ConcurrentHashMap內存泄漏問題

問題背景

上週，同事寫了一段ConcurrentHashMap的測試代碼，說往map裏放了32個元素就內存溢出了，我大體看了一下他的代碼及運行的jvm參數，以爲很奇怪，因而就本身搗鼓了一下。首先上一段代碼：

 1 public class MapTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         System.out.println("Before allocate map, free memory is " + Runtime.getRuntime().freeMemory()/(1024*1024) + "M");
 5         Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>(2000000000);
 6         System.out.println("After allocate map, free memory is " + Runtime.getRuntime().freeMemory()/(1024*1024) + "M");
 7 
 8         int i = 0;
 9         try {
10             while (i < 1000000) {
11                 System.out.println("Before put the " + (i + 1) + " element, free memory is " + Runtime.getRuntime().freeMemory()/(1024*1024) + "M");
12                 map.put(String.valueOf(i), String.valueOf(i));
13                 System.out.println("After put the " + (i + 1) + " element, free memory is " + Runtime.getRuntime().freeMemory()/(1024*1024) + "M");
14                 i++;
15             }
16         } catch (Exception e) {
17             e.printStackTrace();
18         } catch (Throwable t) {
19             t.printStackTrace();
20         } finally {
21             System.out.println("map size is " + map.size());
22         }
23     }
24 
25 }

執行時加上jvm執行參數 -Xms512m -Xmx512m ，執行結果：

Before allocate map, free memory is 483M
After allocate map, free memory is 227M
Before put 0 element, free memory is 227M
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.concurrent.ConcurrentHashMap.ensureSegment(ConcurrentHashMap.java:746)
    at java.util.concurrent.ConcurrentHashMap.put(ConcurrentHashMap.java:1129)
    at com.test.MapTest.main(MapTest.java:21)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)
    at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:144)
map size is 0

 

　　最開始的代碼是沒有加入一些日誌打印的，當時就很奇怪，爲何只往map裏放一個元素就報了OutOfMemoryError了。

　　因而就加了上述打印日誌，發如今建立map的時候已經佔用了二百多兆的空間，而後往裏面put一個元素，put前都還有二百多兆，put時就報了OutOfMemoryError， 那就更奇怪了，初始化map的時候會佔用必定空間，能夠理解，可是隻是往裏面put一個很小的元素，爲何就會OutOfMemoryError呢？

排查過程

　　一、第一步，將第一段代碼中的Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>(2000000000);修改成Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>(2000000000);，此次運行正常。（沒有找到問題根因，可是之後使用ConcurrentHashMap得注意：一、儘可能不初始化；二、若是須要初始化，儘可能給一個比較合適的值）

　　二、第二步，執行時加上jvm參數-Xms512m -Xmx512m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=D:\gc.hprof，後面兩個參數主要做用是當程序內存溢出時會打印堆快照文件，已便於咱們來分析內存。生成gc.hprof文件後，採用Eclipse Memory Analyzer來分析，結果以下圖，可見ConcurrentHashMap中的HashEntry佔用了大量內存（關於Eclipse Memory Analyzer分析待補充）。此時只是找到了哪一個對象佔用空間，可是爲何爲出現這種狀況不得而知。

 

　　三、第三步，分析ConcurrentHashMap源代碼，首先，瞭解一下ConcurrentHashMap的結構，它是由多個Segment組成（每一個Segment擁有一把鎖，也是ConcurrentHashMap線程安全的保證，不是本文討論的重點），每一個Segment由一個HashEntry數組組成，出問題就在這個HashEntry上面。

　　四、第四步，查看ConcurrentHashMap的初始化方法，能夠看出第27行，初始化了Segment[0]的HashEntry數組，數組的長度爲cap值，這個值爲67108864

　　　　cap的計算過程（能夠針對於初始化過程進行調試）

　　　　　　1）initialCapacity爲2,000,000,000，而MAXIMUM_CAPACITY的默認值（也即ConcurrentHashMap支持的最大值是1<<30，即2³⁰=1,073,741,824），initialCapacity的值大於MAXIMUM_CAPACITY，即initialCapacity=1,073,741,824

　　　　　　2）c的值計算爲 initialCapacity/ssize=67108864

　　　　　　3）cap爲 大於等於c的第一個2的n次方數 也即67108864

 1     public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
 2                              float loadFactor, int concurrencyLevel) {
 3         if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
 4             throw new IllegalArgumentException();
 5         if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
 6             concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
 7         // Find power-of-two sizes best matching arguments
 8         int sshift = 0;
 9         int ssize = 1;
10         while (ssize < concurrencyLevel) {
11             ++sshift;
12             ssize <<= 1;
13         }
14         this.segmentShift = 32 - sshift;
15         this.segmentMask = ssize - 1;
16         if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
17             initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
18         int c = initialCapacity / ssize;
19         if (c * ssize < initialCapacity)
20             ++c;
21         int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
22         while (cap < c)
23             cap <<= 1;
24         // create segments and segments[0]
25         Segment<K,V> s0 = 26 new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor), 27 (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]); 28         Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
29         UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
30         this.segments = ss;
31     }

 

　　五、第五步，查看ConcurrentHashMap的put方法，能夠看出在put一個元素的時候，

　　　　1）計算當前key的hash值，查看當前key所在的semgment有沒有初始化，若果有，則執行後續的put操做。

　　　　2）若是沒有去執行ensureSement()方法，而在ensureSement()方法中又會初始化了一個HashEntry數組，數組的長度和第一個初始化的Segment的HashEntry的長度一致，能夠從代碼行的1八、19行看出。

 1     public V put(K key, V value) {
 2         Segment<K,V> s;
 3         if (value == null)
 4             throw new NullPointerException();
 5         int hash = hash(key);
 6         int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
 7         if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
 8              (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
 9             s = ensureSegment(j); 10         return s.put(key, hash, value, false);
11     }
12 
13     private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
14         final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
15         long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
16         Segment<K,V> seg;
17         if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
18             Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
19             int cap = proto.table.length;
20             float lf = proto.loadFactor;
21             int threshold = (int)(cap * lf);
22             HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]; 23             if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
24                 == null) { // recheck
25                 Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
26                 while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
27                        == null) {
28                     if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
29                         break;
30                 }
31             }
32         }
33         return seg;
34     }

 

　　六、這個時候能定位到是由於put一個元素的時候建立了一個長度爲67103684的HashEntry數組，而這個HashEntry數組會佔用67108864*4byte=256M，和上面的測試結果能對應起來。爲何數組會佔用這麼大的空間，不少同窗可能會有疑問，那來看一下數組的初始化  而數組初始化會在堆內存建立一個HashEntry引用的數組，且長度爲67103684，而每一個HashEntry引用（所引用的對象都爲null）都佔用4個字節（參見http://www.importnew.com/18878.html）。

問題總結

　　一、ConcurrentHashMap初始化時要指定合理的初始化參數（固然本人作了一個小測試，指定初始化參數暫時沒有發現性能上的提高，因此待各位看客本身來評估）

後記

　　這篇博客是本人的第一篇博客，固然有不少不足之處，若是有紕漏歡迎各位大神指出，謝謝各位！