儘管JVM提供了自動內存管理的機制，試圖降低程序員的開發門檻，確實也實現了這一目標，在日常開發中，我們一般都不需要關心對象的內存釋放。JVM大部分都是使用trace演算法來判斷一個對象是否該被回收，那麼JVM只能回收那些從gc roots不可達的對象。

如果我們在使用某些大的對象、集合對象或者一些三方包里的資源，忘記及時釋放資源的話，還是會造成JVM的內存泄漏或內存浪費的問題。因此，如果想成為更高階的Java開發工程師，我們需要了解常見的問題排查的辦法和工具，這個系列的文章，準備介紹一個用來做JVM堆內存分析的工具——MAT（Memory Aanlysis Tool）。

MAT的官網在：eclipse.org/mat/，可以看下它的介紹——MAT是一款高性能、具備豐富功能的Java堆內存分析工具，可以用來排查內存泄漏和內存浪費的問題。

一、安裝和裝設置

1.1 mac安裝

MAT 支持兩種安裝方式，一種是"單機版「的，也就是說用戶不必安裝 Eclipse IDE 環境，MAT 作為一個獨立的 Eclipse RCP 應用運行；另一種是」集成版「的，也就是說 MAT 也可以作為 Eclipse IDE 的一部分，和現有的開發平台集成。

這裡我們考慮獨立安裝，在觀望的下載頁面，選擇mac os版本的安裝文件下載即可。

安裝遇到的坑

  1. 啟動直接報錯，系統默認的workspace是只讀的，更換掉即可。怎麼更換呢，在文件/Applications/mat.app/Contents/Eclipse/MemoryAnalyzer.ini中進行修改。

  1. 啟動後，UI界面沒反應，參考：eclipse.org/forums/inde，換個包即可。這個問題我遇到過很多次。

1.2 mat的設置

配置mat的堆內存大小

我的電腦是8C16G的，那理論上分析10G的堆文件沒問題，但是MAT默認的配置沒有這麼大，需要在/Applications/mat.app/Contents/Eclipse/MemoryAnalyzer.ini文件中進行修改。如下圖所示，我將我的MAT自己的運行時堆內存配置成了6G。

配置MAT的使用

MAT的配置頁面可以從Window——>Preferences找到，如下圖所示。

MAT的一般配置有幾個選項

  1. Keep unreachable objects：如果勾選這個，則在分析的時候會包含dump文件中的不可達對象；
  2. Hide the getting started wizard：隱藏分析完成後的首頁，控制是否要展示一個對話框，用來展示內存泄漏分析、消耗最多內存的對象排序。
  3. Hide popup query help：隱藏彈出查詢幫助，除非用戶通過F1或Help按鈕查詢幫助。
  4. Hide Welcome screen on launch：隱藏啟動時候的歡迎界面
  5. Bytes Display：設置分析結果中內存大小的展示單位

可以看出，MAT不僅支持HPROF文件的分析，還支持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文件時DTFJ格式的。

二、基本概念

Heap Dump

Heap Dump是Java進程在某個時刻的內存快照，不同JVM的實現的Heap Dump的文件格式可能不同，進而存儲的數據也可能不同，但是一般來說。

Heap Dump中主要包含當生成快照時堆中的java對象和類的信息，主要分為如下幾類：

  • 對象信息：類名、屬性、基礎類型和引用類型
  • 類信息：類載入器、類名稱、超類、靜態屬性
  • gc roots：JVM中的一個定義，進行垃圾收集時，要遍歷可達對象的起點節點的集合
  • 線程棧和局部變數：快照生成時候的線程調用棧，和每個棧上的局部變數

Heap Dump中沒有包含對象的分配信息，因此它不能用來分析這種問題：一個對象什麼時候被創建、一個對象時被誰創建的。

Shallow vs. Retained Heap

Shallow heap是一個對象本身佔用的堆內存大小。一個對象中，每個引用佔用8或64位，Integer佔用4位元組，Long佔用8位元組等等。

Retained set，對於某個對象X來說，它的Retained set指的是——如果X被垃圾收集器回收了，那麼這個集合中的對象都會被回收，同理，如果X沒有被垃圾收集器回收，那麼這個集合中的對象都不會被回收。

Retained heap，對象X的Retained heap指的時候它的Retained set中的所有對象的Shallow si的和，換句話說，Retained heap指的是對象X的保留內存大小，即由於它的存活導致多大的內存也沒有被回收。

leading set，對象X可能不止有一個，這些對象統一構成了leading set。如果leading set中的對象都不可達，那麼這個leading set對應的retained set中的對象就會被回收。一般有以下幾種情況：

  1. 某個類的所有實例對象，這個類對象就是leading object
  2. 某個類記載器載入的所有類，以及這些類的實例對象，這個類載入器對象就是leading object
  3. 一組對象，要達到其他對象的必經路徑上的對象，就是leading object

在下面這張圖中，A和B是gc roots中的節點（方法參數、局部變數，或者調用了wait()、notify()或synchronized()的對象）等等。可以看出，E的存在，會導致G無法被回收，因此E的Retained set是E和G；C的存在，會導致E、D、F、G、H都無法被回收，因此C的Retined set是C、E、D、F、G、H；A和B的存在，會導致C、E、D、F、G、H都無法被回收，因此A和B的Retained set是A、B、C、E、D、F、G、H。

Dominator Tree

MAT根據堆上的對象引用關係構建了支配樹（Dominator Tree），通過支配樹可以很方便得識別出哪些對象佔用了大量的內存，並可以看到它們之間的依賴關係。

如果在對象圖中，從gc root或者x上游的一個節點開始遍歷，x是y的必經節點，那麼就可以說x支配了y（dominate）。

如果在對象圖中，x支配的所有對象中，y的距離最近，那麼就可以說x直接支配（immediate dominate）y。

支配樹是基於對象的引用關係圖建立的，在支配樹中每個節點都是它的子節點的直接支配節點。基於支配樹可以很清楚得看到對象之間的依賴關係。

現在看個例子，在下面這張圖中

  1. x節點的子樹就是所有被x支配的節點集合，也正式x的retained set；
  2. 如果x是y的直接支配節點，那麼x的支配節點也可以支配y
  3. 支配樹中的邊跟對象引用圖中的引用關係並不是一一對應的。

Garbage Collection Roots

在MAT中，gc roots的概念跟研究垃圾收集演算法時候的概念稍微有點不同。gc roots中的對象，是指那些可以從堆外訪問到的對象的集合。如果一個對象符合下面這些場景中的一個，就可以被認為是gc roots中的節點：

  1. System Class：由bootstrap classloader載入的類，例如rt.jar，裡面的類的包名都是java.util.*開頭的。
  2. JNI Local：native代碼中的局部變數，例如用戶編寫的JNI代碼或JVM內部代碼。
  3. JNI Global：native代碼中的全局變數，例如用戶編寫的JNI代碼或JVM內部代碼。
  4. Thread Block：被當前活躍的線程鎖引用的對象。
  5. Thread：正在存活的線程
  6. Busy Monitor：調用了wait()、notify()或synchronized關鍵字修飾的代碼——例如synchronized(object)或synchronized方法。
  7. Java Local：局部變數。例如函數的輸入參數、正在運行的線程棧里創建的對象。
  8. Native Stack：native代碼的輸入或輸出參數，例如用戶定義的JNI代碼或JVM的內部代碼。在文件/網路IO方法或反射方法的參數。
  9. Finalizable：在finalize隊列中等待它的finalizer對象運行的對象。
  10. Unfinalized：重載了finalize方法，但是還沒有進入finalize隊列中的對象。
  11. Unreachable：從任何gc roots節點都不可達的對象，在MAT中將這些對象視為root節點，如果不這麼做，就不能對這些對象進行分析。
  12. Java Stack Frame：Java棧幀，用於存放局部變數。只在dump文件被解析的時候會將java stack frame視為對象。
  13. Unknown：沒有root類型的對象。有些dump文件（例如IBM的Portable Heap Dump）沒有root信息。

三、獲取Dump文件

  1. 通過MAT生成dump文件 通過這個路徑找到生成dump文件的對話框

選擇一個進程，點擊finish即可

  1. 通過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中的不可達對象，則需要把」:live「去掉，即使用命令」jmap -dump,format=b,file=heap.bin <pid>「

  1. 通過設置JVM參數自動生成 使用-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError這個JVM參數，在Java進程運行過程中發生OOM的時候就會生成一個heapdump文件，並寫入到指定目錄，一般用-XX:HeapDumpPath=${HOME}/logs/test來設置。

本號專註於後端技術、JVM問題排查和優化、Java面試題、個人成長和自我管理等主題，為讀者提供一線開發者的工作和成長經驗，期待你能在這裡有所收穫。


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