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浅谈JVM - 内存结构（五）- 堆

程序员文章站 2022-03-12 23:29:34
...

5.1 定义

Heap 堆

  • 通过new关键字，创建对象都会使用堆内存

  • 线程共享的，堆中对象都需要考虑线程安全的问题

  • 有垃圾回收机制

  • Java 堆（Java Heap）是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块，也被称为 “GC堆”，是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时被创建。

  • 唯一目的就是储存对象实例和数组（JDK7 已把字符串常量池和类静态变量移动到 Java 堆），几乎所有的对象实例都会存储在堆中分配。随着 JIT 编译器发展，逃逸分析、栈上分配、标量替换等优化技术导致并不是所有对象都会在堆上分配。

  • Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域。堆内存分为新生代 (Young) 和老年代 (Old) ，新生代 (Young) 又被划分为三个区域：Eden、From Survivor、To Survivor。

    浅谈JVM - 内存结构（五）- 堆

5.2 堆内存溢出

如果 Java 堆尝试扩展内存的时候无法申请到足够的内存，那 Java 虚拟机将抛出一个 OutOfMemoryError 异常。

问题：既然有垃圾回收机制，为何还会出现堆内存溢出的情况呢？

解答：垃圾回收机制是回收不被使用的对象，当对象被引用或间接引用时，就不会被垃圾回收，导致内存占用越来越大，从而出现内存溢出。

示例代码

/**
 * -Xmx8m  调整堆内存最大为8m
 */
public class Demo {

    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            List<Object> list = new ArrayList<>();
            String a = "hello";
            while (true) {
                list.add(a);
                a = a + a;
                i++;
            }
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println(i);
        }
    }

}

输出

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.ensureCapacityInternal(AbstractStringBuilder.java:124)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:448)
    at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:136)
    at com.loksail.learndemo.Demo.main(Demo.java:18)
17

通过调整最大堆内存为8m，list在添加到第18个元素时，就出现了内存溢出，主要原因是程序中list集合一直处于使用中，且不断创建的String对象同样被list集合引用，从而无法被垃圾回收，导致list集合所占内存越来越大及String对象越来越多，从而抛出OutOfMemoryError异常。

5.3 堆内存诊断

5.3.1 jps工具

查看当前系统中有哪些java进程

[aaa@qq.com ~]# jps
1237 AgentDaemon
27773 es-yxfbp-main-1.0.0.jar
2974 Jps

5.3.2 jmap工具

  • 查看当前堆内存占用情况

    jmap -heap 进程id

    示例代码

    public class Demo {

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      System.out.println("1...........");
      Thread.sleep(20000L);
      byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 10];  //10m
      System.out.println("2...........");
      Thread.sleep(10000L);
      bytes = null;
      System.gc();
      System.out.println("3...........");
      Thread.sleep(100000000L);
  }

}

    查看当前进程号

    D:\JWF\Gitee\learn-demo\src\main\java\com\loksail\learndemo>jps
15380 Demo
12840 Launcher
17000 Jps
3928
10012 Launcher

    当打印1………..后的内存输出

    D:\JWF\Gitee\learn-demo\src\main\java\com\loksail\learndemo>jmap -heap 15380
Attaching to process ID 15380, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 25.221-b11

using thread-local object allocation.
Parallel GC with 4 thread(s)

Heap Configuration:
 MinHeapFreeRatio         = 0
 MaxHeapFreeRatio         = 100
 MaxHeapSize              = 4261412864 (4064.0MB)
 NewSize                  = 88604672 (84.5MB)
 MaxNewSize               = 1420296192 (1354.5MB)
 OldSize                  = 177733632 (169.5MB)
 NewRatio                 = 2
 SurvivorRatio            = 8
 MetaspaceSize            = 21807104 (20.796875MB)
 CompressedClassSpaceSize = 1073741824 (1024.0MB)
 MaxMetaspaceSize         = 17592186044415 MB
 G1HeapRegionSize         = 0 (0.0MB)

Heap Usage:
PS Young Generation
Eden Space:
 capacity = 66584576 (63.5MB)
 used     = 6658584 (6.350120544433594MB)
 free     = 59925992 (57.149879455566406MB)
 10.00018983375369% used
From Space:
 capacity = 11010048 (10.5MB)
 used     = 0 (0.0MB)
 free     = 11010048 (10.5MB)
 0.0% used
To Space:
 capacity = 11010048 (10.5MB)
 used     = 0 (0.0MB)
 free     = 11010048 (10.5MB)
 0.0% used
PS Old Generation
 capacity = 177733632 (169.5MB)
 used     = 0 (0.0MB)
 free     = 177733632 (169.5MB)
 0.0% used

3170 interned Strings occupying 260168 bytes.

    当打印2………..后的内存输出

    D:\JWF\Gitee\learn-demo\src\main\java\com\loksail\learndemo>jmap -heap 15380
Attaching to process ID 15380, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 25.221-b11

using thread-local object allocation.
Parallel GC with 4 thread(s)

Heap Configuration:
 MinHeapFreeRatio         = 0
 MaxHeapFreeRatio         = 100
 MaxHeapSize              = 4261412864 (4064.0MB)
 NewSize                  = 88604672 (84.5MB)
 MaxNewSize               = 1420296192 (1354.5MB)
 OldSize                  = 177733632 (169.5MB)
 NewRatio                 = 2
 SurvivorRatio            = 8
 MetaspaceSize            = 21807104 (20.796875MB)
 CompressedClassSpaceSize = 1073741824 (1024.0MB)
 MaxMetaspaceSize         = 17592186044415 MB
 G1HeapRegionSize         = 0 (0.0MB)

Heap Usage:
PS Young Generation
Eden Space:
 capacity = 66584576 (63.5MB)
 used     = 17144360 (16.350135803222656MB)
 free     = 49440216 (47.149864196777344MB)
 25.748245359405757% used
From Space:
 capacity = 11010048 (10.5MB)
 used     = 0 (0.0MB)
 free     = 11010048 (10.5MB)
 0.0% used
To Space:
 capacity = 11010048 (10.5MB)
 used     = 0 (0.0MB)
 free     = 11010048 (10.5MB)
 0.0% used
PS Old Generation
 capacity = 177733632 (169.5MB)
 used     = 0 (0.0MB)
 free     = 177733632 (169.5MB)
 0.0% used

3171 interned Strings occupying 260232 bytes.

    当打印3………..后的内存输出

    D:\JWF\Gitee\learn-demo\src\main\java\com\loksail\learndemo>jmap -heap 15380
Attaching to process ID 15380, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 25.221-b11

using thread-local object allocation.
Parallel GC with 4 thread(s)

Heap Configuration:
 MinHeapFreeRatio         = 0
 MaxHeapFreeRatio         = 100
 MaxHeapSize              = 4261412864 (4064.0MB)
 NewSize                  = 88604672 (84.5MB)
 MaxNewSize               = 1420296192 (1354.5MB)
 OldSize                  = 177733632 (169.5MB)
 NewRatio                 = 2
 SurvivorRatio            = 8
 MetaspaceSize            = 21807104 (20.796875MB)
 CompressedClassSpaceSize = 1073741824 (1024.0MB)
 MaxMetaspaceSize         = 17592186044415 MB
 G1HeapRegionSize         = 0 (0.0MB)

Heap Usage:
PS Young Generation
Eden Space:
 capacity = 66584576 (63.5MB)
 used     = 1331712 (1.27001953125MB)
 free     = 65252864 (62.22998046875MB)
 2.0000307578740157% used
From Space:
 capacity = 11010048 (10.5MB)
 used     = 0 (0.0MB)
 free     = 11010048 (10.5MB)
 0.0% used
To Space:
 capacity = 11010048 (10.5MB)
 used     = 0 (0.0MB)
 free     = 11010048 (10.5MB)
 0.0% used
PS Old Generation
 capacity = 177733632 (169.5MB)
 used     = 1083488 (1.033294677734375MB)
 free     = 176650144 (168.46670532226562MB)
 0.6096133791943216% used

3157 interned Strings occupying 259256 bytes.

    分析

    在输出的内存信息中，Heap Configuration为程序的堆设置，Heap Usage为堆使用情况，我们最主要关注的是Eden Space的使用情况

  • 在打印1之后，使用的堆内存为6.350120544433594MB，此时并没有对象创建

  • 在打印2之后，使用的堆内存为16.350135803222656MB，多增加10M左右是因为代码中创建了10M的byte数组

  • 在打印3之后，使用的堆内存为1.27001953125MB，因为此时byte数组置为空，对应的对象空间不再使用，此时调用垃圾回收将会回收这部分内存，从而使堆内存的使用下降。

  • 生成堆内存转储快照

    jmap -dump:format=b,file=文件名称 进程号
如：jmap -dump:format=b,file=D://demo.hprof 13777

    将堆内存dump下来后，使用jvisualvm加载文件，同样可以分析堆内存占用情况

5.3.3 jconsole工具

jconsole

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执行之前的Demo程序，通过jconsole可以明显观察到堆内存的变化，同时jconsole可以观察线程及CPU的相关信息，也可手动进行垃圾回收。

5.3.4 jvisualvm工具

jvisualvm

此工具与jconsole功能相似，但是其可通过堆dump来查看堆内存的具体占用情况

示例代码

public class Demo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Student> students = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            students.add(new Student());
        }
        Thread.sleep(100000000);
    }

    static class Student {
        private byte[] bytes = new byte[1024 * 1024];;
    }

}

通过jvisualvm可看到当前堆内存信息，堆内存占用229m左右

浅谈JVM - 内存结构（五）- 堆

点击执行垃圾回收后，堆内存占用218m左右

浅谈JVM - 内存结构（五）- 堆

可以看到堆内存占用并没有减少多少，如果不分析代码，如何来分析堆内存的具体占用信息呢？

使用jvisualvm的堆dump

浅谈JVM - 内存结构（五）- 堆

通过右侧的查看大小最大的对象可以看到，ArrayList对象占用堆内存最大，点击查看

浅谈JVM - 内存结构（五）- 堆

可以看到，ArrayList对象占用了200m左右的内存，其size为200，集合中元素为Student对象，大小为1m，主要是byte数组占用了1m。也就是存储了200个Student对象的list集合占用了200m的堆内存，再结合代码分析可知，由于ArrayList对象仍在方法的作用域中，仍被虚拟机栈的局部变量表引用，从而不会被垃圾回收，从而导致堆内存占用不会下降。

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