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：

 public class MapTest {

     public static void main(String[] args) {
         System.out.println("Before allocate map, free memory is " + Runtime.getRuntime().freeMemory()/(1024*1024) + "M");
         Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>(2000000000);
         System.out.println("After allocate map, free memory is " + Runtime.getRuntime().freeMemory()/(1024*1024) + "M");

         int i = 0;
         try {
             while (i < 1000000) {
                 System.out.println("Before put the " + (i + 1) + " element, free memory is " + Runtime.getRuntime().freeMemory()/(1024*1024) + "M");
                 map.put(String.valueOf(i), String.valueOf(i));
                 System.out.println("After put the " + (i + 1) + " element, free memory is " + Runtime.getRuntime().freeMemory()/(1024*1024) + "M");
                 i++;
             }
         } catch (Exception e) {
             e.printStackTrace();
         } catch (Throwable t) {
             t.printStackTrace();
         } finally {
             System.out.println("map size is " + map.size());
         }
     }

 }

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

     public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                              float loadFactor, int concurrencyLevel) {
         if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
             throw new IllegalArgumentException();
         if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
             concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
         // Find power-of-two sizes best matching arguments
         int sshift = 0;
         int ssize = 1;
         while (ssize < concurrencyLevel) {
             ++sshift;
             ssize <<= 1;
         }
         this.segmentShift = 32 - sshift;
         this.segmentMask = ssize - 1;
         if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
             initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
         int c = initialCapacity / ssize;
         if (c * ssize < initialCapacity)
             ++c;
         int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
         while (cap < c)
             cap <<= 1;
         // 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]);
         Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
         UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
         this.segments = ss;
     }

　　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。

     public V put(K key, V value) {
         Segment<K,V> s;
         if (value == null)
             throw new NullPointerException();
         int hash = hash(key);
         int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
         if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
              (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
 9             s = ensureSegment(j);
         return s.put(key, hash, value, false);
     }

     private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
         final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
         long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
         Segment<K,V> seg;
         if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
             Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
             int cap = proto.table.length;
             float lf = proto.loadFactor;
             int threshold = (int)(cap * lf);
22             HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
             if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
                 == null) { // recheck
                 Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
                 while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
                        == null) {
                     if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
                         break;
                 }
             }
         }
         return seg;
     }

　　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！