ConcurrentHashMap内存泄漏问题

问题背景

上周，同事写了一段ConcurrentHashMap的测试代码，说往map里放了32个元素就内存溢出了，我大致看了一下他的代码及运行的jvm参数，觉得很奇怪，于是就自己捣鼓了一下。首先上一段代码：

 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 }

执行时加上jvm执行参数 -Xms512m -Xmx512m ，执行结果：

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

　　最开始的代码是没有加入一些日志打印的，当时就很奇怪，为什么只往map里放一个元素就报了OutOfMemoryError了。

　　于是就加了上述打印日志，发现在创建map的时候已经占用了二百多兆的空间，然后往里面put一个元素，put前都还有二百多兆，put时就报了OutOfMemoryError，那就更奇怪了，初始化map的时候会占用一定空间，可以理解，但是只是往里面put一个很小的元素，为什么就会OutOfMemoryError呢？

排查过程

　　1、第一步，将第一段代码中的Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>(2000000000);修改为Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>(2000000000);，这次运行正常。（没有找到问题根因，但是以后使用ConcurrentHashMap得注意：1、尽量不初始化；2、如果需要初始化，尽量给一个比较合适的值）

　　2、第二步，执行时加上jvm参数-Xms512m -Xmx512m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=D:gc.hprof，后面两个参数主要作用是当程序内存溢出时会打印堆快照文件，已便于我们来分析内存。生成gc.hprof文件后，采用Eclipse Memory Analyzer来分析，结果如下图，可见ConcurrentHashMap中的HashEntry占用了大量内存（关于Eclipse Memory Analyzer分析待补充）。此时只是找到了哪个对象占用空间，但是为什么为出现这种情况不得而知。

　　3、第三步，分析ConcurrentHashMap源代码，首先，了解一下ConcurrentHashMap的结构，它是由多个Segment组成（每个Segment拥有一把锁，也是ConcurrentHashMap线程安全的保证，不是本文讨论的重点），每个Segment由一个HashEntry数组组成，出问题就在这个HashEntry上面。

　　4、第四步，查看ConcurrentHashMap的初始化方法，可以看出第27行，初始化了Segment[0]的HashEntry数组，数组的长度为cap值，这个值为67108864

　　　　cap的计算过程（可以针对于初始化过程进行调试）

　　　　　　1）initialCapacity为2,000,000,000，而MAXIMUM_CAPACITY的默认值（也即ConcurrentHashMap支持的最大值是1<<30，即2³⁰=1,073,741,824），initialCapacity的值大于MAXIMUM_CAPACITY，即initialCapacity=1,073,741,824

　　　　　　2）c的值计算为 initialCapacity/ssize=67108864

　　　　　　3）cap为大于等于c的第一个2的n次方数也即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     }

　　5、第五步，查看ConcurrentHashMap的put方法，可以看出在put一个元素的时候，

　　　　1）计算当前key的hash值，查看当前key所在的semgment有没有初始化，若果有，则执行后续的put操作。

　　　　2）如果没有去执行ensureSement()方法，而在ensureSement()方法中又会初始化了一个HashEntry数组，数组的长度和第一个初始化的Segment的HashEntry的长度一致，可以从代码行的18、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     }

　　6、这个时候能定位到是因为put一个元素的时候创建了一个长度为67103684的HashEntry数组，而这个HashEntry数组会占用67108864*4byte=256M，和上面的测试结果能对应起来。为什么数组会占用这么大的空间，很多同学可能会有疑问，那来看一下数组的初始化而数组初始化会在堆内存创建一个HashEntry引用的数组，且长度为67103684，而每个HashEntry引用（所引用的对象都为null）都占用4个字节（参见http://www.importnew.com/18878.html）。

问题总结

　　1、ConcurrentHashMap初始化时要指定合理的初始化参数（当然本人做了一个小测试，指定初始化参数暂时没有发现性能上的提升，所以待各位看客自己来评估）

后记

　　这篇博客是本人的第一篇博客，当然有很多不足之处，如果有纰漏欢迎各位大神指出，谢谢各位！