JVM 堆外內(nèi)存查看方法

概述

• 是否曾經(jīng)想過(guò)為什么Java應(yīng)用程序通過(guò)眾所周知的*-Xms和-Xmx調(diào)整標(biāo)志消耗的內(nèi)存比指定的數(shù)量大得多 ？由于各種原因和可能的優(yōu)化，JVM可能會(huì)分配額外的本機(jī)內(nèi)存。這些額外的分配最終可能使消耗的內(nèi)存超出-Xmx* 限制。
• 在本教程中，我們將枚舉JVM中本機(jī)內(nèi)存分配的一些常見(jiàn)來(lái)源，以及它們的大小調(diào)整標(biāo)志，然后學(xué)習(xí)如何使用本機(jī)內(nèi)存跟蹤來(lái)監(jiān)視它們。

本機(jī)分配

• 通常，堆是Java應(yīng)用程序中最大的內(nèi)存消耗者，但是還有其他一些。**除了堆之外，JVM從本地內(nèi)存中分配了相當(dāng)大的塊來(lái)維護(hù)其類元數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序代碼，由JIT生成的代碼，內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。**在以下各節(jié)中，我們將探討其中的一些分配。

• 

• 可以看到整個(gè)memory主要包含了Java Heap、Class、Thread、Code、GC、Compiler、Internal、Other、Symbol、Native Memory Tracking、Arena Chunk這幾部分；其中reserved表示應(yīng)用可用的內(nèi)存大小，committed表示應(yīng)用正在使用的內(nèi)存大小

• Java Heap部分表示heap內(nèi)存目前占用了463MB；

• Class部分表示已經(jīng)加載的classes個(gè)數(shù)為8801，其metadata占用了50MB；

• Thread部分表示目前有225個(gè)線程，占用了27MB；

• Code部分表示JIT生成的或者緩存的instructions占用了17MB；

• GC部分表示目前已經(jīng)占用了15MB的內(nèi)存空間用于幫助GC；

• Compiler部分表示compiler生成code的時(shí)候占用了26MB；

• Internal部分表示命令行解析、JVMTI等占用了5MB；

• Other部分表示尚未歸類的占用了2MB；

• Symbol部分表示諸如string table及constant pool等symbol占用了10MB；

• Native Memory Tracking部分表示該功能自身占用了5MB；

• Arena Chunk部分表示arena chunk占用了63MB

• 一個(gè)arena表示使用malloc分配的一個(gè)memory chunk，這些chunks可以被其他subsystems做為臨時(shí)內(nèi)存使用，比如pre-thread的內(nèi)存分配，它的內(nèi)存釋放是成bulk的

元空間 Class

• 為了維護(hù)有關(guān)已加載類的某些元數(shù)據(jù)，JVM使用了稱為*Metaspace*的專用非堆區(qū)域。在Java 8之前，等效項(xiàng)稱為PermGen或Permanent Generation。Metaspace或PermGen包含有關(guān)已加載類的元數(shù)據(jù)，而不是包含在堆中的有關(guān)它們的實(shí)例的元數(shù)據(jù)。
• 這里重要的是，由于元空間是堆外數(shù)據(jù)區(qū)域，因此堆大小調(diào)整配置不會(huì)影響元空間的大小。為了限制元空間的大小，我們使用其他調(diào)整標(biāo)志：
• -XX：MetaspaceSize和-XX：MaxMetaspaceSize設(shè)置最小和最大元空間大小
• 在Java 8之前，使用*-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize*來(lái)設(shè)置最小和最大PermGen大小

線程數(shù) Thread

• JVM中最消耗內(nèi)存的數(shù)據(jù)區(qū)域之一是堆棧，它與每個(gè)線程同時(shí)創(chuàng)建。堆棧存儲(chǔ)局部變量和部分結(jié)果，在方法調(diào)用中起著重要作用。
• 默認(rèn)的線程堆棧大小取決于平臺(tái)，但是在大多數(shù)現(xiàn)代的64位操作系統(tǒng)中，大約為1 MB。此大小可通過(guò)*-Xss *調(diào)整標(biāo)志進(jìn)行配置。
• 與其他數(shù)據(jù)區(qū)域相比，當(dāng)對(duì)線程數(shù)沒(méi)有限制時(shí)，分配給堆棧的總內(nèi)存實(shí)際上是不受限制的。 還值得一提的是，JVM本身需要一些線程來(lái)執(zhí)行其內(nèi)部操作，例如GC或即時(shí)編譯。

代碼緩存 Code

• 為了在不同平臺(tái)上運(yùn)行JVM字節(jié)碼，需要將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令。在執(zhí)行程序時(shí)，JIT編譯器負(fù)責(zé)此編譯。
• JVM將字節(jié)碼編譯為匯編指令時(shí)，會(huì)將這些指令存儲(chǔ)在稱為*代碼緩存***的特殊非堆數(shù)據(jù)區(qū)域中 。 可以像JVM中的其他數(shù)據(jù)區(qū)域一樣管理代碼緩存。-XX：InitialCodeCacheSize **和 **-XX：ReservedCodeCacheSize **調(diào)諧標(biāo)志確定用于代碼高速緩存中的初始和最大可能大小。

垃圾收集 GC

• JVM附帶了幾種GC算法，每種算法都適合不同的用例。所有這些GC算法都有一個(gè)共同的特征：它們需要使用一些堆外數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行任務(wù)。這些內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)消耗更多的本機(jī)內(nèi)存。

Symbols

• 讓我們從字符串開(kāi)始 ， 它是應(yīng)用程序和庫(kù)代碼中最常用的數(shù)據(jù)類型之一。由于它們無(wú)處不在，因此它們通常占據(jù)堆的很大一部分。如果大量的這些字符串包含相同的內(nèi)容，那么堆的很大一部分將被浪費(fèi)。
• 為了節(jié)省一些堆空間，我們可以存儲(chǔ)每個(gè)String的一個(gè)版本， 并讓其他版本引用存儲(chǔ)的版本。 此過(guò)程稱為字符串實(shí)習(xí)。由于JVM只能內(nèi)生 編譯時(shí)間字符串常量，因此 我們可以對(duì)要內(nèi)生的字符串手動(dòng)調(diào)用intern（） 方法。
• JVM將內(nèi)聯(lián)的字符串存儲(chǔ)在特殊的本機(jī)固定大小的哈希表中，該哈希表稱為String Table，也稱為String Pool。我們可以通過(guò)**-XX：StringTableSize** 調(diào)整標(biāo)志來(lái)配置表的大?。赐皵?shù)） 。
• 除了字符串表外，還有另一個(gè)本機(jī)數(shù)據(jù)區(qū)域，稱為運(yùn)行時(shí)常量池。 JVM使用此池存儲(chǔ)必須在運(yùn)行時(shí)解析的常量，例如編譯時(shí)數(shù)字文字，方法和字段引用。

本機(jī)字節(jié)緩沖區(qū) Native Byte Buffers

• JVM通常是大量本機(jī)分配的可疑對(duì)象，但有時(shí)開(kāi)發(fā)人員也可以直接分配本機(jī)內(nèi)存。最常見(jiàn)的方法是通過(guò)JNI和NIO的直接ByteBuffers進(jìn)行**malloc **調(diào)用 。

Additional Tuning Flags

• 在本節(jié)中，我們針對(duì)不同的優(yōu)化方案使用了少數(shù)JVM調(diào)整標(biāo)志。使用以下技巧，我們幾乎可以找到與特定概念相關(guān)的所有調(diào)整標(biāo)志：

• $ java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep <concept>
  

• 該PrintFlagsFinal打印所有- *XX *在JVM選項(xiàng)。例如，要查找所有與Metaspace相關(guān)的標(biāo)志：

• $ java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep Metaspace      // truncated      uintx MaxMetaspaceSize                          = 18446744073709547520                    {product}      uintx MetaspaceSize                             = 21807104                                {pd product}      // truncated
  

本機(jī)內(nèi)存跟蹤（NMT）

• 既然我們知道了JVM中本機(jī)內(nèi)存分配的常見(jiàn)來(lái)源，那么該是時(shí)候找出如何監(jiān)視它們了。**首先，我們應(yīng)該使用另一個(gè)JVM調(diào)整標(biāo)志啟用本地內(nèi)存跟蹤：*-XX：NativeMemoryTracking = off | sumary | detail。 ***默認(rèn)情況下，NMT處于關(guān)閉狀態(tài)，但我們可以使它查看其觀測(cè)結(jié)果的摘要或詳細(xì)視圖。

• 假設(shè)我們要跟蹤典型的Spring Boot應(yīng)用程序的本機(jī)分配：

• $ java -XX:NativeMemoryTracking=summary -Xms300m -Xmx300m -XX:+UseG1GC -jar app.jar
  

• 在這里，我們使用G1作為GC算法，在分配300 MB堆空間的同時(shí)啟用NMT。

即時(shí)快照

• 啟用NMT后，我們可以隨時(shí)使用*jcmd *命令獲取本機(jī)內(nèi)存信息 ：

• $ jcmd <pid> VM.native_memory
  

• 為了找到JVM應(yīng)用程序的PID，我們可以使用 jps命令：

• $ jps -l                    7858 app.jar // This is our app7899 sun.tools.jps.Jps
  

• 現(xiàn)在，如果我們將 jcmd *與適當(dāng)?shù)?pid一起使用， *VM.native_memory *將使JVM打印出有關(guān)本機(jī)分配的信息：

• $ jcmd 7858 VM.native_memory
  

• 讓我們逐節(jié)分析NMT輸出。

總分配

• NMT報(bào)告保留和提交的內(nèi)存總量，如下所示：

• Native Memory Tracking:Total: reserved=1731124KB, committed=448152KB
  

• 保留的內(nèi)存代表我們的應(yīng)用程序可能使用的內(nèi)存總量。相反，已提交的內(nèi)存等于我們的應(yīng)用程序當(dāng)前正在使用的內(nèi)存量。

• 盡管分配了300 MB的堆，但我們的應(yīng)用程序的總保留內(nèi)存幾乎為1.7 GB，遠(yuǎn)不止于此。同樣，已提交的內(nèi)存大約為440 MB，這又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了300 MB。

• 在合計(jì)部分之后，NMT報(bào)告每個(gè)分配源的內(nèi)存分配。因此，讓我們深入探討每個(gè)來(lái)源。

堆

• NMT按預(yù)期報(bào)告了我們的堆分配：

• Java Heap (reserved=307200KB, committed=307200KB)          (mmap: reserved=307200KB, committed=307200KB)
  

• 300 MB的保留和提交內(nèi)存，與我們的堆大小設(shè)置匹配。

元空間

• NMT關(guān)于已加載類的類元數(shù)據(jù)的說(shuō)明如下：

• Class (reserved=1091407KB, committed=45815KB)      (classes #6566)      (malloc=10063KB #8519)       (mmap: reserved=1081344KB, committed=35752KB)
  

• 保留了將近1 GB的空間，并有45 MB的空間用于加載6566類。

線程

• 這是關(guān)于線程分配的NMT報(bào)告：

• Thread (reserved=37018KB, committed=37018KB)       (thread #37)       (stack: reserved=36864KB, committed=36864KB)       (malloc=112KB #190)        (arena=42KB #72)
  

• 總共為37個(gè)線程的堆棧分配了36 MB的內(nèi)存–每個(gè)堆棧幾乎1 MB。JVM在創(chuàng)建時(shí)將內(nèi)存分配給線程，因此保留和提交的分配是相等的。

代碼緩存

• 讓我們看看NMT對(duì)JIT生成和緩存的匯編指令的評(píng)價(jià)：

• Code (reserved=251549KB, committed=14169KB)     (malloc=1949KB #3424)      (mmap: reserved=249600KB, committed=12220KB)
  

• 當(dāng)前，將近有13 MB的代碼被緩存，并且該數(shù)量可能會(huì)增加到大約245 MB。

GC

• 這是有關(guān)G1 GC內(nèi)存使用情況的NMT報(bào)告：

• GC (reserved=61771KB, committed=61771KB)   (malloc=17603KB #4501)    (mmap: reserved=44168KB, committed=44168KB)
  

• 我們可以看到，幾乎有60 MB的空間被保留并致力于幫助G1。

• 讓我們看看一個(gè)簡(jiǎn)單得多的GC（例如串行GC）的內(nèi)存使用情況：

• $ java -XX:NativeMemoryTracking=summary -Xms300m -Xmx300m -XX:+UseSerialGC -jar app.jar
  

• 串行GC幾乎不使用1 MB：

• GC (reserved=1034KB, committed=1034KB)   (malloc=26KB #158)    (mmap: reserved=1008KB, committed=1008KB)
  

• 顯然，我們不應(yīng)該僅僅因?yàn)閮?nèi)存使用率就選擇了GC算法，因?yàn)榇蠫C的“停滯不前”性質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致性能下降。

符號(hào)Symbol

• 這是有關(guān)符號(hào)分配的NMT報(bào)告，例如字符串表和常量池：

• Symbol (reserved=10148KB, committed=10148KB)       (malloc=7295KB #66194)        (arena=2853KB #1)
  

• 將近10 MB分配給符號(hào)。

隨著時(shí)間的NMT

• NMT使我們能夠跟蹤內(nèi)存分配如何隨時(shí)間變化。**首先，我們應(yīng)將應(yīng)用程序的當(dāng)前狀態(tài)標(biāo)記為基線：

• $ jcmd <pid> VM.native_memory baseline
  

• 然后，過(guò)一會(huì)兒，我們可以將當(dāng)前內(nèi)存使用量與該基準(zhǔn)進(jìn)行比較：

• $ jcmd <pid> VM.native_memory summary.diff
  

• NMT使用+和–符號(hào)將告訴我們?cè)诖似陂g內(nèi)存使用量如何變化：

• Total: reserved=1771487KB +3373KB, committed=491491KB +6873KB-             Java Heap (reserved=307200KB, committed=307200KB)                        (mmap: reserved=307200KB, committed=307200KB) -             Class (reserved=1084300KB +2103KB, committed=39356KB +2871KB)// Truncated
  

• 保留和提交的總內(nèi)存分別增加了3 MB和6 MB?？梢院苋菀椎匕l(fā)現(xiàn)內(nèi)存分配中的其他波動(dòng)。

詳細(xì)的NMT

• NMT可以提供有關(guān)整個(gè)內(nèi)存空間映射的非常詳細(xì)的信息。要啟用此詳細(xì)報(bào)告，我們應(yīng)該使用*-XX：NativeMemoryTracking = detail *調(diào)整標(biāo)志。

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