发布即巅峰！万字长文：Java性能调优六大工具：MAT内存分析工

2022-09-15 本文已影响0人 java的小粉丝

MAT内存分析工具

MAT是MemoryAnalyzerTool的简称，它是一款功能强大的Java堆内存分析器，可以用于查找内存泄漏以及查看内存消耗情况。MAT是

基于Eclipse开发的一款免费的性能分析工具，读者可以在
http://www.eclipse.org/mat/上下载并使用MAT。

一，初识MAT

在分析堆快照前，首先需要导出应用程序的堆快照。在本书前文中提到的jmap、JConsole和VisualVM等工具都可以用于获得Java应用程序的堆快照文件。此外，MAT本身也具有这个功能。

如图6.66所示，在File菜单中选择AcquireHeapDump命令，在弹出对话框的当前Java应用程序列表中选择要分析的应用程序即可，如图6.67所示。

image.png

除了直接在MAT中导出正在运行的应用程序堆快照外，也可以通过File菜单中的OpenHeapDump命令打开一个既存的堆快照文件。

注意：使用MAT既可以打开一个已有的堆快照，也可以直接从活动Java程序中导出堆快照。

图6.68所示为正常打开堆快照文件后的MAT界面。

image.png

在图6.68的右侧界面中显示了堆快照文件的大小、类、实例和ClassLoader的总数；饼图中显示了当前堆快照中最大的对象。将光标悬停在饼图中，可以在左侧的Inspector界面中查看该对象的详细信息。在饼图中单击，可以对选中的对象进行更多的操作。

单击工具栏上的柱状图按钮（如图6.69所示），可以查看当前堆的类信息，包括类的对象数量、浅堆（Shallow）大小和深堆（Retained）大小，如图6.70所示。

image.png

通过柱状图界面，可以查找引用选中对象的对象集合以及选中对象所引用的对象集合。如图6.71所示，选中java.util.Vector对象并右击，在弹出的右键菜单中选择Listobjects命令，弹出的withoutgoingreferences和withincomingreferences子命令分别表示查找java.util.Vector实例的引用对象，以及引用java.util.Vector实例的对象。

image.png

注意：通过MAT，可以根据对象间的引用关系对内存中的对象进行分析。

图6.72显示了选择withincomingreferences命令后的输出结果，展示了两个被主线程引用的java.util.Vector局部变量实例。

为了方便查看，柱状图还可以根据ClassLoader和包对类进行排序。图6.73显示了MAT的柱状图排序功能，以及一个按照包进行排序的柱状图输出命令。

image.png

图6.72 引用关系查询结果

image.png

二，浅堆和深堆

浅堆（ShallowHeap）和深堆（RetainedHeap）是两个非常重要的概念，它们分别表示一个对象结构所占用的内存大小和一个对象被执行GC操作后，可以真实释放的内存大小。

浅堆是指一个对象所消耗的内存。在32位系统中，一个对象引用会占据4个字节，一个int类型会占据4个字节，long型变量会占据8个字节，每个对象头需要占用8个字节。

根据堆快照格式不同，对象的大小可能会向8字节进行对齐。以String对象为例，图6.74显示了String对象的几个属性。

3个int类型以及一个引用类型合计占用的内存为3×4+4=16字节，再加上对象头的8个字节，因此String对象占用的空间，即浅堆的大小是16+8=24字节。浅堆的大小只与对象的结构有关，与对象的实际内容无关。也就是说，无论字符串的长度是多少，内容是什么，浅堆的大小始终是24字节。

image.png

深堆的概念略微复杂。要理解深堆，首先需要了解保留集（RetainedSet）。对象A的保留集指当对象A被垃圾回收后，可以被释放的所有的对象集合（包括对象A本身），即对象A的保留集可以被认为是只能通过对象A被直接或者间接访问到的所有对象的集合。通俗地说，就是指仅被对象A所持有的对象的集合。深堆是指对象的保留集中所有对象的浅堆之和。

注意：浅堆指对象本身占用的内存，不包括其内部引用对象的大小。一个对象的深堆指只能通过该对象访问到的（直接或间接）所有对象的浅堆之和，即对象被回收后，可以释放的真实空间。

下面这个例子很好地诠释了深堆的概念。首先是表示点的类定义：

image.png

接着是表示线的类定义：

image.png

主函数构造了a、b、c、d、e、f、g这7个点，以及aLine、bLine、cLine和dLine这4条线，并在程序最后将a、b、c、d、e这5个点设置为null。具体代码如下：

image.png

这段代码的对象引用关系如图6.75所示，其中a、b、c、d、e对象在使用完成后被设置为null。

image.png

根据Point类的结构，一个Point实例的浅堆大小为4×2+8=16字节，一个Line实例的浅堆大小为4×2+8=16字节。使用MAT得到该示例的内存快照文件，如图6.76所示。为了阅读方便，笔者将代码中的变量名标识到了内存快照中的对象上。

image.png

可以看到，所有的Point实例浅堆和深堆的大小都是16字节。而dLine对象，浅堆为16字节，深堆也是16字节，这是因为dLine对象内的两个点f和g没有被设置为null，因此即使dLine被回收，f和g也不会被释放。对象cLine内的引用对象d和e由于仅在cLine内还存在引用，因此只要cLine被释放，d和e必然也作为垃圾被回收，即d和e在cLine的保留集内，因此cLine的深堆为16×2+16=48字节。

对于aLine和bLine对象，由于两者均持有对方的一个点，因此当aLine被回收时，公共点a在bLine中依然有引用存在，故不会被回收，点a不在aLine对象的保留集中，因此aLine的深堆大小为16+16=32字节。对象bLine与aLine完全一致。

在MAT中，无论是在柱状图还是对象列表中，选中对象并右击，在弹出的快捷菜单中都有ShowRetainedSet命令，它可用于显示指定类或者对象的保留集。图6.77和图6.78分别为在bLine对象上进行该操作，以及bLine对象的保留集。

image.png

三，支配树

MAT提供了一个称为支配树（DominatorTree）的对象图。支配树体现了对象实例间的支配关系。在对象引用图中，所有指向对象B的路径都经过对象A，则认为对象A支配对象B。如果对象A是离对象B最近的一个支配对象，则认为对象A为对象B的直接支配者。支配树是基于对象间的引用图所建立的，它具有以下基本性质：

·对象A的子树（所有被对象A支配的对象集合）表示对象A的保留集（retainedset）。

·如果对象A支配对象B，那么对象A的直接支配者也支配对象B。

·支配树的边与对象引用图的边不直接对应。

如图6.79所示，左图表示对象引用图，右图表示左图所对应的支配树。对象A和B由根对象直接支配，由于在到对象C的路径中可以经过A，也可以经过B，因此对象C的直接支配者也是根对象。对象F与对象D相互引用，因为到对象F的所有路径必然经过对象D，因此对象D是对象F的直接支配者。而到对象D的所有路径中，必然经过对象C，即使是从对象F到对象D的引用，从根节点出发，也是经过对象C的，所以对象D的直接支配者为对象C。

image.png

同理，对象E支配对象G。到达对象H的路径可以通过对象D，也可以通过对象E，因此对象D和E都不能支配对象H，而经过对象C既可以到达D也可以达到E，因此对象C为对象H的直接支配者。

在MAT中，单击工具栏上的对象支配树按钮，如图6.80所示，可以打开对象支配树视图。

image.png

图6.81显示了对象支配树视图的一部分。该截图显示部分main线程对象的直接支配对象，即main线程对象被回收后将被释放的所有对象的集合。

注意：在对象支配树中，某一个对象的子树表示在该对象被回收后也将被回收的对象的集合。

image.png

四，垃圾回收根

在Java系统中，作为垃圾回收的根节点可能是以下对象之一。

·系统类：被
bootstrap/systemClassLoader加载的类，例如在rt.jar包中的所有类。

·JNI局部变量：本地代码中的局部变量，例如用户自定义的JNI代码或者JVM内部代码。

·JNI全局变量：本地代码中的全局变量。

·线程：开始，并且没有停止的线程。

·在用同步锁：作为锁的对象。例如调用了wait()或者notify()方法的对象，或者调用了synchronized（Object）操作的对象。

·Java局部变量：如函数的输入参数及方法中的局部变量。

·本地栈：本地代码中的输入、输出参数，例如用户自定义的JNI代码或者JVM内部代码。

·Finalizer：在等待队列中将要被执行析构函数的对象。

·Unfinalized：拥有析构函数，但是没有被析构且不在析构队列中的对象。

·不可达对象：从任何一个根对象都无法到达的对象。但为了能够在MAT中分析，被MAT标志为根。

·未知对象：未知的根类型，用于处理一些特殊的堆格式。

通过MAT，可以列出所有的根对象，如图6.82所示。

image.png

五，内存泄漏检测

MAT提供了自动检测内存泄漏，以及统计堆快照内对象分布情况的工具。图6.83展示了内存泄漏检测工具的使用方法。选择菜单中的LeakSuspects命令，MAT会自动生成一份报告。这份报告罗列了系统内可能存在内存泄漏的问题点。图6.84展示了报告中给出的一个问题点样例。

image.png

注意：仔细阅读MAT给出的内存泄漏报告，可以帮助开发人员更快地找到系统的潜在问题。

image.png

六，最大对象报告

系统中占用内存最大的几个对象，往往是解决系统性能问题的关键所在。如果应用程序发生内存泄漏，那么泄漏的对象通常会在堆快照中占据很大的比重。因此，查看和分析堆快照中最大的对象具有较高的价值。

在MAT中，可以自动查找并显示消耗内存最多的几个对象。如图6.85所示，通过选择TopConsumers命令，可以打开消耗内存最多的对象的报告，其中主要以饼图和表格的形式来展示。

image.png

七，查找支配者

通过MAT，开发人员还可以很方便地查找某一个对象或者类的支配者（有关支配者的概念，可以参考6.7.3节“支配树”）。虽然在支配树页面中拥有完整的信息，但是通过MAT提供的支配者查找功能可以更方便地进行查找。图6.86显示了如何查找对象的支配者。

image.png

在选择ImmediateDominators命令后，会弹出一个参数对话框，用于设置查找参数，如图6.87所示。在参数对话框中，注意务必正确输入-skip参数，否则查询结果会忽略所有定义在-skip参数中的类和实例。

ImmediateDominators会输出选中对象的直接支配者（将-skip指定的对象排除在外）。

image.png

八，线程分析

在堆快照中，还包括当前的线程信息，通过MAT可以查看这些信息。如图6.88所示，通过ThreadDetails、ThreadOverview和ThreadStacks这3个命令，可以查看线程详情。

image.png

图6.89所示为选择ThreadStacks命令后的输出结果，其中显示了当前堆快照中的所有线程及线程引用的对象。

image.png

九，集合使用情况分析

MAT提供了一套对集合使用状态进行分析的工具，如图6.90所示。

image.png

使用这些工具，可以查看数组、集合的填充率；可以观察集合内的数据；也可以分析哈希表的冲突率。

注意：通过对集合使用情况进行分析，可以更好地了解系统的内存使用情况，查找浪费的内存空间。

选择CollectionFillRatio命令，可以展示给定集合的填充率。图6.91所示为该功能的输出结果，其中显示了填充率为0、20%以下、80%以下和100%以下的集合个数。

image.png

通过选择HashEntries命令，可以查看Hash表的内容。图6.92所示为该功能的一个输出示例，其中显示了选中的Hash表的内容。对于表中的Key和Value对象，通过右键快捷菜单，还可以进一步分析它们的引用情况和其他具体信息。

image.png

十，扩展MAT

MAT是基于Eclipse开发平台的产品，因此它也具有很好的扩展性。开发者可以使用Eclipse对MAT进行扩展，从而实现符合开发人员需要的功能更加强劲的内存分析工具。通过扩展MAT，读者可以实现诸如自动对象查询、优化界面显示、报表增强等功能。本节将通过一个简单的MAT插件，介绍扩展MAT的基本步骤和方法。

注意：MAT是基于Eclipse的，因此对MAT进行二次开发与开发Eclipse插件非常类似。

在Java中，java.lang.String对象实现是基于内部的value字符数组、偏移量offset和字符串长度count来定义字符串String的真实取值的。如果内部数组value的实际长度很长，而字符串真实长度count的数值很小，则说明这个String的内存使用率不高，存在较为严重的内存浪费。

使用公式count/value.length可以计算当前String对象的内存使用率。在最优情况下，String对象的内存使用率是100%，即表示value数组中的所有字符都是当前字符串的内容。当使用类似String.subString()的函数生成新的字符串时，String对象通过调整offset和count，而非创建新的value数组来生成新的字符串，此时String对象的内存利用率就会下降。

本节中展示的插件将在显示String对象时，展示String对象的内存利用率，帮助开发者快速定位可以优化的字符串对象。

为扩展MAT，首先需要安装MAT程序及Eclipse开发工具。

image.png

（2）创建一个插件工程。选择File|New|Other|Plug-inproject命令，假设工程名称是MATExtension，其他参数可以使用默认设置。创建完成后，在工程的Dependencies页面中添加org.eclipse.mat.api依赖，如图6.95所示。

image.png

（3）添加插件的扩展点。在本例中添加
org.eclipse.mat.api.nameResolver，如图6.96所示。在实际开发中，读者可以根据自己的需要，选择合适的扩展点增强MAT的功能。接着填写扩展点的具体信息，如实现扩展点接口的类名和包名，Eclipse会自动生成指定的类，如图6.97所示。