動手探究Java內存泄露問題

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在本系列教程中,將帶大家動手探究Java內存泄露之謎，並教授給讀者相關的分析方法。以下是一個案例。

最近有一個伺服器，經常運行的時候就出現過載宕機的現象。重啟腳本和系統后，該個問題還是會出現。儘管有大量的數據丟失,但因不是關鍵業務，問題並不嚴重。不過還是決定作進一步的調查，來看下問題到底出現在哪。首先注意到的是，伺服器通過了所有的單元測試和完整的集成環境的測試。在測試環境下使用測試數據時運行正常,那麼為什麼在生產環境中運行會出現問題呢？很容易會想到，也許是因為實際運行時的負載大於測試時的負載，甚至超過了設計的負荷，從而耗盡了資源。但是到底是什麼資源,在哪裡耗盡了呢?下面我們就研究這個問題

為了演示這個問題,首先要做的是編寫一些內存泄露的代碼,將使用生產-消費者模式去實現,以便更好說明問題。

例子中，假定有這樣一個場景：假設你為一個證?瘓?凸?竟ぷ鰨?飧齬?窘?善鋇南?鄱詈凸煞菁鍬莢謔?菘庵小Ｍü?桓黽虻ソ?袒袢∶?畈⒔?浯娣旁諞桓齠恿兄小Ａ硪桓黿?檀癰枚恿兄卸寥∶?畈⒔?湫慈朧?菘狻Ｃ?畹?OJO對象十分簡單，如下代碼所示：

public class Order { 
  
  private final int id; 
  
  private final String code; 
  
  private final int amount; 
  
  private final double price; 
  
  private final long time; 
  
  private final long[] padding; 
  
  /** 
   * @param id 
   *            The order id 
   * @param code 
   *            The stock code 
   * @param amount 
   *            the number of shares 
   * @param price 
   *            the price of the share 
   * @param time 
   *            the transaction time 
   */ 
  public Order(int id, String code, int amount, double price, long time) { 
    super(); 
    this.id = id; 
    this.code = code; 
    this.amount = amount; 
    this.price = price; 
    this.time = time; 
    
    //這裡故意設置Order對象足夠大，以方便例子稍後在運行的時候耗盡內存 
    this.padding = new long[3000]; 
    Arrays.fill(padding, 0, padding.length - 1, -2); 
  } 
  
  public int getId() { 
    return id; 
  } 
  
  public String getCode() { 
    return code; 
  } 
  
  public int getAmount() { 
    return amount; 
  } 
  
  public double getPrice() { 
    return price; 
  } 
  
  public long getTime() { 
    return time; 
  } 
  
}

這個POJO對象是Spring應用的一部分，該應用有三個主要的抽象類，當Spring調用它們的start()方法的時候將分別創建一個新的線程。

第一個抽象類是OrderFeed。run()方法將生成一系列隨機的Order對象，並將其放置在隊列中，然後它會睡眠一會兒，又再接著生成一個新的Order對象，代碼如下：

public class OrderFeed implements Runnable { 
 
 private static Random rand = new Random(); 
 
 private static int id = 0; 
 
 private final BlockingQueue orderQueue; 
 
 public OrderFeed(BlockingQueue orderQueue) { 
   this.orderQueue = orderQueue; 
 } 
 
 /** 
  *在載入Context上下文後由Spring調用，開始生產order對象 
  */ 
 public void start() { 
 
   Thread thread = new Thread(this, "Order producer"); 
   thread.start(); 
 } 
 
  @Override 
 public void run() { 
 
   while (true) { 
     Order order = createOrder(); 
     orderQueue.add(order); 
     sleep(); 
   } 
 } 
 
 private Order createOrder() { 
 
   final String[] stocks = { "BLND.L", "DGE.L", "MKS.L", "PSON.L", "RIO.L", "PRU.L", 
       "LSE.L", "WMH.L" }; 
   int next = rand.nextInt(stocks.length); 
   long now = System.currentTimeMillis(); 
 
   Order order = new Order(++id, stocks[next], next * 100, next * 10, now); 
   return order; 
 } 
 
 private void sleep() { 
   try { 
     TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100); 
   } catch (InterruptedException e) { 
     e.printStackTrace(); 
   } 
 }

第二個類是OrderRecord，這個類負責從隊列中提取Order對象，並將它們寫入資料庫。問題是，將Order對象寫入資料庫的耗時比產生Order對象的耗時要長得多。為了演示，將在recordOrder()方法中讓其睡眠1秒。

public class OrderRecord implements Runnable { 
 
  private final BlockingQueue orderQueue; 
 
  public OrderRecord(BlockingQueue orderQueue) { 
    this.orderQueue = orderQueue; 
  } 
 
  public void start() { 
 
    Thread thread = new Thread(this, "Order Recorder"); 
    thread.start(); 
  } 
 
  @Override 
  public void run() { 
 
    while (true) { 
 
      try { 
        Order order = orderQueue.take(); 
        recordOrder(order); 
      } catch (InterruptedException e) { 
        e.printStackTrace(); 
      } 
    } 
 
  } 
 
  /** 
   * 模擬記錄到資料庫的方法，這裡只是簡單讓其睡眠一秒  
   */ 
  public void recordOrder(Order order) throws InterruptedException { 
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1); 
  } 
 
}

為了證明這個效果，特意增加了一個監視類 OrderQueueMonitor ，這個類每隔幾秒就列印出隊列的大小，代碼如下：

public class OrderQueueMonitor implements Runnable { 
 
  private final BlockingQueue orderQueue; 
 
  public OrderQueueMonitor(BlockingQueue orderQueue) { 
    this.orderQueue = orderQueue; 
  } 
 
  public void start() { 
 
    Thread thread = new Thread(this, "Order Queue Monitor"); 
    thread.start(); 
  } 
 
  @Override 
  public void run() { 
 
    while (true) { 
 
      try { 
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2); 
        int size = orderQueue.size(); 
        System.out.println("Queue size is:" + size); 
      } catch (InterruptedException e) { 
        e.printStackTrace(); 
      } 
    } 
  } 
 
}

接下來配置Spring框架的相關配置文件如下：

"1.0" encoding="UTF-8"?> 
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans" 
xmlns:p="http://www.springframework.org/schema/p" 
xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" 
xmlns:context="http://www.springframework.org/schema/context" 
xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd 
http://www.springframework.org/schema/context http://www.springframework.org/schema/context/spring-context-3.1.xsd" 
default-init-method="start" 
default-destroy-method="destroy"> 
  
<bean id="theQueue" class="java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue"/>  
<bean id="orderProducer"> 
<constructor-arg ref="theQueue"/> 
 
  
<bean id="OrderRecorder"> 
<constructor-arg ref="theQueue"/> 
 
  
<bean id="QueueMonitor"> 
<constructor-arg ref="theQueue"/>

接下來運行這個Spring應用，並且可以通過jConsole去監控應用的內存情況，這需要作一些配置，配置如下：

-Dcom.sun.management.jmxremote  
-Dcom.sun.management.jmxremote.port=9010  
-Dcom.sun.management.jmxremote.local.only=false  
-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false  
-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false

如果你看看堆的使用量，你會發現隨著隊列的增大，堆的使用量逐漸增大，如下圖所示，你可能不會發現1KB的內存泄露，但當達到1GB的內存溢出就很明顯了。所以，接下來要做的事情就是等待其溢出，然後進行分析。

接下來我們來看下如何發現並解決這類問題。在Java中，可以藉助不少自帶的或第三方的工具幫助我們進行相關的分析。

下面介紹分析程序內存泄露問題的三個步驟：

提取發生內存泄露的伺服器的轉儲文件。
用這個轉儲文件生成報告。
分析生成的報告。

有幾個工具能幫你生成堆轉儲文件，分別是：

jconsole
visualvm
Eclipse Memory Analyser Tool（MAT）

用jconsole提取堆轉儲文件

使用jconsole連接到你的應用：單擊MBeans選項卡打開com.sun.management包，點擊 HotSpotDiagnostic，點擊Operations，然後選擇dumpHeap。這時你將會看到dumpHeap操作：它接受兩個參數p0和 p1。在p0的編輯框內輸入一個堆轉儲的文件名，然後按下DumpHeap按鈕就可以了。如下圖：

用jvisualvm提取堆轉儲文件

首先使用jvisual vm連接示例代碼，然後右鍵點擊應用，在左側的“application”窗格中選擇“Heap Dump”。

注意：如果需要分析的發生內存泄露的是在遠程伺服器上，那麼jvisualvm將會把轉存出來的文件保存在遠程機器（假設這是一台unix機器）上的/tmp目錄下。

用MAT來提取堆轉儲文件

jconsole和jvisualvm本身就是JDK的一部分，而MAT或被稱作“內存分析工具”，是一個基於eclipse的插件，可以從eclipse.org下載。

最新版本的MAT需要你在電腦上安裝JDk1.6。如果你用的是Java1.7版本也不用擔心，因為它會自動為你安裝1.6版本，並且不會和安裝好的1.7版本產生衝突。

使用MAT的時候，只需要點擊“Aquire Heap Dump”，然後按步驟操作就可以了，如下圖：

要注意的是，使用上面的三種方法，都需要配置遠程JMX連接如下：

-Dcom.sun.management.jmxremote 
-Dcom.sun.management.jmxremote.port=9010 
-Dcom.sun.management.jmxremote.local.only=false 
-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false 
-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false

何時提取堆轉存文件

那麼在什麼時候才應該提取堆轉存文件呢？這需要耗費點心思和碰下運氣。如果過早提取了堆轉儲文件，那麼將可能不能發現問題癥結所在，因為它們被合法，非泄露類的實例屏蔽了。不過也不能等太久，因為提取堆轉儲文件也需要佔用內存，進行提取的時候可能會導致應用崩潰。

最好的辦法是將jconsole連接到應用程序並監控堆的佔用情況，知道它何時在崩潰的邊緣。因為沒有發生內存泄露時，三個堆部分指標都是綠色的，這樣很容易就能監控到。

分析轉儲文件

現在輪到MAT派上用場了，因為它本身就是設計用來分析堆轉儲文件的。要打開和分析一個堆轉儲文件，可以選擇File菜單的Heap Dump選項。選擇了要打開的文件后，將會看到如下三個選項：

選擇Leak Suspect Report選項。在MAT運行幾秒后，會生成如下圖的頁面：

如餅狀圖顯示：疑似有一處發生了內存泄露。也許你會想，這樣的做法只有在代碼受到控制的情況下才可取。畢竟這只是個例子，這又能說明什麼呢？好吧，在這個例子里，所有的問題都是淺然易見的；線程a佔用了98.7MB內存，其他線程用了1.5MB。在實際情況中，得到的圖表可能是上圖那樣。讓我們繼續探究，會得到如下圖：

如上圖所示，報告的下一部分告訴我們，有一個LinkedBlockQueue佔用了98.46%的內存。想要進一步的探究，點擊Details>>就可以了，如下圖：

可以看到，問題確實是出在我們的orderQueue上。這個隊列里存儲了所有生成的隨機生成的Order對象，並且可以被我們上篇博文里提到的三個線程OrderFeed、OrderRecord、OrderMonitor訪問。

那麼一切都清楚了，MAT告訴我們：示例代碼中有一個LinkedBlockQueue，這個隊列用盡了所有的內存，從而導致了嚴重的問題。不過我們不知道這個問題為什麼會產生，也不能指望MAT告訴我們。

本文代碼可以在：https://github.com/roghughe/captaindebug/tree/master/producer-consumer中下載。

原文鏈接：http://www.javacodegeeks.com/2013/12/investigating-memory-leaks-part-1-writing-leaky-code.html

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