为什么JVM指定-Xmx参数后占用内存会变少？

嘿，你能顺便过来看看这个奇怪的事情吗？” 就是让我提供支持的这个事情，驱使我写下这篇博客的。这个特殊的问题是，不同工具给出的可用内存的报告是不一样的。

简而言之，工程师正在调查特定应用程序的内存使用。根据以往的经验，他给这个应用指定了2G堆内存。但是不知道什么原因，JVM工具似乎不能确定这个程序到底有多少内存。例如 jconsole 探测可用堆总共为1963M，但 jvisualvm 报告称堆为2048M。到底哪一个是正确的呢？为什么另一个给出了不一样的信息呢？

这的确很不可思议，特别是以往的认知被突然改变。表面上JVM没有耍任何花招：

-Xmx 和 -Xms 是相等的，这就使得报告的数字不会随着堆实时增加。
JVM避免通过内存的自适应策略（-XX:-UseAdaptiveSizePolicy）动态改变内存池的大小。

重现不同

搞懂这个问题的第一步是深入这些工具的实现方式。一般通过标准API查看可用内存会像下面这样：

1	`System.out.println("Runtime.getRuntime().maxMemory()="+Runtime.getRuntime().maxMemory());`

的确，这好像是工具首先会被用到的方式。寻找答案的第一步是找出可复现的测试用例。为了这个目的，我写了下面这段代码：

package eu.plumbr.test;

//imports skipped for brevity

public class HeapSizeDifferences {

static Collection<Object> objects = new ArrayList<Object>();

static long lastMaxMemory = 0;

public static void main(String[] args) {

try {

List<String> inputArguments = ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getInputArguments();

System.out.println("Running with: " + inputArguments);

while (true) {

printMaxMemory();

consumeSpace();

}

} catch (OutOfMemoryError e) {

freeSpace();

printMaxMemory();

}

static void printMaxMemory() {

long currentMaxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();

if (currentMaxMemory != lastMaxMemory) {

lastMaxMemory = currentMaxMemory;

System.out.format("Runtime.getRuntime().maxMemory(): %,dK.%n", currentMaxMemory / 1024);

}

static void consumeSpace() {

objects.add(new int[1_000_000]);

}

static void freeSpace() {

objects.clear();

}

这段代码通过在一个 new int[1000000] 的循环中分配内存块，检测当前在实时JVM中的可用内存。无论何时，只要最后知道的内存大小改变时，都会通过打印出 ofRuntime.getRuntime().maxMemory()__ 报告出来，类似于如下这样：

1 2	`Running with: [-Xms2048M, -Xmx2048M]` `Runtime.getRuntime().maxMemory(): 2,010,112K.`

结果确实如此——有时甚至指定JVM有2G可用堆，但是运行着莫名其妙地发现其中的85M找不到了。你可以通过运用 2,010,112K 除以 1024 转化Runtime.getRuntime().maxMemory() 的输出到MB来复查我的计算。实际结果等于1963M，比起实际的 2048M 少了 85M。

寻求根本原因

重现这个现象之后，我做了如下的笔记——采用不同的GC算法运行似乎也产生不同的结果：

GC algorithm	Runtime.getRuntime().maxMemory()
-XX:+UseSerialGC	2,027,264K
-XX:+UseParallelGC	2,010,112K
-XX:+UseConcMarkSweepGC	2,063,104K
-XX:+UseG1GC	2,097,152K

除了G1消费了我实际给的2G之外，任何其它GC算法似乎始终会半随机地丢失一部分内存。

现在是时候剖析一下JVM的源代码了，在CollectedHeap 的源代码中，我发现了下面这些：

//对java.lang.Runtime.maxMemory()的支持：

//返回虚拟机提供给“标准”java对象的最大内存。

//这个基于保留的地址空间，但是不应该包括虚拟机使用内部统计或临时存储的这部分空间。

//（例如：在青年代中，残留空间之一）

virtual size_t max_capacity() const = 0;

不得不承认答案隐藏得很深。但真相还是在好奇心的驱使下找到——事实上，某些情况下残留空间其中一些可能被排除在内存计算之外。

从这里开始就一帆风顺了。打开GC日志发现，确实在设置2G内存时，Parallel和CMS算法都会在不同程度上，设置残留的空间是可变的。例如，以Parallel算法为例GC的日志演示如下所示：

Running with: [-Xms2g, -Xmx2g, -XX:+UseParallelGC, -XX:+PrintGCDetails]

Runtime.getRuntime().maxMemory(): 2,010,112K.

... rest of the GC log skipped for brevity ...

PSYoungGen total 611840K, used 524800K [0x0000000795580000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)

eden space 524800K, 100% used [0x0000000795580000,0x00000007b5600000,0x00000007b5600000)

from space 87040K, 0% used [0x00000007bab00000,0x00000007bab00000,0x00000007c0000000)

to space 87040K, 0% used [0x00000007b5600000,0x00000007b5600000,0x00000007bab00000)

ParOldGen total 1398272K, used 1394966K [0x0000000740000000, 0x0000000795580000, 0x0000000795580000)

从上面你可以看到，Eden空间被设置为了524800K，残留空间都被设为了 87040K，Old空间大小为 1398272K。把Eden、Old和残留空间之一加在一起等于2010112K，确认丢失的 85 或 87040K 确实是保留的残留空间。

总结

读完这篇文章后，相信你现在已经准备好以一种新的视角深入到Java API的实现细节。下次遇到可视化工具的总可用堆大小略低于Xmx规定的大小时，你就知道少的那部分等于你一个残留空间的大小。

不得不承认的一个事实是，在日常的编程中不是特别有用，但是这不是我写这篇文章的初衷。相反地，写这篇文章目的是为了强调我在优秀工程师身上看到的特质——好奇心。优秀的工程师总是想去知道，那些东西的工作方式并探究为什么它们会像那样工作。有时候答案藏匿地很深，但仍然建议你去试图寻求答案。最终，在这个过程中获取的知识，将会让你受益无穷。