使用Memory Analyzer tool(MAT)分析内存泄漏（二）

转：http://www.blogjava.net/rosen/archive/2010/06/13/323522.html

 

前言

在使用Memory Analyzer tool(MAT)分析内存泄漏（一）中，我介绍了内存泄漏的前因后果。在本文中，将介绍MAT如何根据heap dump分析泄漏根源。由于测试范例可能过于简单，很容易找出问题，但我期待借此举一反三。
一开始不得不说说ClassLoader，本质上，它的工作就是把磁盘上的类文件读入内存，然后调用java.lang.ClassLoader.defineClass方法告诉系统把内存镜像处理成合法的字节码。Java提供了抽象类ClassLoader，所有用户自定义类装载器都实例化自ClassLoader的子类。system class loader在没有指定装载器的情况下默认装载用户类，在Sun Java 1.5中既sun.misc.Launcher$AppClassLoader。更详细的内容请参看下面的资料。


准备heap dump

请看下面的Pilot类，没啥特殊的。

/**
 * Pilot class
 *  @author  rosen jiang
  */
package  org.rosenjiang.bo;

public   class  Pilot{
    
    String name;
     int  age;
    
     public  Pilot(String a,  int  b){
        name  =  a;
        age  =  b;
    }
}

然后再看OOMHeapTest类，它是如何撑破heap dump的。

/**
 * OOMHeapTest class
 *  @author  rosen jiang
  */
package  org.rosenjiang.test;

import  java.util.Date;
import  java.util.HashMap;
import  java.util.Map;
import  org.rosenjiang.bo.Pilot;

public   class  OOMHeapTest {
     public   static   void  main(String[] args){
        oom();
    }
    
     private   static   void  oom(){
        Map < String, Pilot >  map  =   new  HashMap < String, Pilot > ();
        Object[] array  =   new  Object[ 1000000 ];
         for ( int  i = 0 ; i < 1000000 ; i ++ ){
            String d  =   new  Date().toString();
            Pilot p  =   new  Pilot(d, i);
            map.put(i + " rosen jiang " , p);
            array[i] = p;
        }
    }
}

是的，上面构造了很多的Pilot类实例，向数组和map中放。由于是Strong Ref，GC自然不会回收这些对象，一直放在heap中直到溢出。当然在运行前，先要在Eclipse中配置VM参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError。好了，一会儿功夫内存溢出，控制台打出如下信息。

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid3600.hprof 
Heap dump file created  [ 78233961 bytes in 1.995 secs ]
Exception in thread  " main "  java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

java_pid3600.hprof既是heap dump，可以在OOMHeapTest类所在的工程根目录下找到。

MAT安装

话分两头说，有了heap dump还得安装MAT。可以在http://www.eclipse.org/mat/downloads.php选择合适的方式安装。安装完成后切换到Memory Analyzer视图。在Eclipse的左上角有Open Heap Dump按钮，按照刚才说的路径找到java_pid3600.hprof文件并打开。解析hprof文件会花些时间，然后会弹出向导，直接Finish即可。稍后会看到下图所示的界面。



MAT工具分析了heap dump后在界面上非常直观的展示了一个饼图，该图深色区域被怀疑有内存泄漏，可以发现整个heap才64M内存，深色区域就占了99.5%。接下来是一个简短的描述，告诉我们main线程占用了大量内存，并且明确指出system class loader加载的"java.lang.Thread"实例有内存聚集，并建议用关键字"java.lang.Thread"进行检查。所以，MAT通过简单的两句话就说明了问题所在，就算使用者没什么处理内存问题的经验。在下面还有一个"Details"链接，在点开之前不妨考虑一个问题：为何对象实例会聚集在内存中，为何存活（而未被GC）？是的——Strong Ref，那么再走近一些吧。



点击了"Details"链接之后，除了在上一页看到的描述外，还有Shortest Paths To the Accumulation Point和Accumulated Objects部分，这里说明了从GC root到聚集点的最短路径，以及完整的reference chain。观察Accumulated Objects部分，java.util.HashMap和java.lang.Object[1000000]实例的retained heap(size)最大，在上一篇文章中我们知道retained heap代表从该类实例沿着reference chain往下所能收集到的其他类实例的shallow heap(size)总和，所以明显类实例都聚集在HashMap和Object数组中了。这里我们发现一个有趣的现象，既Object数组的shallow heap和retained heap竟然一样，通过Shallow and retained sizes一文可知，数组的shallow heap和一般对象（非数组）不同，依赖于数组的长度和里面的元素的类型，对数组求shallow heap，也就是求数组集合内所有对象的shallow heap之和。好，再来看org.rosenjiang.bo.Pilot对象实例的shallow heap为何是16，因为对象头是8字节，成员变量int是4字节、String引用是4字节，故总共16字节。



接着往下看，来到了Accumulated Objects by Class区域，顾名思义，这里能找到被聚集的对象实例的类名。org.rosenjiang.bo.Pilot类上头条了，被实例化了290,325次，再返回去看程序，我承认是故意这么干的。还有很多有用的报告可用来协助分析问题，只是本文中的例子太简单，也用不上。以后如有用到，一定撰文详细叙述。

又是perm gen

我们在上一篇文章中知道，perm gen是个异类，里面存储了类和方法数据（与class loader有关）以及interned strings（字符串驻留）。在heap dump中没有包含太多的perm gen信息。那么我们就用这些少量的信息来解决问题吧。

看下面的代码，利用interned strings把perm gen撑破了。

/**
 * OOMPermTest class
 *  @author  rosen jiang
  */
package  org.rosenjiang.test;

public   class  OOMPermTest {
     public   static   void  main(String[] args){
        oom();
    }
    
     private   static   void  oom(){
        Object[] array  =   new  Object[ 10000000 ];
         for ( int  i = 0 ; i < 10000000 ; i ++ ){
            String d  =  String.valueOf(i).intern();
            array[i] = d;
        }
    }
}

控制台打印如下的信息，然后把java_pid1824.hprof文件导入到MAT。其实在MAT里，看到的状况应该和“OutOfMemoryError: Java heap space”差不多（用了数组），因为heap dump并没有包含interned strings方面的任何信息。只是在这里需要强调，使用intern()方法的时候应该多加注意。

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
Dumping heap to java_pid1824.hprof 
Heap dump file created  [ 121273334 bytes in 2.845 secs ]
Exception in thread  " main "  java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

倒是在思考如何把class loader撑破废了些心思。经过尝试，发现使用ASM来动态生成类才能达到目的。ASM(http://asm.objectweb.org)的主要作用是处理已编译类(compiled class)，能对已编译类进行生成、转换、分析（功能之一是实现动态代理），而且它运行起来足够的快和小巧，文档也全面，实属居家必备之良品。ASM提供了core API和tree API，前者是基于事件的方式，后者是基于对象的方式，类似于XML的SAX、DOM解析，但是使用tree API性能会有损失。既然下面要用到ASM，这里不得不啰嗦下已编译类的结构，包括：
    1、修饰符（例如public、private）、类名、父类名、接口和annotation部分。
    2、类成员变量声明，包括每个成员的修饰符、名字、类型和annotation。
    3、方法和构造函数描述，包括修饰符、名字、返回和传入参数类型，以及annotation。当然还包括这些方法或构造函数的具体Java字节码。
    4、常量池(constant pool)部分，constant pool是一个包含类中出现的数字、字符串、类型常量的数组。



已编译类和原来的类源码区别在于，已编译类只包含类本身，内部类不会在已编译类中出现，而是生成另外一个已编译类文件；其二，已编译类中没有注释；其三，已编译类没有package和import部分。
这里还得说说已编译类对Java类型的描述，对于原始类型由单个大写字母表示，Z代表boolean、C代表char、B代表byte、S代表short、I代表int、F代表float、J代表long、D代表double；而对类类型的描述使用内部名(internal name)外加前缀L和后面的分号共同表示来表示，所谓内部名就是带全包路径的表示法，例如String的内部名是java/lang/String；对于数组类型，使用单方括号加上数据元素类型的方式描述。最后对于方法的描述，用圆括号来表示，如果返回是void用V表示，具体参考下图。



下面的代码中会使用ASM core API，注意接口ClassVisitor是核心，FieldVisitor、MethodVisitor都是辅助接口。ClassVisitor应该按照这样的方式来调用：visit visitSource? visitOuterClass? ( visitAnnotation | visitAttribute )*( visitInnerClass | visitField | visitMethod )* visitEnd。就是说visit方法必须首先调用，再调用最多一次的visitSource，再调用最多一次的visitOuterClass方法，接下来再多次调用visitAnnotation和visitAttribute方法，最后是多次调用visitInnerClass、visitField和visitMethod方法。调用完后再调用visitEnd方法作为结尾。

注意ClassWriter类，该类实现了ClassVisitor接口，通过toByteArray方法可以把已编译类直接构建成二进制形式。由于我们要动态生成子类，所以这里只对ClassWriter感兴趣。首先是抽象类原型：

/**
 *  @author  rosen jiang
 * MyAbsClass class
  */
package  org.rosenjiang.test;

public   abstract   class  MyAbsClass {
     int  LESS  =   - 1 ;
     int  EQUAL  =   0 ;
     int  GREATER  =   1 ;
     abstract   int  absTo(Object o);
}

其次是自定义类加载器，实在没法，ClassLoader的defineClass方法都是protected的，要加载字节数组形式（因为toByteArray了）的类只有继承一下自己再实现。

/**
 *  @author  rosen jiang
 * MyClassLoader class
  */
package  org.rosenjiang.test;

public   class  MyClassLoader  extends  ClassLoader {
     public  Class defineClass(String name,  byte [] b) {
         return  defineClass(name, b,  0 , b.length);
    }
}

最后是测试类。

/**
 *  @author  rosen jiang
 * OOMPermTest class
  */
package  org.rosenjiang.test;

import  java.util.ArrayList;
import  java.util.List;
import  org.objectweb.asm.ClassWriter;
import  org.objectweb.asm.Opcodes;

public   class  OOMPermTest {
     public   static   void  main(String[] args)  {
        OOMPermTest o  =   new  OOMPermTest();
        o.oom();
    }

     private   void  oom()  {
         try  {
            ClassWriter cw  =   new  ClassWriter( 0 );
            cw.visit(Opcodes.V1_5, Opcodes.ACC_PUBLIC  +  Opcodes.ACC_ABSTRACT,
             " org/rosenjiang/test/MyAbsClass " ,  null ,  " java/lang/Object " ,
             new  String[] {});
            cw.visitField(Opcodes.ACC_PUBLIC  +  Opcodes.ACC_FINAL  +  Opcodes.ACC_STATIC,  " LESS " ,  " I " ,
             null ,  new  Integer( - 1 )).visitEnd();
            cw.visitField(Opcodes.ACC_PUBLIC  +  Opcodes.ACC_FINAL  +  Opcodes.ACC_STATIC,  " EQUAL " ,  " I " ,
             null ,  new  Integer( 0 )).visitEnd();
            cw.visitField(Opcodes.ACC_PUBLIC  +  Opcodes.ACC_FINAL  +  Opcodes.ACC_STATIC,  " GREATER " ,  " I " ,
             null ,  new  Integer( 1 )).visitEnd();
            cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC  +  Opcodes.ACC_ABSTRACT,  " absTo " ,
             " (Ljava/lang/Object;)I " ,  null ,  null ).visitEnd();
            cw.visitEnd();
             byte [] b  =  cw.toByteArray();

            List < ClassLoader >  classLoaders  =   new  ArrayList < ClassLoader > ();
             while  ( true ) {
                MyClassLoader classLoader  =   new  MyClassLoader();
                classLoader.defineClass( " org.rosenjiang.test.MyAbsClass " , b);
                classLoaders.add(classLoader);
            }
        }  catch  (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

不一会儿，控制台就报错了。

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
Dumping heap to java_pid3023.hprof 
Heap dump file created  [ 92593641 bytes in 2.405 secs ]
Exception in thread  " main "  java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

打开java_pid3023.hprof文件，注意看下图的Classes: 88.1k和Class Loader: 87.7k部分，从这点可看出class loader加载了大量的类。



更进一步分析，点击上图中红框线圈起来的按钮，选择Java Basics——Class Loader Explorer功能。打开后能看到下图所示的界面，第一列是class loader名字；第二列是class loader已定义类(defined classes)的个数，这里要说一下已定义类和已加载类(loaded classes)了，当需要加载类的时候，相应的class loader会首先把请求委派给父class loader，只有当父class loader加载失败后，该class loader才会自己定义并加载类，这就是Java自己的“双亲委派加载链”结构；第三列是class loader所加载的类的实例数目。



在Class Loader Explorer这里，能发现class loader是否加载了过多的类。另外，还有Duplicate Classes功能，也能协助分析重复加载的类，在此就不再截图了，可以肯定的是MyAbsClass被重复加载了N多次。

最后

其实MAT工具非常的强大，上面故弄玄虚的范例代码根本用不上MAT的其他分析功能，所以就不再描述了。其实对于OOM不只我列举的两种溢出错误，还有多种其他错误，但我想说的是，对于perm gen，如果实在找不出问题所在，建议使用JVM的-verbose参数，该参数会在后台打印出日志，可以用来查看哪个class loader加载了什么类，例：“[Loaded org.rosenjiang.test.MyAbsClass from org.rosenjiang.test.MyClassLoader]”。
全文完。


参考资料

memoryanalyzer Blog
java类加载器体系结构
ClassLoader

 

请注意！引用、转贴本文应注明原作者：Rosen Jiang 以及出处： http://www.blogjava.net/rosen