利用MAT玩转JVM内存分析（一）

本文首发于公众号：javaadu

尽管JVM提供了自动内存管理的机制，试图降低程序员的开发门槛，确实也实现了这一目标，在日常开发中，我们一般都不需要关心对象的内存释放。JVM大部分都是使用trace算法来判断一个对象是否该被回收，那么JVM只能回收那些从gc roots不可达的对象。

如果我们在使用某些大的对象、集合对象或者一些三方包里的资源，忘记及时释放资源的话，还是会造成JVM的内存泄漏或内存浪费的问题。因此，如果想成为更高阶的Java开发工程师，我们需要了解常见的问题排查的办法和工具，这个系列的文章，准备介绍一个用来做JVM堆内存分析的工具——MAT（Memory Aanlysis Tool）。

MAT的官网在：https://www.eclipse.org/mat/，可以看下它的介绍——MAT是一款高性能、具备丰富功能的Java堆内存分析工具，可以用来排查内存泄漏和内存浪费的问题。

一、安装和装设置

1.1 mac安装

MAT 支持两种安装方式，一种是"单机版“的，也就是说用户不必安装 Eclipse IDE 环境，MAT 作为一个独立的 Eclipse RCP 应用运行；另一种是”集成版“的，也就是说 MAT 也可以作为 Eclipse IDE 的一部分，和现有的开发平台集成。

这里我们考虑独立安装，在观望的下载页面，选择mac os版本的安装文件下载即可。

安装遇到的坑

1. 启动直接报错，针对这个问题，我找到了这个答案：https://stackoverflow.com/questions/47909239/how-to-run-eclipse-memory-analyzer-on-mac-os，这个帖子里给出了两个方案：
   • 系统默认的workspace是只读的，更换掉即可。怎么更换呢，在文件/Applications/mat.app/Contents/Eclipse/MemoryAnalyzer.ini中进行修改。

• 在mat的安装目录下，我的机器是/Applications/mat.app/Contents/MacOS，执行./MemoryAnalyzer命令，这种只能通过命令启动，不能通过图表启动。

关于方案1，这篇文章讲得更细致：https://www.jianshu.com/p/9bbbe3c4cc8b

2. 启动后，UI界面没反应，参考：https://www.eclipse.org/forums/index.php/t/1090889/，换个包即可。这个问题我遇到过很多次。

1.2 mat的设置

配置mat的堆内存大小

我的电脑是8C16G的，那理论上分析10G的堆文件没问题，但是MAT默认的配置没有这么大，需要在/Applications/mat.app/Contents/Eclipse/MemoryAnalyzer.ini文件中进行修改。如下图所示，我将我的MAT自己的运行时堆内存配置成了6G。

配置MAT的使用

MAT的配置页面可以从Window——>Preferences找到，如下图所示。

MAT的一般配置有几个选项

1. Keep unreachable objects：如果勾选这个，则在分析的时候会包含dump文件中的不可达对象；

2. Hide the getting started wizard：隐藏分析完成后的首页，控制是否要展示一个对话框，用来展示内存泄漏分析、消耗最多内存的对象排序。

3. Hide popup query help：隐藏弹出查询帮助，除非用户通过F1或Help按钮查询帮助。

4. Hide Welcome screen on launch：隐藏启动时候的欢迎界面

5. Bytes Display：设置分析结果中内存大小的展示单位

可以看出，MAT不仅支持HPROF文件的分析，还支持DTFJ文件的分析。一般sun公司系列的JVM生成的dump文件都是HPROF格式的，IBM的JVM生成的dump文件时DTFJ格式的。

二、基本概念

Heap Dump

Heap Dump是Java进程在某个时刻的内存快照，不同JVM的实现的Heap Dump的文件格式可能不同，进而存储的数据也可能不同，但是一般来说。

Heap Dump中主要包含当生成快照时堆中的java对象和类的信息，主要分为如下几类：

• 对象信息：类名、属性、基础类型和引用类型

• 类信息：类加载器、类名称、超类、静态属性

• gc roots：JVM中的一个定义，进行垃圾收集时，要遍历可达对象的起点节点的集合

• 线程栈和局部变量：快照生成时候的线程调用栈，和每个栈上的局部变量

Heap Dump中没有包含对象的分配信息，因此它不能用来分析这种问题：一个对象什么时候被创建、一个对象时被谁创建的。

Shallow vs. Retained Heap

Shallow heap是一个对象本身占用的堆内存大小。一个对象中，每个引用占用8或64位，Integer占用4字节，Long占用8字节等等。

Retained set，对于某个对象X来说，它的Retained set指的是——如果X被垃圾收集器回收了，那么这个集合中的对象都会被回收，同理，如果X没有被垃圾收集器回收，那么这个集合中的对象都不会被回收。

Retained heap，对象X的Retained heap指的时候它的Retained set中的所有对象的Shallow si的和，换句话说，Retained heap指的是对象X的保留内存大小，即由于它的存活导致多大的内存也没有被回收。

leading set，对象X可能不止有一个，这些对象统一构成了leading set。如果leading set中的对象都不可达，那么这个leading set对应的retained set中的对象就会被回收。一般有以下几种情况：

1. 某个类的所有实例对象，这个类对象就是leading object
2. 某个类记载器加载的所有类，以及这些类的实例对象，这个类加载器对象就是leading object
3. 一组对象，要达到其他对象的必经路径上的对象，就是leading object

在下面这张图中，A和B是gc roots中的节点（方法参数、局部变量，或者调用了wait()、notify()或synchronized()的对象）等等。可以看出，E的存在，会导致G无法被回收，因此E的Retained set是E和G；C的存在，会导致E、D、F、G、H都无法被回收，因此C的Retined set是C、E、D、F、G、H；A和B的存在，会导致C、E、D、F、G、H都无法被回收，因此A和B的Retained set是A、B、C、E、D、F、G、H。

Dominator Tree

MAT根据堆上的对象引用关系构建了支配树（Dominator Tree），通过支配树可以很方便得识别出哪些对象占用了大量的内存，并可以看到它们之间的依赖关系。

如果在对象图中，从gc root或者x上游的一个节点开始遍历，x是y的必经节点，那么就可以说x支配了y（dominate）。

如果在对象图中，x支配的所有对象中，y的距离最近，那么就可以说x直接支配（immediate dominate）y。

支配树是基于对象的引用关系图建立的，在支配树中每个节点都是它的子节点的直接支配节点。基于支配树可以很清楚得看到对象之间的依赖关系。

现在看个例子，在下面这张图中

1. x节点的子树就是所有被x支配的节点集合，也正式x的retained set；
2. 如果x是y的直接支配节点，那么x的支配节点也可以支配y
3. 支配树中的边跟对象引用图中的引用关系并不是一一对应的。

Garbage Collection Roots

在MAT中，gc roots的概念跟研究垃圾收集算法时候的概念稍微有点不同。gc roots中的对象，是指那些可以从堆外访问到的对象的集合。如果一个对象符合下面这些场景中的一个，就可以被认为是gc roots中的节点：

1. System Class：由bootstrap classloader加载的类，例如rt.jar，里面的类的包名都是java.util.*开头的。
2. JNI Local：native代码中的局部变量，例如用户编写的JNI代码或JVM内部代码。
3. JNI Global：native代码中的全局变量，例如用户编写的JNI代码或JVM内部代码。
4. Thread Block：被当前活跃的线程锁引用的对象。
5. Thread：正在存活的线程
6. Busy Monitor：调用了wait()、notify()或synchronized关键字修饰的代码——例如synchronized(object)或synchronized方法。
7. Java Local：局部变量。例如函数的输入参数、正在运行的线程栈里创建的对象。
8. Native Stack：native代码的输入或输出参数，例如用户定义的JNI代码或JVM的内部代码。在文件/网络IO方法或反射方法的参数。
9. Finalizable：在finalize队列中等待它的finalizer对象运行的对象。
10. Unfinalized：重载了finalize方法，但是还没有进入finalize队列中的对象。
11. Unreachable：从任何gc roots节点都不可达的对象，在MAT中将这些对象视为root节点，如果不这么做，就不能对这些对象进行分析。
12. Java Stack Frame：Java栈帧，用于存放局部变量。只在dump文件被解析的时候会将java stack frame视为对象。
13. Unknown：没有root类型的对象。有些dump文件（例如IBM的Portable Heap Dump）没有root信息。

三、获取Dump文件

1. 通过MAT生成dump文件
   通过这个路径找到生成dump文件的对话框
   
   选择一个进程，点击finish即可

2. 通过jmap命令生成dump文件

   • 命令格式：jmap -dump:live,format=b,file=heap.bin <pid>
   • 注意：如果要保留heapdump中的不可达对象，则需要把”:live“去掉，即使用命令”jmap -dump,format=b,file=heap.bin “

3. 通过设置JVM参数自动生成
   使用-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError这个JVM参数，在Java进程运行过程中发生OOM的时候就会生成一个heapdump文件，并写入到指定目录，一般用-XX:HeapDumpPath=${HOME}/logs/test来设置。

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