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一文深度讲解JVM 内存分析工具 MAT及实践（建议收藏）

jvm java 算法 2023-09-13 09:09:42 733人浏览薄情痞子

摘要

前言熟练掌握 MAT 是 Java 高手的必备能力，但实践时大家往往需面对众多功能，眼花缭乱不知如何下手，小编也没有找到一篇完善的教学素材，所以整理本文帮大家系统掌握 MAT 分析工具。本文详细讲解 MAT 众多内存分析工具功能，这些

前言

熟练掌握 MAT 是 Java 高手的必备能力，但实践时大家往往需面对众多功能，眼花缭乱不知如何下手，小编也没有找到一篇完善的教学素材，所以整理本文帮大家系统掌握 MAT 分析工具。

本文详细讲解 MAT 众多内存分析工具功能，这些功能组合使用异常强大，熟练使用几乎可以解决所有的堆内存离线分析的问题。我们将功能划分为4类：内存分布详情、对象间依赖、对象状态详情、按条件检索。每大类有多个功能点，本文会逐一讲解各功能的场景及用法。此外，添加了原创或引用案例加强理解和掌握。

如图所示：

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为减少对眼花缭乱的菜单的迷茫，可以通过下图先整体熟悉下各功能使用入口，后续都会讲到。

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内存分布详解及实战

1 全局信息概览

功能：展现堆内存大小、对象数量、class 数量、class loader 数量、GC Root 数量、环境变量、线程概况等全局统计信息。

使用入口：MAT 主界面 → Heap Dump Overview。

举例：下面是对象数量、class loader 数量、GC Root 数量，可以看出 class loader 存在异常。

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举例：下图是线程概况，可以查看每个线程名、线程的 Retained Heap、daemon 属性等。

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使用场景全局概览呈现全局统计信息，重点查看整体是否有异常数据，所以有效信息有限，下面几种场景有一定帮助：

方法区溢出时（Java 8后不使用方法区，对应堆溢出），查看 class 数量异常多，可以考虑是否为动态代理类异常载入过多或类被反复重复加载。
方法区溢出时，查看 class loader 数量过多，可以考虑是否为自定义 class loader 被异常循环使用。
GC Root 过多，可以查看 GC Root 分布，理论上这种情况极少会遇到，笔者只在 JNI 使用一个存在 BUG 的库时遇到过。
线程数过多，一般是频繁创建线程但无法执行结束，从概览可以了解异常表象，具体原因可以参考本文线程分析部分内容，此处不展开。

2 Dominator tree

注：笔者使用频率的 Top1，是高效分析 Dump 必看的功能。

功能

展现对象的支配关系图，并给出对象支配内存的大小（支配内存等同于 Retained Heap，即其被 GC 回收可释放的内存大小）
支持排序、支持按 package、class loader、super class、class 聚类统计

使用入口：全局支配树： MAT 主界面 → Dominator tree。

举例：下图中通过查看 Dominator tree，了解到内存主要是由 ThreadAndListHolder-thread 及 main 两个线程支配（后面第2.6节会给出整体案例）。

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使用场景

开始 Dump 分析时，首先应使用 Dominator tree 了解各支配树起点对象所支配内存的大小，进而了解哪几个起点对象是 GC 无法释放大内存的原因。
当个别对象支配树的 Retained Heap 很大存在明显倾斜时，可以重点分析占比高的对象支配关系，展开子树进一步定位到问题根因，如下图中可看出最终是 SameContentWrapperContainer 对象持有的 ArrayList 过大。

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在 Dominator tree 中展开树状图，可以查看支配关系路径（与 outGoing reference 的区别是：如果 X 支配 Y，则 X 释放后 Y必然可释放；如果仅仅是 X 引用 Y，可能仍有其他对象引用 Y，X 释放后 Y 仍不能释放，所以 Dominator tree 去除了 incoming reference 中大量的冗余信息）。
有些情况下可能并没有支配起点对象的 Retained Heap 占用很大内存（比如 class X 有100个对象，每个对象的 Retained Heap 是10M，则 class X 所有对象实际支配的内存是 1G，但可能 Dominator tree 的前20个都是其他class 的对象），这时可以按 class、package、class loader 做聚合，进而定位目标。
下图中各 GC Roots 所支配的内存均不大，这时需要聚合定位爆发点。

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在 Dominator tree 展现后按 class 聚合，如下图：

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可以定位到是 SomeEntry 对象支配内存较多，然后结合代码进一步分析具体原因。

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在一些操作后定位到异常持有 Retained Heap 对象后（如从代码看对象应该被回收），可以获取对象的直接支配者，操作方式如下。

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3 Histogram 直方图

注：笔者使用频率 Top2

功能

罗列每个类实例的数量、类实例累计内存占比，包括自身内存占用量（Shallow Heap）及支配对象的内存占用量（Retain Heap）。
支持按对象数量、Retained Heap、Shallow Heap（默认排序）等指标排序；支持按正则过滤；支持按 package、class loader、super class、class 聚类统计，

使用入口：MAT 主界面 → Histogram；注意 Histogram 默认不展现 Retained Heap，可以使用计算器图标计算，如下图所示。

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使用场景

有些情况 Dominator tree 无法展现出热点对象（上文提到 Dominator tree 支配内存排名前20的占比均不高，或者按 class 聚合也无明显热点对象，此时 Dominator tree 很难做关联分析判断哪类对象占比高），这时可以使用 Histogram 查看所有对象所属类的分布，快速定位占据 Retained Heap 大头的类。

使用技巧

Integer，String 和 Object[] 一般不直接导致内存问题。为更好的组织视图，可以通过 class loader 或 package 分组进一步聚焦，如下图。

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Histogram 支持使用正则表达式来过滤。例如，我们可以只展示那些匹配com.q.*的类。

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可以在 Histogram 的某个类继续使用 outgoing reference 查看对象分布，进而定位哪些对象是大头

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4 Leak Suspects

功能：具备自动检测内存泄漏功能，罗列可能存在内存泄漏的问题点。

使用入口：一般当存在明显的内存泄漏时，分析完Dump文件后就会展现，也可以如下图在 MAT 主页 → Leak Suspects。

使用场景：需要查看引用链条上占用内存较多的可疑对象。这个功能可解决一些基础问题，但复杂的问题往往帮助有限。

举例

下图中 Leak Suspects 视图展现了两个线程支配了绝大部分内存。

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下图是点击上图中 KeyWords 中 "Details" ,获取实例到 GC Root 的最短路径、dominator 路径的细信息。

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5 Top Consumers

功能：最大对象报告，可以展现哪些类、哪些 class loader、哪些 package 占用最高比例的内存，其功能 Histogram 及 Dominator tree 也都支持。

使用场景：应用程序发生内存泄漏时，查看哪些泄漏的对象通常在 Dump 快照中会占很大的比重。因此，对简单的问题具有较高的价值。

6 综合案例一

使用工具项：Heap dump overview、Dominator tree、Histogram、Class Loader Explorer（见3.4节）、incoming references（见3.1节）

程序代码

package com.q.mat; import java.util.*; import org.objectWEB.asm.*; public class ClassLoaderOOMOps extends ClassLoader implements Opcodes { public static void main(final String args[]) throws Exception { new ThreadAndListHolder(); // ThreadAndListHolder 类中会加载大对象 List classLoaders = new ArrayList(); final String className = "ClassLoaderOOMExample"; final byte[] code = geneDynamicClassBytes(className); // 循环创建自定义 class loader，并加载 ClassLoaderOOMExample while (true) { ClassLoaderOOMOps loader = new ClassLoaderOOMOps(); Class exampleClass = loader.defineClass(className, code, 0, code.length); //将二进制流加载到内存中 classLoaders.add(loader); // exampleClass.getMethods()[0].invoke(null, new Object[]{null}); // 执行自动加载类的方法，通过反射调用main } } private static byte[] geneDynamicClassBytes(String className) throws Exception { ClassWriter cw = new ClassWriter(0); cw.visit(V1_1, ACC_PUBLIC, className, null, "java/lang/Object", null); //生成默认构造方法 MethodVisitor mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC, "", "()V", null, null); //生成构造方法的字节码指令 mw.visitVarInsn(ALOAD, 0); mw.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "", "()V"); mw.visitInsn(RETURN); mw.visitMaxs(1, 1); mw.visitEnd(); //生成main方法 mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC + ACC_STATIC, "main", "([Ljava/lang/String;)V", null, null); //生成main方法中的字节码指令 mw.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;"); mw.visitLdcInsn("Hello world!"); mw.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V"); mw.visitInsn(RETURN); mw.visitMaxs(2, 2); mw.visitEnd(); //字节码生成完成 return cw.toByteArray(); // 获取生成的class文件对应的二进制流 } }

package com.q.mat; import java.util.*; import org.objectweb.asm.*; public class ThreadAndListHolder extends ClassLoader implements Opcodes { private static Thread innerThread1; private static Thread innerThread2; private static final SameContentWrapperContainerProxy sameContentWrapperContainerProxy = new SameContentWrapperContainerProxy(); static { // 启用两个线程作为 GC Roots innerThread1 = new Thread(new Runnable() { public void run() { SameContentWrapperContainerProxy proxy = sameContentWrapperContainerProxy; try { Thread.sleep(60 * 60 * 1000); } catch (Exception e) { System.exit(1); } } }); innerThread1.setName("ThreadAndListHolder-thread-1"); innerThread1.start(); innerThread2 = new Thread(new Runnable() { public void run() { SameContentWrapperContainerProxy proxy = proxy = sameContentWrapperContainerProxy; try { Thread.sleep(60 * 60 * 1000); } catch (Exception e) { System.exit(1); } } }); innerThread2.setName("ThreadAndListHolder-thread-2"); innerThread2.start(); } } class IntArrayListWrapper { private ArrayList list; private String name; public IntArrayListWrapper(ArrayList list, String name) { this.list = list; this.name = name; } } class SameContentWrapperContainer { // 2个Wrapper内部指向同一个 ArrayList，方便学习 Dominator tree IntArrayListWrapper intArrayListWrapper1; IntArrayListWrapper intArrayListWrapper2; public void init() { // 线程直接支配 arrayList，两个 IntArrayListWrapper 均不支配 arrayList，只能线程运行完回收 ArrayList arrayList = generateSeqIntList(10 * 1000 * 1000, 0); intArrayListWrapper1 = new IntArrayListWrapper(arrayList, "IntArrayListWrapper-1"); intArrayListWrapper2 = new IntArrayListWrapper(arrayList, "IntArrayListWrapper-2"); } private static ArrayList generateSeqIntList(int size, int startValue) { ArrayList list = new ArrayList(size); for (int i = startValue; i < startValue + size; i++) { list.add(i); } return list; } } class SameContentWrapperContainerProxy { SameContentWrapperContainer sameContentWrapperContainer; public SameContentWrapperContainerProxy() { SameContentWrapperContainer container = new SameContentWrapperContainer(); container.init(); sameContentWrapperContainer = container; } }

启动参数：-Xmx512m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/Users/gjd/Desktop/dump/heapdump.hprof -XX:-UseCompressedClassPointers -XX:-UseCompressedOops

引用关系图

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分析过程

首先进入 Dominator tree，可以看出是 SameContentWrapperContainerProxy 对象与 main 线程两者持有99%内存不能释放导致 OOM。

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先来看方向一，在 Heap Dump Overview中可以快速定位到 Number of class loaders 数达50万以上，这种基本属于异常情况，如下图所示。

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使用 Class Loader Explorer 分析工具，此时会展现类加载详情，可以看到有524061个 class loader。我们的案例中仅有ClassLoaderOOMOps 这样的自定义类加载器，所以很快可以定位到问题。

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如果类加载器较多，不能确定是哪个引发问题，则可以将所有的 class loader对象按类做聚类，如下图所示。

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Histogram 会根据 class 聚合，并展现对象数量及其 Shallow Heap 及 Retained Heap（如Retained Heap项目为空，可以点击下图中计算机的图标并计算 Retained Heap），可以看到 ClassLoaderOOMOps 有524044个对象，其 Retain Heap 占据了370M以上（上述代码是100M左右）。

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使用 incoming references，可以找到创建的代码位置。

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再来看方向二，同样在占据319M内存的 Obejct 数组采用 incoming references 查看引用路径，也很容易定位到具体代码位置。并且从下图中我们看出，Dominator tree 的起点并不一定是 GC根，且通过 Dominator tree 可能无法获取到最开始的创建路径，但 incoming references 是可以的。

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对象间依赖详解及实战

1 References

注：笔者使用频率 Top2

功能：在对象引用图中查看某个特定对象的所有引用关系（提供对象对其他对象或基本类型的引用关系，以及被外部其他对象的引用关系）。通过任一对象的直接引用及间接引用详情（主要是属性值及内存占用），提供完善的依赖链路详情。

使用入口：目标域右键 → List objects → with outgoing references/with incoming references.

使用场景

outgoing reference：查看对象所引用的对象，并支持链式传递操作。如查看一个大对象持有哪些内容，当一个复杂对象的 Retained Heap 较大时，通过 outgoing reference 可以查看由哪个属性引发的。下图中 A 支配 F，且 F 占据大量内存，但优化时 F 的直接支配对象 A 无法修改。可通过 outgoing reference 看关系链上 D、B、E、C，并结合业务逻辑优化中间环节，这依托 dominator tree 是做不到的。
incoming reference：查看对象被哪些对象引用，并支持链式传递操作。如查看一个大对象都被哪些对象引用，下图中 K 占内存大，所以 J 的 Retained Heap 较大，目标是从 GC Roots 摘除 J 引用，但在 Dominator tree 上 J 是树根，无法获取其被引用路径，可通过 incoming reference 查看关系链上的 H、X、Y ，并结合业务逻辑将 J 从 GC Root 链摘除。

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2 Thread overview

功能：展现转储 dump 文件是线程执行栈、线程栈引用的对象等详细状态，也提供各线程的 Retained Heap 等关联内存信息。

使用入口：MAT 主页 → Thread overview

使用场景

查看不同线程持有的内存占比，定位高内存消耗线程（开发技巧：不要直接使用 Thread 或 Executor 默认线程名避免全部混合在一起，使用线程尽量自命名方便识别，如下图中 ThreadAndListHolder-thread 是自定义线程名，可以很容易定位到具体代码）
查看线程的执行栈及变量，结合业务代码了解线程阻塞在什么地方，以及无法继续运行释放内存，如下图中 ThreadAndListHolder-thread 阻塞在 sleep 方法。

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3 Path To GC Roots

功能：提供任一对象到 GC Root 的路径详情。

使用入口：目标域右键 → Path To GC Roots

使用场景：有时你确信已经处理了大的对象集合但依然无法回收，该功能能快速定位异常对象不能被 GC 回收的原因，直击异常对象到 GC Root 的引用路径。比 incoming reference 的优势是屏蔽掉很多不需关注的引用关系，比 Dominator tree 的优势是可以得到更全面的信息。

小技巧：在排查内存泄漏时，建议选择 exclude all phantom/weak/soft etc.references 排除虚引用/弱引用/软引用等的引用链，因为被虚引用/弱引用/软引用的对象可以直接被 GC 给回收，聚焦在对象是否还存在 Strong 引用链即可。

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4 class loader 分析

功能

查看堆中所有 class loader 的使用情况（入口：MAT 主页菜单蓝色桶图标 → Java Basics → Class Loader Explorer）。
查看堆中被不同class loader 重复加载的类（入口：MAT 主页菜单蓝色桶图标 → Java Basics → Duplicated Classes）。

使用场景

当从 Heap dump overview 了解到系统中 class loader 过多，导致占用内存异常时进入更细致的分析定位根因时使用。
解决 NoClassDefFoundError 问题或检测 jar 包是否被重复加载

具体使用方法在 2.6 及 3.5 两节的案例中有介绍。

5 综合案例二

使用工具项：class loader（重复类检测）、inspector、正则检索。

异常现象：运行时报 NoClassDefFoundError，在 classpath 中有两个不同版本的同名类。

分析过程

进入 MAT 已加载的重复类检测功能，方式如下图。

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可以看到所有重复的类，以及相关的类加载器，如下图。

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根据类名，在框中输入类名可以过滤无效信息。
选中目标类，通过Inspector视图，可以看到被加载的类具体是在哪个jar包里。（本例中重复的类是被 URLClassloader 加载的，右键点击 “_context” 属性，最后点击 “Go Into”，在弹出的窗口中的属性 “_war” 值是被加载类的具体包位置）

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对象状态详解及实战

1 inspector

功能：MAT 通过 inspector 面板展现对象的详情信息，如静态属性值及实例属性值、内存地址、类继承关系、package、class loader、GC Roots 等详情数据。

使用场景

当内存使用量与业务逻辑有较强关联的场景，通过 inspector 可以通过查看对象具体属性值。比如：社交场景中某个用户对象的好友列表异常，其 List 长度达到几亿，通过 inspector 面板获取到异常用户 ID，进而从业务视角继续排查属于哪个用户，本里可能有系统账号，与所有用户是好友。
集合等类型的使用会较多，如查看 ArrayList 的 size 属性也就了解其大小。

举例：下图中左边的 Inspector 窗口展现了地址 0x125754cf8 的 ArrayList 实例详情，包括 modCount 等并不会在 outgoing references 展现的基本属性。

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2 集合状态

功能：帮助更直观的了解系统的内存使用情况，查找浪费的内存空间。

使用入口：MAT 主页 → Java Collections → 填充率/Hash冲突等功能。

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使用场景

通过对 ArrayList 或数组等集合类对象按填充率聚类，定位稀疏或空集合类对象造成的内存浪费。
通过 HashMap 冲突率判定 hash 策略是否合理。

具体使用方法在 4.3 节案例详细介绍。

3 综合案例三

使用工具项：Dominator tree、Histogram、集合 ratio。

异常现象：程序 OOM，且 Dominator tree 无大对象，通过 Histogram 了解到多个 ArrayList 占据大量内存，期望通过减少 ArrayList 优化程序。

程序代码

package com.q.mat; import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class ListRatioDemo { public static void main(String[] args) { for(int i=0;i<10000;i++){ Thread thread = new Thread(new Runnable() { public void run() { HolderContainer holderContainer1 = new HolderContainer(); try { Thread.sleep(1000 * 1000 * 60); } catch (Exception e) { System.exit(1); } } }); thread.setName("inner-thread-" + i); thread.start(); } } } class HolderContainer { ListHolder listHolder1 = new ListHolder().init(); ListHolder listHolder2 = new ListHolder().init(); } class ListHolder { static final int LIST_SIZE = 100 * 1000; List list1 = new ArrayList(LIST_SIZE); // 5%填充 List list2 = new ArrayList(LIST_SIZE); // 5%填充 List list3 = new ArrayList(LIST_SIZE); // 15%填充 List list4 = new ArrayList(LIST_SIZE); // 30%填充 public ListHolder init() { for (int i = 0; i < LIST_SIZE; i++) { if (i < 0.05 * LIST_SIZE) { list1.add("" + i); list2.add("" + i); } if (i < 0.15 * LIST_SIZE) { list3.add("" + i); } if (i < 0.3 * LIST_SIZE) { list4.add("" + i); } } return this; } }

分析过程

使用 Dominator tree 查看并无高占比起点。

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使用 Histogram 定位到 ListHolder 及 ArrayList 占比过高，经过业务分析很多 List 填充率很低，不会浪费内存。

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查看 ArrayList 的填充率，MAT 首页 → Java Collections → Collection Fill Ratio。

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查看类型填写 java.util.ArrayList。

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从结果可以看出绝大部分 ArrayList 初始申请长度过大。

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按条件检索详解及实战

1 OQL

功能：提供一种类似于sql的对象（类）级别统一结构化查询语言，根据条件对堆中对象进行筛选。

语法

SELECT * FROM [ INSTANCEOF ] [ WHERE ]

Select 子句可以使用“*”，查看结果对象的引用实例（相当于 outgoing references）；可以指定具体的内容，如 Select OBJECTS v.elementData from xx 是返回的结果是完整的对象，而不是简单的对象描述信息)；可以使用 Distinct 关键词去重。
From 指定查询范围，一般指定类名、正则表达式、对象地址。
Where 用来指定筛选条件。
全部语法详见：OQL 语法
未支持的核心功能：group by value，如果有需求可以先导出结果到 csv 中，再使用 awk 等脚本工具分析即可。

例子：查找 size＝0 且未使用过的 ArrayList：select * from java.util.ArrayList where size=0 and modCount=0。

使用场景

一般比较复杂的问题会使用 OQL，而且这类问题往往与业务逻辑有较大关系。比如大量的小对象整体占用内存高，但预期小对象应该不会过多（比如达到百万个），一个一个看又不现实，可以采用 OQL 查询导出数据排查。

例如：微服务的分布式链路追踪系统，采集各服务所有接口名，共计200个服务却采集到了200万个接口名（一个服务不会有1万个接口），这时直接在 List 中一个个查看很难定位，可以直接用 OQL 导出，定位哪个服务接口名收集异常（如把 URL 中 ID 也统计到接口中了）

2 检索及筛选

功能：本文第二章内存分布，第三章对象间依赖的众多功能，均支持按字符串检索、按正则检索等操作。

使用场景：在使用 Histogram、Thread overview 等功能时，可以进一步添加字符串匹配、正则匹配条件过滤缩小排查范围。

3 按地址寻址

功能：根据对象的虚拟内存十六进制地址查找对象。

使用场景：仅知道地址并希望快速查看对象做后续分析时使用，其余可以直接使用 outgoing reference 了解对象信息。

4 综合案例四

使用工具项：OQL、Histogram、incoming references

异常现象及目的：程序占用内存高，存在默认初始化较长的 ArrayList，需分析 ArrayList 被使用的占比，通过数据支撑是否采用懒加载模式，并分析具体哪块代码创建了空 ArrayList。

程序代码

public class EmptyListDemo { public static void main(String[] args) { EmptyValueContainerList emptyValueContainerList = new EmptyValueContainerList(); FilledValueContainerList filledValueContainerList = new FilledValueContainerList(); System.out.println("start sleep..."); try { Thread.sleep(50 * 1000 * 1000); } catch (Exception e) { System.exit(1); } } } class EmptyValueContainer { List value1 = new ArrayList(10); List value2 = new ArrayList(10); List value3 = new ArrayList(10); } class EmptyValueContainerList { List list = new ArrayList(500 * 1000); public EmptyValueContainerList() { for (int i = 0; i < 500 * 1000; i++) { list.add(new EmptyValueContainer()); } } } class FilledValueContainer { List value1 = new ArrayList(10); List value2 = new ArrayList(10); List value3 = new ArrayList(10); public FilledValueContainer init() { value1.addAll(Arrays.asList(1, 3, 5, 7, 9)); value2.addAll(Arrays.asList(2, 4, 6, 8, 10)); value1.addAll(Arrays.asList(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1)); return this; } } class FilledValueContainerList { List list = new ArrayList(500); public FilledValueContainerList() { for (int i = 0; i < 500; i++) { list.add(new FilledValueContainer().init()); } } }

分析过程

内存中有50万个 capacity = 10 的空 ArrayList 实例。我们分析下这些对象的占用内存总大小及对象创建位置，以便分析延迟初始化（即直到使用这些对象的时候才将之实例化，否则一直为null）是否有必要。
使用 OQL 查询出初始化后未被使用的 ArrayList（size=0 且 modCount=0），语句如下图。可以看出公有 150 万个空 ArrayList，这些对象属于浪费内存。我们接下来计算下总计占用多少内存，并根据结果看是否需要优化。

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计算 150万 ArrayList占内存总量，直接点击右上方带黄色箭头的 Histogram 图标，这个图标是在选定的结果再用直方图展示，总计支配了120M 左右内存（所以这里点击结果，不包含 modCount 或 size 大于0的 ArrayList 对象）。这类在选定结果继续分析很多功能都支持，如正则检索、Histogram、Dominator tree等等。