JVM 本地内存跟踪（Native Memory Tracking in JVM）

翻译：https://www.baeldung.com/native-memory-tracking-in-jvm

1. 概述

你是否曾疑惑：为什么 Java 进程实际占用的内存，总是明显超过通过熟悉的 -Xms 和 -Xmx 指定的堆大小？出于多种原因和可能的优化，JVM 会在堆外再向操作系统申请额外 “本地内存”(native memory.)。这些额外申请最终可能使进程占用的内存突破 -Xmx 的上限。

本教程将：

1. 枚举 JVM 中常见的本地内存来源，并给出对应的调优参数；
2. 演示如何使用 Native Memory Tracking（NMT） 工具实时监控这些内存。

2. 本地内存的构成（Native Allocations）

虽然 Java 堆通常是占用最大的一块，但 JVM 还会从本地内存中划出相当可观的区域，用来存放类元数据、JIT 生成的代码、内部数据结构等。下面逐一说明。

2.1 Metaspace（元空间）

为了保存已加载类的元数据，JVM 专门开辟了一块 非堆区域 Metaspace。

• Java 8 之前叫 PermGen（永久代）。
• Metaspace 不受 -Xms/-Xmx 控制，需用下列参数单独限制： -XX:MetaspaceSize、-XX:MaxMetaspaceSize （Java 8 之前是 -XX:PermSize、-XX:MaxPermSize）

2.2 线程

每个线程创建时都会伴随一个栈，用于局部变量和方法调用。

• 现代 64 位系统默认约 1 MB，可通过 -Xss 调整。
• 若线程数无上限，则栈总内存也无上限。
• JVM 自身还需若干后台线程（GC、JIT 等）。

2.3 Code Cache（代码缓存）

JIT 把字节码编译为机器码后，放在一块叫做 Code Cache 的非堆区域。 通过 -XX:InitialCodeCacheSize、-XX:ReservedCodeCacheSize 设定初始值与最大值。

2.4 垃圾收集器(Garbage Collection)

各种 GC 算法都需要额外的本地数据结构，因此会再向操作系统申请内存。不同 GC 实现差异较大。

2.5 符号（Symbols）

• String Table（字符串表）： JVM 通过 intern 机制去重字符串，所有被驻留的字符串放在一张固定大小的哈希表里； 表大小由 -XX:StringTableSize 指定。
• Runtime Constant Pool（运行时常量池）： 存放编译期生成的字面量、方法字段引用等。

2.6 本地直接缓冲区(Native Byte Buffers)

除 JVM 自身外，开发者也可通过 JNI 的 malloc 或 NIO 的 DirectByteBuffer 直接申请本地内存。

2.7 相关调优参数速查(Additional Tuning Flags)

要列出与某概念相关的所有 -XX 参数，可执行：

$ java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep <关键字>

例如查询 Metaspace：

$ java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep Metaspace

3. 使用 Native Memory Tracking（NMT）

3.0 启用 NMT

通过启动参数打开 NMT：

-XX:NativeMemoryTracking=off|summary|detail

示例：

$ java -XX:NativeMemoryTracking=summary -Xms300m -Xmx300m -XX:+UseG1GC -jar app.jar

3.1 生成即时快照( Instant Snapshots)

1. 找到 JVM 进程 PID：

$ jps -l
7858 app.jar

1. 打印内存信息：

$ jcmd 7858 VM.native_memory

3.2 总览(Total Allocations)

输出开头给出保留（reserved）与已提交（committed）内存：

Native Memory Tracking:
Total: reserved=1731124KB, committed=448152KB

• reserved：JVM 向操作系统“预订”的总量。
• committed：实际已分配、正在使用的量。

可以看到，虽然堆只有 300 MB，但进程保留了近 1.7 GB，已提交约 440 MB。

3.3 各区域详情

Heap（堆）

Java Heap (reserved=307200KB, committed=307200KB)
          (mmap: reserved=307200KB, committed=307200KB)

完全符合 -Xms300m -Xmx300m 的设置。

Class（Metaspace）

Class (reserved=1091407KB, committed=45815KB)
      (classes #6566)
      (malloc=10063KB #8519)
      (mmap: reserved=1081344KB, committed=35752KB)

约 1 GB 保留、45 MB 已提交，用于加载 6566 个类。

Thread

Thread (reserved=37018KB, committed=37018KB)
       (thread #37)
       (stack: reserved=36864KB, committed=36864KB)
       (malloc=112KB #190)
       (arena=42KB #72)

37 个线程，每个栈约 1 MB，总计 36 MB 左右。

Code Cache

Code (reserved=251549KB, committed=14169KB)
     (malloc=1949KB #3424)
     (mmap: reserved=249600KB, committed=12220KB)

当前缓存了约 13 MB 机器码，上限可达 245 MB。

GC

以 G1 为例：

GC (reserved=61771KB, committed=61771KB)
   (malloc=17603KB #4501)
   (mmap: reserved=44168KB, committed=44168KB)

约 60 MB 用于 G1 结构。

若改用 Serial GC：

GC (reserved=1034KB, committed=1034KB)
   (malloc=26KB #158)
   (mmap: reserved=1008KB, committed=1008KB)

仅 1 MB，但带来的 Stop-The-World 风险需自行权衡。

Symbol

Symbol (reserved=10148KB, committed=10148KB)
       (malloc=7295KB #66194)
       (arena=2853KB #1)

约 10 MB 用于字符串表与常量池。

3.9 随时间对比(NMT Over Time)

1. 建立基线：

$ jcmd <pid> VM.native_memory baseline

1. 一段时间后查看差异：

$ jcmd <pid> VM.native_memory summary.diff

输出示例：

Total: reserved=1771487KB +3373KB, committed=491491KB +6873KB
...

+ 表示增加，- 表示减少，便于快速定位泄漏或膨胀。

3.10 详细模式

如需更细粒度的地址映射，可启动时改为：

-XX:NativeMemoryTracking=detail

4. 结论

本文梳理了 JVM 本地内存的主要组成部分及其调优参数，并示范了如何利用 NMT 进行在线监控。借助这些信息，我们可以更精准地调优应用、合理规划容器或物理机的内存配额。