JVM内存占用情况深入分析

本文转自阿飞的博客

很多同学都问过这个问题,为什么我的Xmx设置4g,但是TOP命令查询RES却占用5G,6G,甚至10G。这个正常吗?也可以说正常,也可以说不正常,怎么判断?笔者今天就要为你解答这个问题,叫你如何分析JVM占用的内存都分配到了哪里,哪些地方合理,哪些地方异常。

内存分布

首先,列举一下一个JVM进程主要占用内存的一些地方:

  • Young
  • Old
  • metaspace
  • java thread count * Xss
  • other thread count * stacksize (非Java线程
  • Direct memory
  • native memory
  • codecache

说明:包括但不限于此。

接下来一步一步验证每个区域占用的内存。并且为了验证这个问题,写了一个工具类,里面有给每个区域分配内存的方法,源码在文末。

运行过程中的JVM参数如下:

-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -Xmx2g -Xms2g -Xmn1g 
-XX:PretenureSizeThreshold=2M -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC  
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=90 -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly 
-XX:MaxDirectMemorySize=512m -XX:MetaspaceSize=256m -XX:MaxMetaspaceSize=256m

Young+Old

我们先从最简单的堆占用内存开始,即Xmx和Xms参数申明,它包括young和old区。分别分配800M和200M内存,main方法如下:

public static void main(String[] args) throws Exception{
    youngAllocate(800);
    oldAllocate(200);
    Thread.sleep(300000);
}

通过TOP命令查看,RES为1G:

PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                                                                   
 22481 afei      20   0 4366m 1.0g  11m S  0.5 27.0   0:02.41 java

通过jstat命令也能看到,Old和Eden分别占用200M和800M。

这里再增加一个有趣的测试,young和old区分别分配1000M和1000M内存,main方法如下:

public static void main(String[] args) throws Exception{
    youngAllocate(1000);
    oldAllocate(1000);
    // 为了CMS GC顺利触发,这里需要sleep 5s以上,建议时间长一点,让整个CMS GC顺利完成。
    Thread.sleep(300000);
}

这样就会导致发生一次YGC和一个CMS GC,那么你认为这时候通过TOP命令查看RES结果是多少呢?这时候应该是1.8G,除了S0/S1两个区域,eden和Old区域都写入过数据,而 JVM使用过的内存就不会归还给操作系统,除非JVM进程宕机或者重启 ,这个结论很重要:

PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                                                                   
 22707 afei      20   0 4366m 1.8g  11m S  0.0 48.7   0:00.90 java

Young+Old+Metaspace

接下来,我们再通过程序在Metaspace中重复加载20w个对象,即metaspace分配200M左右的内存,main方法如下:

public static void main(String[] args) throws Exception{
    youngAllocate(1000);
    oldAllocate(1000);
    metaspaceAllocate(200000);
    Thread.sleep(60000);
}

通过TOP命令查看,RES为2.0G:

PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                                                                   
 22781 afei      20   0 4472m 2.0g  12m S  0.0 54.7   0:07.51 java

即前面分析的1.8G+208M(213822/1024),在JVM进程退出时有一行这样的日志:

Metaspace       used 213822K, capacity 215618K, committed 215936K, reserved 1165312K

Young+Old+Metaspace+DirectMemory

接下来,我们再通过程序给堆外分配400M,main方法如下:

public static void main(String[] args) throws Exception{
    youngAllocate(1000);
    oldAllocate(1000);
    metaspaceAllocate(200000);
    directMemoryAllocate(400);
    Thread.sleep(60000);
}

通过TOP命令查看,RES为2.4G:

PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                                                                   
 23329 afei      20   0 4874m 2.4g  12m S  0.0 65.2   0:12.67 java

Abount DirectMemory

在Java的上下文里,特指通过一组特定的API访问native memory,这组API主要由DirectByteBuffer暴露出来,其底层是通过c的malloc分配内存,API参考: ByteBuffer.allocateDirect(1024) ,可以通过 MaxDirectMemory 限制分配上限。

这部分分配的内存可以通过VisualVM的MBeans查看,但是MBeans默认没有安装,需要我们自己安装。但是由于VisualVM的MBeans默认从 https://github.com/visualvm/visualvm.src/releases/download/1.3.9/com-sun-tools-visualvm-modules-mbeans.nbm 中下载visualvm插件,而这个路径已经不存在。所以建议去 https://github.com/oracle/visualvm/releases 上下载对应的版本,然后手动安装这个插件:工具-插件-已下载-添加插件,选择本地已经下载的插件,最后点击安装即可。笔者的JDK8默认下载1.3.9版本,那么就去github上下载1.3.9版本,只需要MBeans这个模块即可:

JVM内存占用情况深入分析

通过MBeans查看Direct Memory占用内存非常方便:

JVM内存占用情况深入分析

Young+Old+Metaspace+DirectMemory+线程栈

最后就是线程栈,笔者试图通过启动20个线程,并且设置-Xss10240k,但是并没有达到预期,这里作为一个遗留问题。等笔者哪天搞懂了,再发文说明。

  • Xss案例

曾经群里有一个朋友就是因为Xss配置相当大导致RES占用13G左右。大概情况是这样,-Xms4g,-Xss40940k,dubboprovider服务。熟悉dubbo服务同学知道,dubbo服务provider默认采用固定200个线程处理的方式。所以200个线程占用8G,加上4G堆,以及一些其他内存,导致RSS高达13G,恐怖!!!

codecache

这部分内存一般占用比较少,在JVM崩溃的文件hs_err_pid18480.log中有其内存占用情况:

CodeCache: size=245760Kb used=47868Kb max_used=47874Kb free=197891Kb
 bounds [0x00007f00b4de4000, 0x00007f00b7d54000, 0x00007f00c3de4000]
 total_blobs=12973 nmethods=12383 adapters=500
 compilation: enabled

知识总结

HotSpot VM自己在JIT编译器、GC工作等的一些时候都会额外临时分配一些native memory,在JDK类库也有可能会有些功能分配长期存活或者临时的native memory,然后就是各种第三方库的native部分可能分配的native memory。

总之,RES占比异常时,一一排查,不要忽略任何一部分可能消耗的内存。

jvm使用了的内存,即使GC后也不会还给操作系统。

Direct Memory内存查看:如果是JDK 7及以上版本,可以用jconsole或者VisualVM的MBeans窗口查看java.nio.BufferPool.direct属性。

文末福利

最后笔者推荐一个JVM参数-XX:NativeMemoryTracking==[off|summary|detail],可以窥探一些我们平常不怎么关注的内存占用部分,配置JVM参数后,执行如下命令即可:

jcmd 23448 VM.native_memory summary

命令执行结果如下:

JVM内存占用情况深入分析

测试源码

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.lang.reflect.Method;
import java.nio.ByteBuffer;

/**
 * 每个方法的参数m都是表示对应区间分配多少M内存
 * @author afei
 * @date 2018-09-28
 * @since 1.0.0
 */
public class MemoryTest {
    private static final int _1m = 1024*1024;

    private static final long THREAD_SLEEP_MS = 10*1000;

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        youngAllocate(1000);
        oldAllocate(1000);
        metaspaceAllocate(200000);
        directMemoryAllocate(400);
        // threadStackAllocate(400);
        Thread.sleep(60000);
    }

    /**
     * @param count 重复定义的MyCalc对象数量
     */
    private static void metaspaceAllocate(int count) throws Exception {
        System.out.println("metaspace object count: " + count);

        Method declaredMethod = ClassLoader.class.getDeclaredMethod("defineClass",
                new Class[]{String.class, byte[].class, int.class, int.class});
        declaredMethod.setAccessible(true);

        File classFile = new File("/app/afei/MyCalc.class");
        byte[] bcs = new byte[(int) classFile.length()];
        try(InputStream is = new FileInputStream(classFile);){
            // 将文件流读进byte数组
            while (is.read(bcs)!=-1){
            }
        }

        int outputCount = count/10;
        for (int i=1; i<=count; i++){
            try {
                // 重复定义MyCalc这个类
                declaredMethod.invoke(
                        MemoryTest.class.getClassLoader(),
                        new Object[]{"MyCalc", bcs, 0, bcs.length});
            }catch (Throwable e){
                // 重复定义类会抛出LinkageError: attempted  duplicate class definition for name: "MyCalc"
                // System.err.println(e.getCause().getLocalizedMessage());
            }
            if (i>=outputCount && i%outputCount==0){
                System.out.println("i = "+i);
            }
        }
        System.out.println("metaspace end");
    }

    /**
     * @param m 分配多少M direct memory
     */
    private static void directMemoryAllocate(int m){
        System.out.println("direct memory: "+m+"m");
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            ByteBuffer.allocateDirect(_1m);
        }
        System.out.println("direct memory end");
    }

    /**
     * @param m 给young区分配多少M的数据
     */
    private static void youngAllocate(int m){
        System.out.println("young: "+m+"m");
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            byte[] test = new byte[_1m];
        }
        System.out.println("young end");
    }

    /**
     * 需要配置参数: -XX:PretenureSizeThreshold=2M, 并且结合CMS
     * @param m 给old区分配多少M的数据
     */
    private static void oldAllocate(int m){
        System.out.println("old:   "+m+"m");
        for (int i = 0; i < m/5; i++) {
            byte[] test = new byte[5*_1m];
        }
        System.out.println("old end");
    }

    // 需要配置参数: -Xss10240k, 这里的实验以失败告终
    private static void threadStackAllocate(int m){
        int threadCount = m/10;
        System.out.println("thread stack count:"+threadCount);
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(() -> {
                System.out.println("thread name: " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    while(true) {
                        Thread.sleep(THREAD_SLEEP_MS);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        System.out.println("thread stack end:"+threadCount);
    }
}

原文 

http://www.jianshu.com/p/0cbc4e44c596

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