JVM实际内存占用超过Xmx的原因,设置Xmx的技巧

前言
不知道大家在开发过程中有没有遇到过类似的问题，明明通过JVM参数-Xmx4g设置了最大堆内存大小为4g，但是程序运行一段时间后发现占用的内存明显超过了8g，却并没有出现内存溢出等问题，那是什么东西占用了额外的内存空间呢？

一、背景
1.通过free -g查看服务器内存使用情况

2.通过ps查看java进程
项目启动命令为：

java -Xmx6g -Xms6g - -XX:+UseG1GC -jar /home/pgcp/pgcp-0.0.1-SNAPSHOT.jar

3.通过top命令查看资源使用情况

VIRT：virtual memory usage 虚拟内存
1、进程“需要的”虚拟内存大小，包括进程使用的库、代码、数据等
2、假如进程申请100m的内存，但实际只使用了10m，那么它会增长100m，而不是实际的使用量

RES：resident memory usage 常驻内存
1、进程当前使用的内存大小，但不包括swap out
2、包含其他进程的共享
3、如果申请100m的内存，实际使用10m，它只增长10m，与VIRT相反
4、关于库占用内存的情况，它只统计加载的库文件所占内存大小

SHR：shared memory 共享内存
1、除了自身进程的共享内存，也包括其他进程的共享内存
2、虽然进程只使用了几个共享库的函数，但它包含了整个共享库的大小
3、计算某个进程所占的物理内存大小公式：RES – SHR
4、swap out后，它将会降下来

问题：
java项目启动通过Xmx6g设置了最大堆内存为6g，但是项目运行一段时间后发现，项目进行占用的内存飙升到了12g。
难道设置的JVM参数没有生效？内存是被什么东西吃掉了？

二、通过jmap查看JVM内存分配
jmap -heap 打印heap的概要信息，GC使用的算法，heap（堆）的配置及JVM堆内存的使用情况.
命令：

jmap -heap 2196

发现JVM采用的G1垃圾回收器，堆内存的大小为6g。说明项目启动时设置的JVM参数是生效的。

三、通过NMT分析java进程的内存分配
1.什么是NMT
NMT的全称是Native Memory Tracker ，是一个本地内存跟踪工具。
常用来分析JVM的内存使用情况。

2.如何开启NMT
NMT功能默认关闭，可以通过以下方式开启:

-XX:NativeMemoryTracking=[off | summary | detail]

配置项 说明
off 默认配置
summary 只收集汇总信息
detail 收集每次调用的信息
注意，根据Java官方文档，开启NMT会有5%－10%的性能损耗；

如果想JVM退出时打印退出时的内存使用情况，可以通过如下配置项:

-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintNMTStatistics

采用如下命令重启项目：

java -Xmx8g -Xms8g - -XX:+UseG1GC -XX:NativeMemoryTracking=detail -jar /home/pgcp/pgcp-0.0.1-SNAPSHOT.jar

3.通过jcmd命令分析java进程的内存
首先通过jps找到对应的Java程序的pid，然后使用如下命令：

jcmd  VM.native_memory

也可以通过一下命令指定内存单位，并将结果输出到文本中

jcmd 16696  VM.native_memory detail scale=MB >temp.txt

可以看到java进程的整个memory主要包含了Java Heap、Class、Thread、Code、GC、Internal、Symbol、Native Memory Tracking、unknown这几部分；其中reserved表示应用可用的内存大小，committed表示应用正在使用的内存大小。

分析：
可以看到，除了Java Heap占用了8g内存，Class和Internal也各占用了1g左右的内存。

JVM的内存
先放一张JVM的内存划分图，总体上可以分为堆和非堆（粗略划分，基于java8）

那么一个Java进程最大占用的物理内存为：

Max Memory = eden + survivor + old + String Constant Pool + Code cache + compressed class space + Metaspace + Thread stack(*thread num) + Direct + Mapped + JVM + Native Memory

堆和非堆内存
堆和非堆内存有以下几个概念：
init
表示JVM在启动时从操作系统申请内存管理的初始内存大小(以字节为单位)。JVM可能从操作系统请求额外的内存，也可以随着时间的推移向操作系统释放内存（经实际测试，这个内存并没有过主动释放）。这个init的值可能不会定义。

used
表示当前使用的内存量(以字节为单位)

committed
表示保证可供 Jvm使用的内存大小(以字节为单位)。 已提交内存的大小可能随时间而变化(增加或减少)。 JVM也可能向系统释放内存，导致已提交的内存可能小于 init，但是committed永远会大于等于used。

max
表示可用于内存管理的最大内存(以字节为单位)。

NMT的输出说明：

1. Native Memory Tracking:

2. Total: reserved=6988749KB, committed=3692013KB

3.  堆内存

4. - Java Heap (reserved=5242880KB, committed=3205008KB)

5.  (mmap: reserved=5242880KB, committed=3205008KB)

6.  类加载信息

7. - Class (reserved=1114618KB, committed=74642KB)

8.  (classes #10657)

9.  (malloc=4602KB #32974)

10.  (mmap: reserved=1110016KB, committed=70040KB)

11.  线程栈

12. - Thread (reserved=255213KB, committed=255213KB)

13.  (thread #248)

14.  (stack: reserved=253916KB, committed=253916KB)

15.  (malloc=816KB #1242)

16.  (arena=481KB #494)

17.  代码缓存

18. - Code (reserved=257475KB, committed=46551KB)

19.  (malloc=7875KB #10417)

20.  (mmap: reserved=249600KB, committed=38676KB)

21.  垃圾回收

22. - GC (reserved=31524KB, committed=23560KB)

23.  (malloc=17180KB #2113)

24.  (mmap: reserved=14344KB, committed=6380KB)

25.  编译器

26. - Compiler (reserved=598KB, committed=598KB)

27.  (malloc=467KB #1305)

28.  (arena=131KB #3)

29.  内部

30. - Internal (reserved=6142KB, committed=6142KB)

31.  (malloc=6110KB #23691)

32.  (mmap: reserved=32KB, committed=32KB)

33.  符号

34. - Symbol (reserved=11269KB, committed=11269KB)

35.  (malloc=8544KB #89873)

36.  (arena=2725KB #1)

37.  nmt

38. - Native Memory Tracking (reserved=2781KB, committed=2781KB)

39.  (malloc=199KB #3036)

40.  (tracking overhead=2582KB)

41. - Arena Chunk (reserved=194KB, committed=194KB)

42.  (malloc=194KB)

43. - Unknown (reserved=66056KB, committed=66056KB)

44.  (mmap: reserved=66056KB, committed=66056KB)

nmt返回结果中有reserved和committed两个值，这里解释一下：
reserved
reserved memory 是指JVM 通过mmaped PROT_NONE 申请的虚拟地址空间，在页表中已经存在了记录（entries），保证了其他进程不会被占用。

在堆内存下，就是xmx值，jvm申请的最大保留内存。

committed
committed memory 是JVM向操做系统实际分配的内存（malloc/mmap）,mmaped PROT_READ | PROT_WRITE，相当于程序实际申请的可用内存。
在堆内存下，就是xms值，最小堆内存，heap committed memory。

注意，committed申请的内存并不是说直接占用了物理内存，由于操作系统的内存管理是惰性的，对于已申请的内存虽然会分配地址空间，但并不会直接占用物理内存，真正使用的时候才会映射到实际的物理内存。所以committed > res也是很可能的.

四、解决Internal内存占用过大问题
通过NMT的内存分析，我们已经定位到内存占用持续增长的原因，那么如果解决nternal内部内存持续增长，又不触发full gc的问题呢？
看看我们之前的启动的jvm参数：

-Xmx8g -Xms8g -XX:+UseG1GC  -XX:NativeMemoryTracking=detail 

说明：
环境是jdk1.8，堆内存分配8g，采用G1垃圾回收器。

通过jmap查看内存分配：

发现最大堆内存MaxHeapSize和我们的启动参数设置的一致。
但是发现最大元数据空间内存非常大，这显然不是一个合适的值。

修改jvm参数：

-Xmx4g -Xms4g -Xmn2g   -XX:MetaspaceSize=64m -XX:MaxMetaspaceSize=128m -XX:+UseG1GC  -XX:NativeMemoryTracking=detail 

注意：
-XX:PermSize=256m -XX:MaxPermSize=512m 这两个参数对于1.8就是过期的参数。
jdk1.8的元空间大小要通过参数-XX:MetaspaceSize=64m -XX:MaxMetaspaceSize=128m来控制。

修改后重启应用通过jmap查看内存分配：

JDK8里的元空间实际上使用的也是堆外内存，默认没有设置元空间大小的情况下，元空间最大堆外内存大小和Xmx是一致的。

这里需要额外注意的是：
永久代（JDK8的原生去，换成元数据空间）存放JVM运行时使用的类，永久代的对象在full GC时进行垃圾收集。

下面的图描述了从1.7到1.8，永久代的变更：

总结
本文主要介绍如何结合top，jmap，NMT工具对java进程的内存进行分析。
1、JDK1.8开始，自带的hostspot虚拟机取消了过去的永久区，而新增了metaspace区，从功能上看，metaspace可以认为和永久区类似，其最主要的功用也是存放类元数据，但实际的机制则有较大的不同。
2、对于JVM里面的内存需要在启动时进行限制，包括我们熟悉的堆内存，也要包括直接内存和元生区，这是保证线上服务正常运行最后的兜底。
3、重新熟悉java进程的内存组成。
java进程的内存组成 = heap + stack + metaspaceSize + directMemory
除了通过-Xmx4g -Xms4g参数控制程序启动的堆内存外，
不要忽视-Xss1024K控制每个stack的大小。
元空间限制：-XX:MetaspaceSize=64m -XX:MaxMetaspaceSize=128m
直接内存使用限制：-XX:MaxDirectMemorySize=128m

设置Xmx参数大小的技巧:

根据文章得出:Java整个堆大小设置，Xmx 和 Xms设置为老年代存活对象的3-4倍，即FullGC之后的老年代内存占用的3-4倍;

于是,我们可以这么设置:

1.先设置比较大的Xmx,将项目部署到正式环境稳定运行一段时间

2.使用命令手动触发FullGC

jcmd [jvm的进程id]  GC.run

3.使用jstat -gc 或jmap -heap等命令查看堆内存,然后进行设置Xmx