内存泄漏(OOM)产生原因

xiaoxiao2021-02-28  17

 

为何会内存溢出

 

我们知道JVM根据generation(代)来进行GC,根据下图所示,一共被分为young generation(年轻代)、tenured generation(老年代)、permanent generation(永久代, perm gen),perm gen(或称Non-Heap 非堆)是个异类,稍后会讲到。注意,heap空间不包括perm gen。

绝大多数的对象都在young generation被分配,也在young generation被收回,当young generation的空间被填满,GC会进行minor collection(次回收),这次回收不涉及到heap中的其他generation,minor collection根据weak generational hypothesis(弱年代假设)来假设younggeneration中大量的对象都是垃圾需要回收,minor collection的过程会非常快。young generation中未被回收的对象被转移到tenured generation,然而tenured generation也会被填满,最终触发major collection(主回收),这次回收针对整个heap,由于涉及到大量对象,所以比minor collection慢得多。

 

JVM有三种垃圾回收器,分别是throughputcollector,用来做并行young generation回收,由参数-XX:+UseParallelGC启动;concurrent low pause collector,用来做tenuredgeneration并发回收,由参数-XX:+UseConcMarkSweepGC启动;incremental lowpause collector,可以认为是默认的垃圾回收器。不建议直接使用某种垃圾回收器,最好让JVM自己决断,除非自己有足够的把握。

 

Heap中各generation空间是如何划分的?通过JVM的-Xmx=n参数可指定最大heap空间,而-Xms=n则是指定最小heap空间。在JVM初始化的时候,如果最小heap空间小于最大heap空间的话,如上图所示JVM会把未用到的空间标注为Virtual。除了这两个参数还有-XX:MinHeapFreeRatio=n和-XX:MaxHeapFreeRatio=n来分别控制最大、最小的剩余空间与活动对象之比例。在32位Solaris SPARC操作系统下,默认值如下,在32位windows xp下,默认值也差不多。

参数

默认值

MinHeapFreeRatio

40

MaxHeapFreeRatio

70

-Xms

3670k

-Xmx

64m

由于tenured generation的major collection较慢,所以tenured generation空间小于young generation的话,会造成频繁的major collection,影响效率。Server JVM默认的young generation和tenured generation空间比例为1:2,也就是说young generation的eden和survivor空间之和是整个heap(当然不包括perm gen)的三分之一,该比例可以通过-XX:NewRatio=n参数来控制,而Client JVM默认的-XX:NewRatio是8。至于调整young generation空间大小的NewSize=n和MaxNewSize=n参数就不讲了,请参考后面的资料。

 

young generation中幸存的对象被转移到tenuredgeneration,但不幸的是concurrent collector线程在这里进行major collection,而在回收任务结束前空间被耗尽了,这时将会发生Full Collections(Full GC),整个应用程序都会停止下来直到回收完成。FullGC是高负载生产环境的噩梦……

 

现在来说说异类perm gen,它是JVM用来存储无法在Java语言级描述的对象,这些对象分别是类和方法数据(与class loader有关)以及interned strings(字符串驻留)。一般32位OS下perm gen默认64m,可通过参数-XX:MaxPermSize=n指定,JVM Memory Structure一文说,对于这块区域,没有更详细的文献了,神秘。

 

回到问题“为何会内存溢出?”。

要回答这个问题又要引出另外一个话题,既什么样的对象GC才会回收?当然是GC发现通过任何reference chain(引用链)无法访问某个对象的时候,该对象即被回收。名词GC Roots正是分析这一过程的起点,例如JVM自己确保了对象的可到达性(那么JVM就是GC Roots),所以GC Roots就是这样在内存中保持对象可到达性的,一旦不可到达,即被回收。通常GC Roots是一个在current thread(当前线程)的call stack(调用栈)上的对象(例如方法参数和局部变量),或者是线程自身或者是system class loader(系统类加载器)加载的类以及native code(本地代码)保留的活动对象。所以GC Roots是分析对象为何还存活于内存中的利器。知道了什么样的对象GC才会回收后,再来学习下对象引用都包含哪些吧。

 

从最强到最弱,不同的引用(可到达性)级别反映了对象的生命周期。

l  Strong Ref(强引用):通常我们编写的代码都是Strong Ref,于此对应的是强可达性,只有去掉强可达,对象才被回收。

l  Soft Ref(软引用):对应软可达性,只要有足够的内存,就一直保持对象,直到发现内存吃紧且没有Strong Ref时才回收对象。一般可用来实现缓存,通过java.lang.ref.SoftReference类实现。

l  Weak Ref(弱引用):比Soft Ref更弱,当发现不存在Strong Ref时,立刻回收对象而不必等到内存吃紧的时候。通过java.lang.ref.WeakReference和java.util.WeakHashMap类实现。

l  Phantom Ref(虚引用):根本不会在内存中保持任何对象,你只能使用Phantom Ref本身。一般用于在进入finalize()方法后进行特殊的清理过程,通过java.lang.ref.PhantomReference实现。

 

有了上面的种种我相信很容易就能把heap和perm gen撑破了吧,是的利用Strong Ref,存储大量数据,直到heap撑破;利用interned strings(或者class loader加载大量的类)把perm gen撑破。

关于shallowsize、retained size

Shallow size就是对象本身占用内存的大小,不包含对其他对象的引用,也就是对象头加成员变量(不是成员变量的值)的总和。在32位系统上,对象头占用8字节,int占用4字节,不管成员变量(对象或数组)是否引用了其他对象(实例)或者赋值为null它始终占用4字节。故此,对于String对象实例来说,它有三个int成员(3*4=12字节)、一个char[]成员(1*4=4字节)以及一个对象头(8字节),总共3*4 +1*4+8=24字节。根据这一原则,对String a=”rosen jiang”来说,实例a的shallow size也是24字节(很多人对此有争议,请看官甄别并留言给我)。

Retained size是该对象自己的shallow size,加上从该对象能直接或间接访问到对象的shallow size之和。换句话说,retained size是该对象被GC之后所能回收到内存的总和。为了更好的理解retained size,不妨看个例子。

把内存中的对象看成下图中的节点,并且对象和对象之间互相引用。这里有一个特殊的节点GC Roots,正解!这就是reference chain的起点。

从obj1入手,上图中蓝色节点代表仅仅只有通过obj1才能直接或间接访问的对象。因为可以通过GC Roots访问,所以图中的obj5不是蓝色节点;

所以对于图中,obj1的retained size是obj1、obj2、obj3、obj4的shallow size总和;

 

Heap Dump

 

heap dump是特定时间点,java进程的内存快照。有不同的格式来存储这些数据,总的来说包含了快照被触发时java对象和类在heap中的情况。由于快照只是一瞬间的事情,所以heap dump中无法包含一个对象在何时、何地(哪个方法中)被分配这样的信息。

 

在不同平台和不同java版本有不同的方式获取heap dump,而MAT需要的是HPROF格式的heap dump二进制文件。想无需人工干预的话,要这样配置JVM参数:-XX:-HeapDumpOnOutOfMemoryError,当错误发生时,会自动生成heapdump,在生产环境中,只有用这种方式。如果你想自己控制什么时候生成heap dump,在Windows+JDK6环境中可利用JConsole工具,而在Linux或者Mac OS X环境下均可使用JDK5、6自带的jmap工具。当然,还可以配置JVM参数:-XX:+HeapDumpOnCtrlBreak,也就是在控制台使用Ctrl+Break键来生成heap dump。由于我是windows+JDK5,所以选择了-XX:-HeapDumpOnOutOfMemoryError这种方式,更多配置请参考MAT Wiki。

 

参考资料

 

MAT Wiki

Interned Strings

Strong,Soft,Weak,Phantom Reference

Tuning GarbageCollection with the 5.0 Java[tm] Virtual Machine

Permanent Generation

UnderstandingWeak References译文

JavaHotSpot VM Options

Shallow and retained sizes

JVM Memory Structure

GC roots

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