使用jmap和MAT觀察Java程序內存數據

背景

很多故障跟數據結構中實際存儲的數值會很有關系。有時候我們能夠預感到這類數據，例如：

1. 某些 成員變量：緩存池的當前尺寸（size）、容積上限（capacity）
   為了加快服務響應速度，通常會把一些相對靜態的內容在內存中做緩存。內存中容納這些內容的容器稱為緩存池。緩存池中已存對象的數目，即緩存池的當前尺寸。這個當前尺寸與該緩存池實際占用內存量息息相關。
   由于內存有限，緩存池通常會設置容積上限。這個值可以控制緩存池 占用內存量的最大值。

2. 某些類的對象數量、某個對象導致的無法回收內存量（retained size）

3. 局部變量的值

有經驗的開發人員可能將這些數值打印到日志中，便于故障分析。

但很多時候我們并沒有預先打印這些數值，或者很計算出這些數值（如無法回收內存量）。在沒有日志記錄的情況下，該如何獲得這些數值？

答案是使用jmap 和 MAT(Memory Analyzer Tool)！

工具介紹

• jmap是JDK自帶的命令行工具，用它可以將指定進程的整個Java堆(Java Heap)轉儲到指定的數據文件中
• MAT是一個第三方工具，可以從http://www.eclipse.org/mat/下載。必須在圖形界面（GUI）中執行（例如Windows或Linux的VNC桌面系統中)。用它可以對數據文件做非常詳盡的分析。

它們之間的關系圖示如下：

工具使用

jmap使用方法：

jmap -dump:file=dump.map <pid> 

執行后，會生成dump.map文件。這個文件可以用MAT打開。
如果你在遠程Linux系統中工作，可能需要使用VNC（具體方法參考： （TODO） ）。

啟動MAT的方法（在Linux桌面中，打開一個終端（Terminal），然后執行）：

#假設mat工具已經解壓到/usr/local/mat中 cd /usr/local/mat #如果dump.map文件尺寸較大（例如2GB以上），需要修改MemoryAnalyzer.ini文件中 #-Xmx選項。將它設置到一個更大的值，例如4GB左右： -Xmx4000m #啟動Memory Analyzer ./MemoryAnalyzer 

啟動后，在菜單中選擇Open Heap Dump，讀入dump.map文件即可開始分析。

工具說明

jmap生成的數據文件（例如dump.map）中有詳盡的Java堆（Java Heap）的信息，這些信息包括—所有的Java對象的數據成員，以及它們之間的引用關系等。并且MAT又是一個非常棒的工具，因此上述內容都可以看到。并且MAT還為內存泄漏的分析有特別的支持，它能夠計算出每個對象的占用內存量（Retained Size）。將對象按照占用內存量（Retained Size）從大到小排序，通常很容易就能確定究竟是什么對象發生了內存泄漏。

在MAT中打開數據文件（例如dump.map）后，通常可以通過如下幾個方式來查看：

1. Leak Suspect： Memory Analyzer智能分析出的最可能發生內存泄漏的對象，通常也就是占用內存量（Retained Size）最大的對象
2. Dominator Tree查看，常用的兩種方式：
   • 按照占用內存量(Retained Size)從大到小排序（Dominator Tree的默認查看方式）
   • 用正則表達式匹配類名，查看對應的類（Class）的對象（Object），或者對應類的靜態成員（Static Member）
3. Threads View查看：可以看到各個線程的調用棧，以及局部引用的值
4. Object Query Language查詢：可以用類似SQL的語句查詢整個Java Heap堆

使用MAT不但可以觀察(Inspect)所有對象的成員變量的值，如果變量是引用，還可以跟蹤（follow）引用（reference）進一步查看相關對象的數據。

示例

撰寫程序如下（MatExample.java）：

import java.util.List; import java.util.LinkedList; public class MatExample {     static String staticVar = "Hello, I am static";     private String instanceVar = "Hello, I am instance";     public static void main(String[] args) throws Exception     {         MatExample instance = new MatExample();         List<String> leakList = new LinkedList<String>();         int k = 0;         for(int i=0; i<10000; i++)         {             k++;             leakList.add(k+"");         }         System.out.println("10000 objects generated");         while(true)         {             Thread.sleep(1000);         }     } } 

編譯（生成MatExample.class）

javac MatExample.java 

運行（MatExample.class）

java MatExample 

程序輸出：

1000 objects generated 

另開一個命令行，然后使用jps列出所有Java進程：

jps -mlvV 

jps輸出類似如下信息：

91888 sun.tools.jps.Jps -mlvV -Dapplication.home=E:\Java\jdk1.7.0_45 -Xms8m 90752 MatExample 

上面90752便是MatExample的進程編號(PID)，現在我們運行jmap獲取數據文件（存儲到dump.map）：

jmap -dump:file=dump.map 90752 

接著啟動MAT，并通過菜單中 File->Open Heap Dump 打開dump.map，如圖：

MAT會讀取數據文件到內存中并作必要的預處理（如果是較大的文件，則耗時較長，建議去喝杯茶休息下）。

MAT讀取完文件，會出現一個向導，讓我們選擇一種分析方式。我們可以選擇泄漏嫌疑對象報告（Leak Suspects Report）分析，然后點“Finish”。

MAT呈現出一個餅圖描述該進程內存的分布情況，在此圖形中可以清晰地看到內存占用最大的對象。下方，還會有Top N的泄露嫌疑對象文字描述，如圖：

這里說的是局部變量占用“721,136 (63.90%) bytes”，并且是一個LinkedList對象造成的。點擊“See stacktrace”，就能看到調用棧

main   at java.lang.Thread.sleep(J)V (Native Method)   at MatExample.main([Ljava/lang/String;)V (MatExample.java:21) 

線程名稱是“main”。點擊圖示的按鈕，可以打開線程視圖(Threads view)，查看帶有局部變量的調用棧信息。

從中可以清晰看到是在MatExample.main函數中引用的一個LinkedList占用了720,040字節。

我們可以點擊菜單中Window -> Inspector，然后查看該LinkedList對象的屬性。

可見，其size屬性確實是10000。可見泄露嫌疑對象報告(Leak Suspect Report)能夠幫助我們較迅速地定位到內存泄漏點。

另外，也可以從內存占用最大的對象的思路來找內存問題，點擊圖示圖標，打開Dominator Tree View

將最上面的一行逐行展開，也可以看到LinkedList的內存占用較大。

下面嘗試查看指定類型（class）的靜態成員(static member)和對象

在Dominator Tree的正則輸入框（Regex）中輸入“MatExample”：

回車后，顯示下圖：

“class MatExample”的屬性和引用，與代碼中定義的MatExample類的靜態成員（static member）的內容相符合：

static String staticVar = "Hello, I am static"; 

我們可以嘗試下跟蹤引用：在Inspector窗口中，對一個引用點擊右鍵，然后選擇“Go Into”

即可看到該對象的屬性。

如果希望讓引用對象顯示在右圖中，可以選擇"List objects -> with outgoing references”

這樣可以更方便地進一步跟蹤其引用。

但我們發現，代碼中創建的MatExample對象

MatExample instance = new MatExample(); 

并沒有出現在之前的圖中

可以嘗試下Object Query Language （OQL）。點擊圖標

輸入查詢語句

select * from INSTANCEOF MatExample 

點擊執行按鈕

現在我們可以查到所有MatExample對象（本例只有一個）：

點選后，在Inspector窗口中，同樣可以看到其成員變量的值。這里就不詳述了。

總結

jmap和MAT是一對非常強大的工具，通過它們可以獲知一個Java進程中所有Java級別（與Native級別相對）的數據內容。包括所有類、對象的值、引用關系、線程調用棧、局部引用，以及每個對象占用內存量等信息。而這些信息對故障追蹤可能會起到非常大的幫助。