优化变成了忧患：String.split引发的“内存泄露”

    一直赞叹Sun对待技术的严谨和优雅（bless Sun）。Sun JDK中Java库的源代码，连注释都清清楚楚、规规范范，javadoc注解的使用也一丝不苟，读起来很熟舒服。因此，在日常工作和学习中，经常读读Java库的源代码，不亦乐乎？如果遇到诡异问题，源代码的帮助就更大了。

 

    闲话少说，回归正题。这几天，一直在为Java的“内存泄露”问题纠结。Java应用程序占用的内存在不断的、有规律的上涨，最终超过了监控阈值。福尔摩斯不得不出手了！

 

    说起Java的内存泄露，其实定义不是那么明确。首先，如果JVM没有bug，那么理论上是不会出现“无法回收的堆空间”，也就是说C/C++中的那种内存泄露在Java中不存在的。其次，如果由于Java程序一直持有某个对象的引用，但是从程序逻辑上看，这个对象再也不会被用到了，那么我们可以认为这个对象被泄露了。如果这样的对象数量很多，那么很明显，大量的内存空间就被泄露（“浪费”更准确一些）了。

 

    不过，本文要说的内存泄露，并不属于上述原因，因此打上了引号。其具体原因，确实出乎意料。欲知详情，请看下面讲解。

分析内存泄露的一般步骤

 

    如果发现Java应用程序占用的内存出现了泄露的迹象，那么我们一般采用下面的步骤分析

1. 把Java应用程序使用的heap dump下来
2. 使用Java heap分析工具，找出内存占用超出预期（一般是因为数量太多）的嫌疑对象
3. 必要时，需要分析嫌疑对象和其他对象的引用关系。
4. 查看程序的源代码，找出嫌疑对象数量过多的原因。

dump heap

 

    如果Java应用程序出现了内存泄露，千万别着急着把应用杀掉，而是要保存现场。如果是互联网应用，可以把流量切到其他服务器。保存现场的目的就是为了把运行中JVM的heap dump下来。

 

    JDK自带的jmap工具，可以做这件事情。它的执行方法是：

jmap -dump:format=b,file=heap.bin <pid>

 

    format=b的含义是，dump出来的文件时二进制格式。

    file-heap.bin的含义是，dump出来的文件名是heap.bin。

    <pid>就是JVM的进程号。

    （在linux下）先执行ps aux | grep java，找到JVM的pid；然后再执行jmap -dump:format=b,file=heap.bin <pid>，得到heap dump文件。

analyze heap

 

    将二进制的heap dump文件解析成human-readable的信息，自然是需要专业工具的帮助，这里推荐Memory Analyzer 。

 

    Memory Analyzer，简称MAT，是Eclipse基金会的开源项目，由SAP和IBM捐助。巨头公司出品的软件还是很中用的，MAT可以分析包含数亿级对象的heap、快速计算每个对象占用的内存大小、对象之间的引用关系、自动检测内存泄露的嫌疑对象，功能强大，而且界面友好易用。

 

    MAT的界面基于Eclipse开发，以两种形式发布：Eclipse插件和Eclipe RCP。MAT的分析结果以图片和报表的形式提供，一目了然。总之个人还是非常喜欢这个工具的。下面先贴两张官方的screenshots：

    言归正传，我用MAT打开了heap.bin，很容易看出，char[]的数量出其意料的多，占用90%以上的内存 。一般来说，char[]在JVM确实会占用很多内存，数量也非常多，因为String对象以char[]作为内部存储。但是这次的char[]太贪婪了，仔细一观察，发现有数万计的char[]，每个都占用数百K的内存 。这个现象说明，Java程序保存了数以万计的大String对象 。结合程序的逻辑，这个是不应该的，肯定在某个地方出了问题。

 

顺藤摸瓜

 

    在可疑的char[]中，任意挑了一个，使用Path To GC Root功能，找到该char[]的引用路径，发现String对象是被一个HashMap中引用的 。这个也是意料中的事情，Java的内存泄露多半是因为对象被遗留在全局的HashMap中得不到释放。不过，该HashMap被用作一个缓存，设置了缓存条目的阈值，导达到阈值后会自动淘汰。从这个逻辑分析，应该不会出现内存泄露的。虽然缓存中的String对象已经达到数万计，但仍然没有达到预先设置的阈值（阈值设置地比较大，因为当时预估String对象都比较小）。

 

    但是，另一个问题引起了我的注意：为什么缓存的String对象如此巨大？内部char[]的长度达数百K。虽然缓存中的String对象数量还没有达到阈值，但是String对象大小远远超出了我们的预期，最终导致内存被大量消耗，形成内存泄露的迹象（准确说应该是内存消耗过多） 。

 

    就这个问题进一步顺藤摸瓜，看看String大对象是如何被放到HashMap中的。通过查看程序的源代码，我发现，确实有String大对象，不过并没有把String大对象放到HashMap中，而是把String大对象进行split（调用String.split方法），然后将split出来的String小对象放到HashMap中 了。

 

    这就奇怪了，放到HashMap中明明是split之后的String小对象，怎么会占用那么大空间呢？难道是String类的split方法有问题？

 

查看代码

 

    带着上述疑问，我查阅了Sun JDK6中String类的代码，主要是是split方法的实现：

public String[] split(String regex, int limit) {
    return Pattern.compile(regex).split(this, limit);
}

可以看出，Stirng.split方法调用了Pattern.split方法。继续看Pattern.split方法的代码：

public String[] split(CharSequence input, int limit) {
        int index = 0;
        boolean matchLimited = limit > 0;
        ArrayList<String> matchList = new ArrayList<String>();
        Matcher m = matcher(input);
        // Add segments before each match found
        while(m.find()) {
            if (!matchLimited || matchList.size() < limit - 1) {
                String match = input.subSequence(index, m.start()).toString();
                matchList.add(match);
                index = m.end();
            } else if (matchList.size() == limit - 1) { // last one
                String match = input.subSequence(index,
                                                 input.length()).toString();
                matchList.add(match);
                index = m.end();
            }
        }
        // If no match was found, return this
        if (index == 0)
            return new String[] {input.toString()};
        // Add remaining segment
        if (!matchLimited || matchList.size() < limit)
            matchList.add(input.subSequence(index, input.length()).toString());
        // Construct result
        int resultSize = matchList.size();
        if (limit == 0)
            while (resultSize > 0 && matchList.get(resultSize-1).equals(""))
                resultSize--;
        String[] result = new String[resultSize];
        return matchList.subList(0, resultSize).toArray(result);
    }

    注意看第9行：Stirng match = input.subSequence(intdex, m.start()).toString();

这里的match就是split出来的String小对象，它其实是String大对象subSequence的结果。继续看String.subSequence的代码：

public CharSequence subSequence(int beginIndex, int endIndex) {
        return this.substring(beginIndex, endIndex);
}

    String.subSequence有调用了String.subString，继续看：

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
	if (beginIndex < 0) {
	    throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
	}
	if (endIndex > count) {
	    throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
	}
	if (beginIndex > endIndex) {
	    throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex - beginIndex);
	}
	return ((beginIndex == 0) && (endIndex == count)) ? this :
	    new String(offset + beginIndex, endIndex - beginIndex, value);
    }

    看第11、12行，我们终于看出眉目，如果subString的内容就是完整的原字符串，那么返回原String对象；否则，就会创建一个新的String对象，但是这个String对象貌似使用了原String对象的char[]。我们通过String的构造函数确认这一点：

// Package private constructor which shares value array for speed.
    String(int offset, int count, char value[]) {
	this.value = value;
	this.offset = offset;
	this.count = count;
    }

    为了避免内存拷贝、加快速度，Sun JDK直接复用了原String对象的char[]，偏移量和长度来标识不同的字符串内容。也就是说，subString出的来String小对象仍然会指向原String大对象的char[]，split也是同样的情况 。这就解释了，为什么HashMap中String对象的char[]都那么大。

原因解释

 

    其实上一节已经分析出了原因，这一节再整理一下：

1. 程序从每个请求中得到一个String大对象，该对象内部char[]的长度达数百K。
2. 程序对String大对象做split，将split得到的String小对象放到HashMap中，用作缓存。
3. Sun JDK6对String.split方法做了优化，split出来的Stirng对象直接使用原String对象的char[]
4. HashMap中的每个String对象其实都指向了一个巨大的char[]
5. HashMap的上限是万级的，因此被缓存的Sting对象的总大小=万*百K=G级。
6. G级的内存被缓存占用了，大量的内存被浪费，造成内存泄露的迹象。
   

解决方案

 

    原因找到了，解决方案也就有了。split是要用的，但是我们不要把split出来的String对象直接放到HashMap中，而是调用一下String的拷贝构造函数String(String original)，这个构造函数是安全的，具体可以看代码：

    /**
     * Initializes a newly created {@code String} object so that it represents
     * the same sequence of characters as the argument; in other words, the
     * newly created string is a copy of the argument string. Unless an
     * explicit copy of {@code original} is needed, use of this constructor is
     * unnecessary since Strings are immutable.
     *
     * @param  original
     *         A {@code String}
     */
    public String(String original) {
	int size = original.count;
	char[] originalValue = original.value;
	char[] v;
  	if (originalValue.length > size) {
 	    // The array representing the String is bigger than the new
 	    // String itself.  Perhaps this constructor is being called
 	    // in order to trim the baggage, so make a copy of the array.
            int off = original.offset;
            v = Arrays.copyOfRange(originalValue, off, off+size);
 	} else {
 	    // The array representing the String is the same
 	    // size as the String, so no point in making a copy.
	    v = originalValue;
 	}
	this.offset = 0;
	this.count = size;
	this.value = v;
    }

    只是，new String(string)的代码很怪异，囧。或许，subString和split应该提供一个选项，让程序员控制是否复用String对象的char[]。

是否Bug

 

    虽然，subString和split的实现造成了现在的问题，但是这能否算String类的bug呢？个人觉得不好说。因为这样的优化是比较合理 的，subString和spit的结果肯定是原字符串的连续子序列。只能说，String不仅仅是一个核心类，它对于JVM来说是与原始类型同等重要的类型。

 

    JDK实现对String做各种可能的优化都是可以理解的。但是优化带来了忧患，我们程序员足够了解他们，才能用好他们。

评论

19 楼 lliiqiang 2015-10-03  

substring内存泄露问题只需要再加一个方法，让程序员明白优缺点自己决定使用哪个方法即可。

18 楼 kaven276 2012-10-26  

其实还是需要 GC 需要考虑这种情况，
将 string cache 中较大的串拿来看看，如果只用到一小部分 slice 就进行回收。
具体的度可以根据当前内存紧张程度和 slice 占总长度比来掌握。

17 楼 robinjoe 2012-06-12  

就这个问题进一步顺藤摸瓜，看看String大对象是如何被放到HashMap中的。通过查看程序的源代码，我发现，确实有String大对象，不过并没有把String大对象放到HashMap中，而是把String大对象进行split（调用String.split方法），然后将split出来的String小对象放到HashMap中 了

robinjoe 写道

jarfield 写道

TO sodarfish：你说的这个地方确实容易误解，和本文讨论的场景有关。并不是多个String对象引用浪费了空间。而是：本来想用split方法把大String对象切割成小String对象，后来发现小String对象占用的空间还是原来的大String对象，因此内存被浪费了。

意思是不是说：split过的string由于继续沿用底层没有被切割的array，这个array没有变小，所以本应释放的大数组没有被释放，所以造成内存浪费。

我才看到作者这句话：“就这个问题进一步顺藤摸瓜，看看String大对象是如何被放到HashMap中的。通过查看程序的源代码，我发现，确实有String大对象，不过并没有把String大对象放到HashMap中，而是把String大对象进行split（调用String.split方法），然后将split出来的String小对象放到HashMap中 了”，作者的意思是表达，本来放的应该是小String，但是没有如愿，还是放的原来几百K的大数据，找到的原因是jdk6优化带来的隐患：“jdk6为了节省空间，不去重新生成新的底层array，而是通过改变索引值来截取小String”，这样就导致了大String的空间实际没有被释放出来。与问者提出的问题实际上关注的不是一个方向。（小string确实节省了空间了，这是优化带来的好处）

16 楼 robinjoe 2012-06-12  

jarfield 写道

TO sodarfish：你说的这个地方确实容易误解，和本文讨论的场景有关。并不是多个String对象引用浪费了空间。而是：本来想用split方法把大String对象切割成小String对象，后来发现小String对象占用的空间还是原来的大String对象，因此内存被浪费了。

意思是不是说：split过的string由于继续沿用底层没有被切割的array，这个array没有变小，所以本应释放的大数组没有被释放，所以造成内存浪费。

15 楼 zxh603 2011-11-10  

看String的源码，其中关于String的拷贝构造函数String(String original)，看的不太明白，然后百度了一下通过别人的链接找到了楼主的文章解决了我的疑惑，情不自禁的想赞美一下，真的不错！

14 楼 li200429 2010-12-01  

jarfield 写道

li200429 写道

使用StreamTokenizer，原代码中还是调用了String的substring方法啊，见原码：return str.substring(start, currentPosition);  那博主为什么说在你那样的场景下用StreamTokenizer是最合适的呢？不太明白呢？

兄弟，你看的可能是 StringTokenizer 而不是 StreamTokenizer 

博主：我看了StreamTokenizer里的方法，这是对字符流的操作，也没有像对字符串的split这样的方法啊？怎么使用还是有点不明白？请详解！

13 楼 jarfield 2010-11-27  

li200429 写道

使用StreamTokenizer，原代码中还是调用了String的substring方法啊，见原码：return str.substring(start, currentPosition);  那博主为什么说在你那样的场景下用StreamTokenizer是最合适的呢？不太明白呢？

兄弟，你看的可能是 StringTokenizer 而不是 StreamTokenizer 

12 楼 li200429 2010-11-25  

使用StreamTokenizer，原代码中还是调用了String的substring方法啊，见原码：return str.substring(start, currentPosition);  那博主为什么说在你那样的场景下用StreamTokenizer是最合适的呢？不太明白呢？

11 楼 jarfield 2010-11-15  

javatophp 写道

[root@host150 ZendStudio-7.1.2]# ps aux|grep java
root      3117  4.3 36.8 1779180 755328 pts/1  Sl   13:13  17:29 /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/jre/bin/java -Xms128M -Xmx512M -XX:PermSize=128M -XX:MaxPermSize=256M -jar /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/plugins/org.eclipse.equinox.launcher_1.0.201.v20091227.jar -os linux -ws gtk -arch x86_64 -showsplash -launcher /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/ZendStudio -name ZendStudio --launcher.library /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/plugins/org.eclipse.equinox.launcher.gtk.linux.x86_64_1.0.200.v20090519/eclipse_1206.so -startup /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/plugins/org.eclipse.equinox.launcher_1.0.201.v20091227.jar -exitdata 8000a -vm /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/jre/bin/java -vmargs -Xms128M -Xmx512M -XX:PermSize=128M -XX:MaxPermSize=256M -jar /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/plugins/org.eclipse.equinox.launcher_1.0.201.v20091227.jar
root     12476  0.0  0.0  61148   724 pts/1    R+   19:51   0:00 grep java
[root@host150 ZendStudio-7.1.2]# 
[root@host150 ZendStudio-7.1.2]# 
[root@host150 ZendStudio-7.1.2]# 
[root@host150 ZendStudio-7.1.2]# jmap  -dump:format=b,file=heap.bin  3117
3117: The VM does not support the attach mechanism
The -F option can be used when the target process is not responding

这个是 什么错误 ？搂住可以帮我解答吗

3117: The VM does not support the attach mechanism

看起来，这是ZendStudio使用的jre版本，不支持attachment。ZendStudio 7 自带的jre应该是5.0版本的。

10 楼 javatophp 2010-11-11  

[root@host150 ZendStudio-7.1.2]# ps aux|grep java
root      3117  4.3 36.8 1779180 755328 pts/1  Sl   13:13  17:29 /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/jre/bin/java -Xms128M -Xmx512M -XX:PermSize=128M -XX:MaxPermSize=256M -jar /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/plugins/org.eclipse.equinox.launcher_1.0.201.v20091227.jar -os linux -ws gtk -arch x86_64 -showsplash -launcher /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/ZendStudio -name ZendStudio --launcher.library /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/plugins/org.eclipse.equinox.launcher.gtk.linux.x86_64_1.0.200.v20090519/eclipse_1206.so -startup /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/plugins/org.eclipse.equinox.launcher_1.0.201.v20091227.jar -exitdata 8000a -vm /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/jre/bin/java -vmargs -Xms128M -Xmx512M -XX:PermSize=128M -XX:MaxPermSize=256M -jar /usr/local/Zend/ZendStudio-7.1.2/plugins/org.eclipse.equinox.launcher_1.0.201.v20091227.jar
root     12476  0.0  0.0  61148   724 pts/1    R+   19:51   0:00 grep java
[root@host150 ZendStudio-7.1.2]# 
[root@host150 ZendStudio-7.1.2]# 
[root@host150 ZendStudio-7.1.2]# 
[root@host150 ZendStudio-7.1.2]# jmap  -dump:format=b,file=heap.bin  3117
3117: The VM does not support the attach mechanism
The -F option can be used when the target process is not responding

这个是 什么错误 ？搂住可以帮我解答吗

9 楼 jarfield 2010-10-21  

TO sodarfish：你说的这个地方确实容易误解，和本文讨论的场景有关。并不是多个String对象引用浪费了空间。而是：本来想用split方法把大String对象切割成小String对象，后来发现小String对象占用的空间还是原来的大String对象，因此内存被浪费了。

8 楼 jarfield 2010-10-21  

TO ch_space：所言甚是！这确实不能说是bug，文中也没有把这个问题定性为bug，充其量是“隐患”，呵呵

7 楼 ch_space 2010-10-12  

JVM的优化是没有问题的！你split出来的小的string都指向原string，map中只是存放了一个指向原string的引用，如果split出来的很多string都要放进map，反而是减少了内存的使用，否则的话，LZ的解释还是合理的，应该拷贝split出来的小string放进map，以释放原string内存。这不是jvm的bug。：）

6 楼 sodarfish 2010-10-06  

不太明白，既然多个String 都指向同一个大的char[], 那么也只是占用多个引用, 真正的char[]对象就一个呀

楼主能帮忙解释下吗?谢谢

5 楼 ch_space 2010-07-22  

今天也遇到这个问题了，终于明白，谢谢分享~

4 楼 jianxiangyi 2010-07-13  

赞一个.....

3 楼 yvfish 2010-04-14  

呵呵，内存泄漏追踪还真从来没追过这么深， 佩服

2 楼 moonese 2010-03-31  

实践出真知。

1 楼 sw1982 2010-03-29  

兄弟造诣比较深啊，呵呵。头一次听说这个地方也有隐藏的bug