Java 分析并解决内存泄漏的实例

这几天,一直在为Java的“内存泄露”问题纠结。Java应用程序占用的内存在不断的、有规律的上涨,最终超过了监控阈值。福尔摩 斯不得不出手了!

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:

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

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。
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 ,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:

Java 分析并解决内存泄漏的实例_第1张图片

Java 分析并解决内存泄漏的实例_第2张图片

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:

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

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:

public  
String[] split(CharSequence input, int limit) { 
    int index = 0; 
    boolean matchLimited = limit > 0; 
    ArrayList matchList = new  
ArrayList(); 
    Matcher m = matcher(input); 
    // Add segments before each match found 
    while(m.find()) { 
      if (!matchLimited || matchList.size() < limit - 1) { 
        String match = input.subSequence(index,  
m.start()).toString(); 
        matchList.add(match); 
        index = m.end(); 
      } else if (matchList.size() == limit - 1) { // last one 
        String match = input.subSequence(index, 
                          
input.length()).toString(); 
        matchList.add(match); 
        index = m.end(); 
      } 
    } 
    // If no match was found, return this 
    if (index == 0) 
      return new String[] {input.toString()}; 
    // Add remaining segment 
    if (!matchLimited || matchList.size() < limit) 
      matchList.add(input.subSequence(index,  
input.length()).toString()); 
    // Construct result 
    int resultSize = matchList.size(); 
    if (limit == 0) 
      while (resultSize > 0 &&  
matchList.get(resultSize-1).equals("")) 
        resultSize--; 
    String[] result = new String[resultSize]; 
    return matchList.subList(0, resultSize).toArray(result); 
  } 
  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:

public  
CharSequence subSequence(int beginIndex, int endIndex) { 
    return this.substring(beginIndex, endIndex); 
} 
  String.subSequence有调用了String.subString,继续看:
public String  
substring(int beginIndex, int endIndex) { 
  if (beginIndex < 0) { 
    throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex); 
  } 
  if (endIndex > count) { 
    throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex); 
  } 
  if (beginIndex > endIndex) { 
    throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex - beginIndex); 
  } 
  return ((beginIndex == 0) && (endIndex == count)) ? this : 
    new String(offset + beginIndex, endIndex - beginIndex, value); 
  } 

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:

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

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:

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。
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。
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[]
HashMap中的每个String对象其实都指向了一个巨大的char[]
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。
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:

  /** 
   * Initializes a newly created {@code String} object so that it 
represents 
   * the same sequence of characters as the argument; in other words, 
the 
   * newly created string is a copy of the argument string. Unless an 
   * explicit copy of {@code original} is needed, use of this 
constructor is 
   * unnecessary since Strings are immutable. 
   * 
   * @param original 
   *     A {@code String} 
   */ 
  public String(String original) { 
  int size = original.count; 
  char[] originalValue = original.value; 
  char[] v; 
  if (originalValue.length > size) { 
    // The array representing the String is bigger than the new 
    // String itself. Perhaps this constructor is being called 
    // in order to trim the baggage, so make a copy of the array. 
      int off = original.offset; 
      v = Arrays.copyOfRange(originalValue, off, off+size); 
  } else { 
    // The array representing the String is the same 
    // size as the String, so no point in making a copy. 
    v = originalValue; 
  } 
  this.offset = 0; 
  this.count = size; 
  this.value = v; 
  } 

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。

一些补充

有个地方我没有说清楚。

我的程序是一个Web程序,每次接受请求,就会创建一个大的String对象,然后对该String对象进行split,最后split之后的String对象放到全局缓存中。如果接收了5W个请求,那么就会有5W个大String对象。这5W个大String对象都被存储在全局缓存中,因此会造成内存泄漏。我原以为缓存的是5W个小String,结果都是大String。

有同学后续建议用"java.io.StreamTokenizer"来解决本文的问题。确实是终极解决方案,比我上面提到的“new String()”,要好很多很多。

以上就是Java 分析并解决内存泄漏的实例的详细内容,更多关于Java 内存泄漏的资料请关注脚本之家其它相关文章!

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