GC root & 使用MAT分析java堆

当我们的java程序遇到频繁full gc或者oom的时候，我们常常需要将当前的heap dump出来进行进一步的分析。MAT是用于分析heap dump的神器。

1 生成heap dump

heap dump是jvm内存中某一时刻所有对象的的快照。通常用于定位java程序的内存泄露或者优化内存。通常可以通过以下几种方式生称dump文件：

1.1 jmap

jmap -dump:[live,]format=b,file=

live是可选项，如果加上了live，那么只会dump存活的对象，不会dump将被gc的对象。 jmap的使用举例来说，假如通过jps得到进程id为19234：

jmap -dump:format=b,file=heap.hprof 19234

注意： jmap是实验性质的，并且不会长久支持的（This command is experimental and unsupported）

1.2 jcmd
jcmd的功能非常多，用来向jvm发送请求。使用jcmd命令必须是在和jvm进程同一个机器上运行。使用jcmd生成head dump的命令是:

jcmd GC.heap_dump [-all]

从试验来看，这里的file-path须要是绝对路径，不能是相对路径。 all是可选项，不写all就类似jmap写上了live。使用举例如：

jcmd 19234 GC.heap_dump -all /tmp/dump.hprof

1.3 自动捕获head dump文件
可以通过加入jvm参数，当程序出现oom的时候，自动产生heap dump文件

java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

该参数默认情况下会在我们启动java进程的目录下，产生一个名字叫 java_pid.hprof 的head dump文件。如果我们希望将head dump生成在其他目录或者文件，可以使用如下参数:

java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=

当然还有其他生成head dump文件的方式，具体可以参考java-heap-dump-capture

2 GC root

2.1 概念

Garbage Collection Roots.

深入理解java虚拟机中提到，可作为GC Roots的对象包括下面几种:

1. 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
2. 方法区中类静态属性引用的对象
3. 方法去中常量引用的对象
4. 本地方法栈JNI引用的对象

怎么理解呢?

1. 首先对于上述的第一点应该注意是一个虚拟机栈而不是方法栈，每个java线程有一个虚拟机栈
2. 其次为什么这些可以作为GC root，其实比较好理解，因为栈中的对象肯定是正在使用的，所以可以从这些对象开始遍历，然后得出所有还在引用的对象；
3. 最后，GC root到底是对象还是引用呢？可以理解为这里的引用就是对象，因为对于Java语言(非字节码)来说单独的引用(没有指向对象的引用)没有意义。也就是说我们写了个引用但是没有赋值，其实和没写是一样的。可以通过2.2的举例来加深下理解

2.2 举例

我们可以用MAT来更详细的理解:

public static void main(String[] args) throws Exception {
        Stu stu = new Stu();
        stu.teacher = new Teacher();

        while (true) {
            Thread.sleep(1000);
        }
}

使用jcmd生成heap dump文件，用MAT打开后，搜索Teacher，然后我们看下这个类对应对象的“Path to gc root”:

小黄点表示这是个GC root. 这里具体表示这个是当前线程栈中的变量，类型是上一行的Stu类型。所以这里GC root就是引用了一个Stu对象的栈中的引用，你也可以理解为这个就是个Stu的一个对象。

注意：一个对象可以有多个GC root，同样在MAT上看也就是多条“Path to gc root”

3 使用MAT分析heap dump

了解了如何生成heap dump和对gc root有了进一步的了解，我们可以用MAT来进一步分析heap dump

3.1 打开

MAT默认没有显示unreachable objects，在使用前我们先勾选上

Preferences -> Memory Analyzer

然后勾选上Keep unreachable objects

如果之前没有勾选，后面要改的话，不会立刻生效，需要把解析的文件删除掉，重新解析打开heap dump文件

然后打开文件

File -> Open Heap Dump

3.2 Overview

Overview 显示了java堆的一些基本信息，比如大小、对象个数等，也包括一个对象所占内存比例的饼图，有助于我们直观上去查看占用内存比较大的对象

3.3 Histogram

Histogram即直方图，是以类的粒度来显示，可以使用正则表达式搜索感兴趣的类

如图中我们搜索Teacher，出现一个匹配项；Objects列为1，表示有一个Teacher的对象；Shallow Heap和Retained Heap的概念不在这里阐述了，简单来说Shallow Heap就是对象本身的大小，Retained Heap是指当对象释放后，引起其他对象释放总共大小，Retained Heap和支配树(dominator tree)概念有关系。一般情况下在分析的时候，我们会按照Retained Heap大小来排序，占用比较大的很有可能就是引起oom的对象。

前面说了Histogram是类粒度的，可以右击来显示该类的对象

“with incomming references”表示显示对象和引用该对象的对象，如下图。左边的黑色字体表示变量名，而变量名的类型是它的上一行的左边的类。

看到对象后，我们一般右击来看下对象的GC root，来确定对象没有被释放的原因，有两个选项

1. 右击 -> path to gc roots -> exclude all phantom/weak/soft etc. references
2. 右击 -> merge shortest paths to gc roots -> exclude all phantom/weak/soft etc. references

两个的区别是1是显示从该对象到gc roots的路径，而且会显示所有的gc roots(一个对象的gc root可以有多个)； 2显示的是从gc roots到对象的路径，而且只显示最短的一条路径。 gc root的显示在2.2中已经显示过了

一般通过分析gc root的路径和逻辑代码，就可以很容易确定oom或者内存泄露的原因了

3.4 dominator tree

dominator tree即支配树。支配树的概念可以参考 支配树。需要注意的是，支配树并不等于path to gc roots。

Histogram是类粒度的，可以找到哪个类占用的堆内存比较多；dominator tree是对象粒度的，可以用来查看哪个对象引起占用堆内存比较大。

4 总结

一般来说对heap dump的分析是个比较综合的过程，通过Histogram和dominator tree，通过gc roots和源码综合分析，可以得出最后的结论

5 参考

1. https://www.baeldung.com/java-heap-dump-capture
2. https://help.eclipse.org/luna/index.jsp?topic=%2Forg.eclipse.mat.ui.help%2Fconcepts%2Fgcroots.html&cp=37_2_3
3. https://stackoverflow.com/questions/26232733/thread-as-a-gc-root
4. https://www.zhihu.com/question/47258557
5. https://blog.csdn.net/jji8877032/article/details/84503063
6. http://www.lightskystreet.com/2015/09/01/mat_usage/