JVM内存占用情况深入分析

本文转自阿飞的博客

很多同学都问过这个问题，为什么我的Xmx设置4g，但是TOP命令查询RES却占用5G，6G，甚至10G。这个正常吗？也可以说正常，也可以说不正常，怎么判断？笔者今天就要为你解答这个问题，叫你如何分析JVM占用的内存都分配到了哪里，哪些地方合理，哪些地方异常。

内存分布

首先，列举一下一个JVM进程主要占用内存的一些地方：

• Young
• Old
• metaspace
• java thread count * Xss
• other thread count * stacksize （非 Java 线程）
• Direct memory
• native memory
• codecache

说明：包括但不限于此。

接下来一步一步验证每个区域占用的内存。并且为了验证这个问题，写了一个 工具 类，里面有给每个区域分配内存的方法，源码在文末。

• JVM参数

运行过程中的JVM参数如下：

-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -Xmx2g -Xms2g -Xmn1g 
-XX:PretenureSizeThreshold=2M -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC  
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=90 -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly 
-XX:MaxDirectMemorySize=512m -XX:MetaspaceSize=256m -XX:MaxMetaspaceSize=256m

Young+Old

我们先从最简单的堆占用内存开始，即Xmx和Xms参数申明，它包括young和old区。分别分配800M和200M内存，main方法如下：

public static void main(String[] args) throws Exception{
    youngAllocate(800);
    oldAllocate(200);
    Thread.sleep(300000);
}

通过TOP命令查看，RES为1G：

PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                                                                   
 22481 afei      20   0 4366m 1.0g  11m S  0.5 27.0   0:02.41 java

通过jstat命令也能看到，Old和Eden分别占用200M和800M。

这里再增加一个有趣的测试，young和old区分别分配1000M和1000M内存，main方法如下：

public static void main(String[] args) throws Exception{
    youngAllocate(1000);
    oldAllocate(1000);
    // 为了CMS GC顺利触发，这里需要sleep 5s以上，建议时间长一点，让整个CMS GC顺利完成。
    Thread.sleep(300000);
}

这样就会导致发生一次YGC和一个CMS GC，那么你认为这时候通过TOP命令查看RES结果是多少呢？这时候应该是1.8G，除了S0/S1两个区域，eden和Old区域都写入过数据，而 JVM使用过的内存就不会归还给操作系统，除非JVM进程宕机或者重启 ，这个结论很重要：

PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                                                                   
 22707 afei      20   0 4366m 1.8g  11m S  0.0 48.7   0:00.90 java

Young+Old+Metaspace

接下来，我们再通过程序在Metaspace中重复加载20w个对象，即metaspace分配200M左右的内存，main方法如下：

public static void main(String[] args) throws Exception{
    youngAllocate(1000);
    oldAllocate(1000);
    metaspaceAllocate(200000);
    Thread.sleep(60000);
}

通过TOP命令查看，RES为2.0G：

PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                                                                   
 22781 afei      20   0 4472m 2.0g  12m S  0.0 54.7   0:07.51 java

即前面分析的1.8G+208M（213822/1024），在JVM进程退出时有一行这样的日志：

Metaspace       used 213822K, capacity 215618K, committed 215936K, reserved 1165312K

Young+Old+Metaspace+DirectMemory

接下来，我们再通过程序给堆外分配400M，main方法如下：

public static void main(String[] args) throws Exception{
    youngAllocate(1000);
    oldAllocate(1000);
    metaspaceAllocate(200000);
    directMemoryAllocate(400);
    Thread.sleep(60000);
}

通过TOP命令查看，RES为2.4G：

PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                                                                   
 23329 afei      20   0 4874m 2.4g  12m S  0.0 65.2   0:12.67 java

Abount DirectMemory

在Java的上下文里，特指通过一组特定的API访问native memory，这组API主要由DirectByteBuffer暴露出来，其底层是通过c的malloc分配内存，API参考： ByteBuffer.allocateDirect(1024) ，可以通过 MaxDirectMemory 限制分配上限。

这部分分配的内存可以通过VisualVM的MBeans查看，但是MBeans默认没有安装，需要我们自己安装。但是由于VisualVM的MBeans默认从 https://github.com/visualvm/visualvm.src/releases/download/1.3.9/com-sun-tools-visualvm-modules-mbeans.nbm 中下载visualvm插件，而这个路径已经不存在。所以建议去 https://github.com/oracle/visualvm/releases 上下载对应的版本，然后手动安装这个插件：工具-插件-已下载-添加插件，选择本地已经下载的插件，最后点击安装即可。笔者的JDK8默认下载1.3.9版本，那么就去github上下载1.3.9版本，只需要MBeans这个模块即可：

通过MBeans查看Direct Memory占用内存非常方便：

Young+Old+Metaspace+DirectMemory+线程栈

最后就是线程栈，笔者试图通过启动20个线程，并且设置-Xss10240k，但是并没有达到预期，这里作为一个遗留问题。等笔者哪天搞懂了，再发文说明。

• Xss案例

曾经群里有一个朋友就是因为Xss配置相当大导致RES占用13G左右。大概情况是这样，-Xms4g，-Xss40940k，dubbo的provider服务。熟悉dubbo服务同学知道，dubbo服务provider默认采用固定200个线程处理的方式。所以200个线程占用8G，加上4G堆，以及一些其他内存，导致RSS高达13G，恐怖！！！

codecache

这部分内存一般占用比较少，在JVM崩溃的文件hs_err_pid18480.log中有其内存占用情况：

CodeCache: size=245760Kb used=47868Kb max_used=47874Kb free=197891Kb
 bounds [0x00007f00b4de4000, 0x00007f00b7d54000, 0x00007f00c3de4000]
 total_blobs=12973 nmethods=12383 adapters=500
 compilation: enabled

知识总结

HotSpot VM自己在JIT编译器、GC工作等的一些时候都会额外临时分配一些native memory，在JDK类库也有可能会有些功能分配长期存活或者临时的native memory，然后就是各种第三方库的native部分可能分配的native memory。

总之，RES占比异常时，一一排查，不要忽略任何一部分可能消耗的内存。

jvm使用了的内存，即使GC后也不会还给操作系统。

Direct Memory内存查看：如果是JDK 7及以上版本，可以用jconsole或者VisualVM的MBeans窗口查看java.nio.BufferPool.direct属性。

文末福利

最后笔者推荐一个JVM参数-XX:NativeMemoryTracking==[off|summary|detail]，可以窥探一些我们平常不怎么关注的内存占用部分，配置JVM参数后，执行如下命令即可：

jcmd 23448 VM.native_memory summary

命令执行结果如下：

测试源码

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.lang.reflect.Method;
import java.nio.ByteBuffer;

/**
 * 每个方法的参数m都是表示对应区间分配多少M内存
 * @author afei
 * @date 2018-09-28
 * @since 1.0.0
 */
public class MemoryTest {
    private static final int _1m = 1024*1024;

    private static final long THREAD_SLEEP_MS = 10*1000;

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        youngAllocate(1000);
        oldAllocate(1000);
        metaspaceAllocate(200000);
        directMemoryAllocate(400);
        // threadStackAllocate(400);
        Thread.sleep(60000);
    }

    /**
     * @param count 重复定义的MyCalc对象数量
     */
    private static void metaspaceAllocate(int count) throws Exception {
        System.out.println("metaspace object count: " + count);

        Method declaredMethod = ClassLoader.class.getDeclaredMethod("defineClass",
                new Class[]{String.class, byte[].class, int.class, int.class});
        declaredMethod.setAccessible(true);

        File classFile = new File("/app/afei/MyCalc.class");
        byte[] bcs = new byte[(int) classFile.length()];
        try(InputStream is = new FileInputStream(classFile);){
            // 将文件流读进byte数组
            while (is.read(bcs)!=-1){
            }
        }

        int outputCount = count/10;
        for (int i=1; i<=count; i++){
            try {
                // 重复定义MyCalc这个类
                declaredMethod.invoke(
                        MemoryTest.class.getClassLoader(),
                        new Object[]{"MyCalc", bcs, 0, bcs.length});
            }catch (Throwable e){
                // 重复定义类会抛出LinkageError: attempted  duplicate class definition for name: "MyCalc"
                // System.err.println(e.getCause().getLocalizedMessage());
            }
            if (i>=outputCount && i%outputCount==0){
                System.out.println("i = "+i);
            }
        }
        System.out.println("metaspace end");
    }

    /**
     * @param m 分配多少M direct memory
     */
    private static void directMemoryAllocate(int m){
        System.out.println("direct memory: "+m+"m");
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            ByteBuffer.allocateDirect(_1m);
        }
        System.out.println("direct memory end");
    }

    /**
     * @param m 给young区分配多少M的数据
     */
    private static void youngAllocate(int m){
        System.out.println("young: "+m+"m");
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            byte[] test = new byte[_1m];
        }
        System.out.println("young end");
    }

    /**
     * 需要配置参数: -XX:PretenureSizeThreshold=2M, 并且结合CMS
     * @param m 给old区分配多少M的数据
     */
    private static void oldAllocate(int m){
        System.out.println("old:   "+m+"m");
        for (int i = 0; i < m/5; i++) {
            byte[] test = new byte[5*_1m];
        }
        System.out.println("old end");
    }

    // 需要配置参数: -Xss10240k, 这里的实验以失败告终
    private static void threadStackAllocate(int m){
        int threadCount = m/10;
        System.out.println("thread stack count:"+threadCount);
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(() -> {
                System.out.println("thread name: " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    while(true) {
                        Thread.sleep(THREAD_SLEEP_MS);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        System.out.println("thread stack end:"+threadCount);
    }
}