大空闲比率 (默认70)  
       MaxHeapSize      = 10737418240 (10240.0MB)       # 对应jvm启动参数 -XX:MaxHeapSize 设置JVM堆的最大大小  
       NewSize          = 5368709120 (5120.0MB)         # 对应jvm启动参数 -XX:NewSize 设置JVM堆的年轻代的默认大小  
       MaxNewSize       = 5368709120 (5120.0MB)         # 对应jvm启动参数 -XX:MaxNewSize 设置JVM堆的年轻带的最大大小  
       OldSize          = 5439488 (5.1875MB)            # 对应jvm启动参数 -XX:OldSize 设置JVM堆的老年代的大小  
       NewRatio         = 2                             # 对应jvm启动参数 -XX:NewRatio 老年代与年轻代的大小比率   
       SurvivorRatio    = 8                             # 对应jvm启动参数 -XX:SurvivorRatio 设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值   
       PermSize         = 21757952 (20.75MB)            # 对应jvm启动参数 -XX:PermSize 设置JVM堆的持久带的初始大小  
       MaxPermSize      = 1073741824 (1024.0MB)         # 对应jvm启动参数 -XX:MaxPermSize 设置JVM堆的永生代的最大大小  
      
    Heap Usage:  
    PS Young Generation  
    Eden Space:                                         # Eden区内存分布 总量 已使用 空闲 使用比率  
       capacity = 5357305856 (5109.125MB)  
       used     = 1647437208 (1571.118553161621MB)  
       free     = 3709868648 (3538.006446838379MB)  
       30.751225565270396% used  
    From Space:                                         # 其中一个Survivor（sərˈvaɪvər）区内存分布 总量 已使用 空闲 使用比率  
       capacity = 5898240 (5.625MB)  
       used     = 2375696 (2.2656402587890625MB)  
       free     = 3522544 (3.3593597412109375MB)  
       40.278049045138886% used  
    To Space:                                           # 另一个Survivor区内存分布 总量 已使用 空闲 使用比率  
       capacity = 5505024 (5.25MB)  
       used     = 0 (0.0MB)  
       free     = 5505024 (5.25MB)  
       0.0% used  
    PS Old Generation                                   # 当前老年代内存分布 总量 已使用 空闲 使用比率  
       capacity = 5368709120 (5120.0MB)  
       used     = 181392168 (172.98905181884766MB)  
       free     = 5187316952 (4947.010948181152MB)  
       3.3786924183368683% used  
    PS Perm Generation                                  # 当前持久代内存分布 总量 已使用 空闲 使用比率  
       capacity = 72286208 (68.9375MB)  
       used     = 72213176 (68.86785125732422MB)  
       free     = 73032 (0.06964874267578125MB)  
       99.89896827898346% used  

1.3 
  jstat -gcutil [pid] [internal]  很实用
S0: Survivor space 0 区已使用空间的百分比
S1: Survivor space 1 区已使用空间的百分比
E: Eden space 区已使用空间的百分比
O: Old space 区已使用空间的百分比
P: Perm space 区已使用空间的百分比
YGC: Young GC 的次数
YGCT: Young GC 所用的时间 单位秒
FGC: Full GC 的次数
FGCT: Full GC 所用的时间 单位秒
GCT: 用于垃圾回收的总时间 单位秒 

1.4 
尽量减少Full GC的次数, 因为Full GC的消耗要比Monitor GC要大
年轻代大小: 尽可能设大, 降低年轻代GC次数, 同时也减少达到老年代的对象？ 
分配堆栈的最小值最好等于最大值, 因为动态分配也是需要耗费时间的. 如年轻代, 老年代, 持久代的最小最大值可设为一致

2 参数调优

http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/6233007

jmap (linux下特有，也是很常用的一个命令)

　　观察运行中的jvm物理内存的占用情况。

　　参数如下：

　　-heap ：打印jvm heap的情况

　　-histo： 打印jvm heap的直方图。其输出信息包括类名，对象数量，对象占用大小。

　　-histo：live ： 同上，但是只答应存活对象的情况

　　-permstat： 打印permanent generation heap情况

　　命令使用：

　　jmap -heap 3409

　　可以观察到New Generation(Eden Space，From Space，To Space),tenured generation,Perm Generation的内存使用情况

　　输出内容：

　　jmap -histo 3409 | jmap -histo:live 3409

　　可以观察heap中所有对象的情况(heap中所有生存的对象的情况)。包括对象数量和所占空间大小。

　　输出内容：

　　写个脚本，可以很快把占用heap最大的对象找出来，对付内存泄漏特别有效。

　　如果结果很多，可以用以下命令输出到文本文件。

　　jmap -histo 3409 | jmap -histo:live 3409 > a.txt

　　jinfo:可以输出并修改运行时的java 进程的opts。

　　jps:与unix上的ps类似，用来显示本地的java进程，可以查看本地运行着几个java程序，并显示他们的进程号。

　　jstat:一个极强的监视VM内存工具。可以用来监视VM内存内的各种堆和非堆的大小及其内存使用量。

　　jmap:打印出某个java进程(使用pid)内存内的所有'对象'的情况(如：产生那些对象，及其数量)。

　　jconsole:一个java GUI监视工具，可以以图表化的形式显示各种数据。并可通过远程连接监视远程的服务器VM。

　　详细：在使用这些工具前，先用JPS命令获取当前的每个JVM进程号，然后选择要查看的JVM。

　　jstat工具特别强大，有众多的可选项，详细查看堆内各个部分的使用量，以及加载类的数量。使用时，需加上查看进程的进程id，和所选参数。以下详细介绍各个参数的意义。

　　jstat -class pid:显示加载class的数量，及所占空间等信息。

　　jstat -compiler pid:显示VM实时编译的数量等信息。

　　jstat -gc pid:可以显示gc的信息，查看gc的次数，及时间。其中最后五项，分别是young gc的次数，young gc的时间，full gc的次数，full gc的时间，gc的总时间。

　　jstat -gccapacity:可以显示，VM内存中三代(young,old,perm)对象的使用和占用大小，如：PGCMN显示的是最小perm的内存使用量，PGCMX显示的是perm的内存最大使用量，PGC是当前新生成的perm内存占用量，PC是但前perm内存占用量。其他的可以根据这个类推， OC是old内纯的占用量。

　　jstat -gcnew pid:new对象的信息。

　　jstat -gcnewcapacity pid:new对象的信息及其占用量。

　　jstat -gcold pid:old对象的信息。

　　jstat -gcoldcapacity pid:old对象的信息及其占用量。

　　jstat -gcpermcapacity pid: perm对象的信息及其占用量。

　　jstat -util pid:统计gc信息统计。

　　jstat -printcompilation pid:当前VM执行的信息。

　　除了以上一个参数外，还可以同时加上 两个数字，如：jstat -printcompilation 3024 250 6是每250毫秒打印一次，一共打印6次，还可以加上-h3每三行显示一下标题。

　　jmap是一个可以输出所有内存中对象的工具，甚至可以将VM 中的heap，以二进制输出成文本。

　　命令：jmap -dump:format=b,file=heap.bin

　　file：保存路径及文件名

　　pid：进程编号

　　?jmap -histo:live pid| less :堆中活动的对象以及大小

　　?jmap -heap pid : 查看堆的使用状况信息

　　jinfo:的用处比较简单，就是能输出并修改运行时的java进程的运行参数。用法是jinfo -opt pid 如：查看2788的MaxPerm大小可以用 jinfo -flag MaxPermSize 2788。

　　jconsole是一个用java写的GUI程序，用来监控VM，并可监控远程的VM，非常易用，而且功能非常强。使用方法：命令行里打 jconsole，选则进程就可以了。

　　JConsole中关于内存分区的说明。

　　Eden Space (heap)： 内存最初从这个线程池分配给大部分对象。

　　Survivor Space (heap)：用于保存在eden space内存池中经过垃圾回收后没有被回收的对象。

　　Tenured Generation (heap)：用于保持已经在 survivor space内存池中存在了一段时间的对象。

　　Permanent Generation (non-heap): 保存虚拟机自己的静态(refective)数据，例如类(class)和方法(method)对象。Java虚拟机共享这些类数据。这个区域被分割为只读的和只写的，

　　Code Cache (non-heap):HotSpot Java虚拟机包括一个用于编译和保存本地代码(native code)的内存，叫做“代码缓存区”(code cache)

　　?jstack ( 查看jvm线程运行状态，是否有死锁现象等等信息) : jstack pid : thread dump

　　?jstat -gcutil pid 1000 100 : 1000ms统计一次gc情况统计100次;

　　另外推荐一款查看jmap dump 的内存对象工具 MemoryAnalyzer