詳解Java內存洩露的示例代碼

在定位JVM性能問題時可能會遇到內存洩露導致JVM OutOfMemory的情況,在使用Tomcat容器時如果設置了reloadable=”true”這個參數,在頻繁熱部署應用時也有可能會遇到內存溢出的情況。 Tomcat的熱部署原理是檢測到WEB-INF/classes或者WEB-INF/lib目錄下的文件發生了變更後會把應用先停止然後再啟動,由於Tomcat默認給每個應用分配一個WebAppClassLoader,熱替換的原理就是創建一個新的ClassLoader來加載類,由於JVM中一個類的唯一性由它的class文件和它的類加載器來決定,因此重新加載類可以達到熱替換的目的。當熱部署的次數比較多會導致JVM加載的類比較多,如果之前的類由於某種原因(比如內存洩露)沒有及時卸載就可能導致永久代或者MetaSpace的OutOfMemory。這篇文章通過一個Demo來簡要介紹下ThreadLocal和ClassLoader導致內存洩露最終OutOfMemory的場景。

類的卸載

在類使用完之後，滿足下面的情形，會被卸載：

1.該類在堆中的所有實例都已被回收，即在堆中不存在該類的實例對象。

2.加載該類的classLoader已經被回收。

3.該類對應的Class對像沒有任何地方可以被引用，通過反射訪問不到該Class對象。

如果類滿足卸載條件，JVM就在GC的時候，對類進行卸載，即在方法區清除類的信息。

場景介紹

上一篇文章我介紹了ThreadLocal的原理,每個線程有個ThreadLocalMap，如果線程的生命週期比較長可能會導致ThreadLocalMap裡的Entry沒法被回收,那ThreadLocal的那個對象就一直被線程持有強引用,由於實例對象會持有Class對象的引用,Class對象又會持有加載它的ClassLoader的引用，這樣就會導致Class無法被卸載了,當加載的類足夠多時就可能出現永久代或者MetaSpace的內存溢出，如果該類有大對象，比如有比較大的字節數組,會導致Java堆區的內存溢出。

源碼介紹

這裡定義了一個內部類Inner,Inner類有個靜態的ThreadLocal對象,主要用於讓線程持有Inner類的強引用導致Inner類無法被回收,定義了一個自定義的類加載器去加載Inner類，如下所示:

 public class MemoryLeak { public static void main(String[] args) { //由於線程一直在運行,因此ThreadLocalMap裡的Inner對像一直被Thread對象強引用new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (true) { //每次都新建一個ClassLoader實例去加載Inner類CustomClassLoader classLoader = new CustomClassLoader ("load1", MemoryLeak.class.getClassLoader(), "com.ezlippi.MemoryLeak$Inner", "com.ezlippi.MemoryLeak$Inner$1"); try { Class<?> innerClass = classLoader.loadClass("com.ezlippi.MemoryLeak$Inner"); innerClass.newInstance(); //幫助GC進行引用處理innerClass = null; classLoader = null; Thread.sleep(10); } catch (ClassNotFoundException | IllegalAccessException | InstantiationException | InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } }).start(); } //為了更快達到堆區public static class Inner { private byte[] MB = new byte[1024 * 1024]; static ThreadLocal<Inner> threadLocal = new ThreadLocal<Inner>() { @Override protected Inner initialValue() { return new Inner(); } }; //調用ThreadLocal.get()才會調用initialValue()初始化一個Inner對象static { threadLocal.get(); } public Inner() { } } //源碼省略private static class CustomClassLoader extends ClassLoader {}

堆區內存溢出

為了觸發堆區內存溢出，我在Inner類裡面設置了一個1MB的字節數組,同時要在靜態塊中調用threadLocal.get()，只有調用才會觸發initialValue()來初始化一個Inner對象,不然只是創建了一個空的ThreadLocal對象,ThreadLocalMap裡並沒有數據。

JVM參數如下:

 -Xms100m -Xmx100m -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintHeapAtGC -XX:+PrintClassHistogram -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

最後執行了814次後JVM堆區內存溢出了,如下所示:

 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap spaceDumping heap to java_pid11824.hprof ...Heap dump file created [100661202 bytes in 1.501 secs]Heap par new generation total 30720K, used 30389K [0x00000000f9c00000, 0x00000000fbd50000, 0x00000000fbd50000) eden space 27328K, 99% used [0x00000000f9c00000, 0x00000000fb6ad450, 0x00000000fb6b0000) from space 3392K, 90% used [0x00000000fb6b0000, 0x00000000fb9b0030, 0x00000000fba00000) to space 3392K, 0% used [0x00000000fba00000, 0x00000000fba00000, 0x00000000fbd50000) concurrent mark-sweep generation total 68288K, used 67600K [0x00000000fbd50000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000) Metaspace used 3770K, capacity 5134K, committed 5248K, reserved 1056768K class space used 474K, capacity 578K, committed 640K, reserved 1048576KException in thread "Thread-0" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space at com.ezlippi.MemoryLeak$Inner.<clinit>(MemoryLeak.java:34) at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Native Method) at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(Unknown Source) at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(Unknown Source) at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Unknown Source) at java.lang.Class.newInstance(Unknown Source) at com.ezlippi.MemoryLeak$1.run(MemoryLeak.java:20) at java.lang.Thread.run(Unknown Source)

可以看到JVM已經沒有內存來創建新的Inner對象,因為堆區存放了很多個1MB的字節數組,這裡我把類的直方圖打印出來了(下圖是堆大小為1024M的場景)，省略了一些無關緊要的類，可以看出字節數組佔了855M的空間,創建了814個com.ezlippi.MemoryLeak$CustomClassLoader 的實例,和字節數組的大小基本吻合：

 num #instances #bytes class name---------------------------------------------- 1: 6203 855158648 [B 2: 13527 1487984 [C 3: 298 700560 [I 4: 2247 228792 java.lang.Class 5: 8232 197568 java.lang.String 6: 3095 150024 [Ljava.lang.Object; 7: 1649 134480 [Ljava.util.HashMap$Node; 11: 813 65040 com.ezlippi.MemoryLeak$CustomClassLoader 12: 820 53088 [Ljava.util.Hashtable$Entry; 15: 817 39216 java.util.Hashtable 16: 915 36600 java.lang.ref.SoftReference 17: 543 34752 java.net.URL 18: 697 33456 java.nio.HeapCharBuffer 19: 817 32680 java.security.ProtectionDomain 20: 785 31400 java.util.TreeMap$Entry 21: 928 29696 java.util.Hashtable$Entry 22: 1802 28832 java.util.HashSet 23: 817 26144 java.security.CodeSource 24: 814 26048 java.lang.ThreadLocal$ThreadLocalMap$Entry

Metaspace溢出

為了讓Metaspace溢出，那就必須把MetaSpace的空間調小一點，要在堆溢出之前加載足夠多的類,因此我調整了下JVM參數,並且把字節數組的大小調成了1KB，如下所示:

 private byte[] KB = new byte[1024];-Xms100m -Xmx100m -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintHeapAtGC -XX:+PrintClassHistogram -XX:MetaspaceSize=2m -XX:MaxMetaspaceSize=2m

從GC日誌可以看出在Meraspace達到GC閾值(也就是MaxMetaspaceSize配置的大小時)會觸發一次FullGC：

 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace <<no stack trace available>>{Heap before GC invocations=20 (full 20): par new generation total 30720K, used 0K [0x00000000f9c00000, 0x00000000fbd50000, 0x00000000fbd50000) eden space 27328K, 0% used [0x00000000f9c00000, 0x00000000f9c00000, 0x00000000fb6b0000) from space 3392K, 0% used [0x00000000fb6b0000, 0x00000000fb6b0000, 0x00000000fba00000) to space 3392K, 0% used [0x00000000fba00000, 0x00000000fba00000, 0x00000000fbd50000) concurrent mark-sweep generation total 68288K, used 432K [0x00000000fbd50000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000) Metaspace used 1806K, capacity 1988K, committed 2048K, reserved 1056768K class space used 202K, capacity 384K, committed 384K, reserved 1048576K[Full GC (Metadata GC Threshold) [CMSProcess finished with exit code 1

通過上面例子可以看出如果類加載器和ThreadLocal使用的不當確實會導致內存洩露的問題,完整的源碼在github