一、问题现象

某天，运维老哥突然找我：“你们的某 JAVA 服务内存占用太高，告警了！GC 后也没释放，内存只增不减，是不是内存泄漏了！”

然后我赶紧看了下监控，一切正常，距离上次发版好几天了，FULL GC 一次没有，YoungGC，十分钟一次，堆空闲也很充足。

运维：“你们这个服务现在堆内存 used 才 800M，但这个 JAVA 进程已经占了 6G 内存了，是不是你们程序出啥内存泄露的 bug 了！”

我想都没想，直接回了一句：“不可能，我们服务非常稳定，不会有这种问题！”

二、问题分析

不过说完之后，内心还是自我质疑了一下：会不会真有什么bug？难道是堆外泄露？线程没销毁？导致内存泄露了？？？

然后我很“镇定”的补了一句：“我先上服务器看看啥情况”，被打脸可就不好了，还是不要装太满的好……

迅速上登上服务器又仔细的查看了各种指标，Heap/GC/Thread/Process 之类的，发现一切正常，并没有什么“泄漏”的迹象。

运维：你看你们这个 JAVA 服务，堆现在 used 才 400MB，但这个进程现在内存占用都 6G 了，还说没问题？肯定是内存泄露了，锅接好，赶紧回去查问题吧

然后我指着监控信息，让运维看：“大哥你看这监控历史，堆内存是达到过 6G 的，只是后面 GC 了，没问题啊！”

运维：“回收了你这内存也没释放啊，你看这个进程 Res 还是 6G，肯定有问题啊”

JVM GC 回收和进程内存又不是一回事，不过还是和运维解释一下，不然一直baba个没完。

“JVM 的垃圾回收，只是一个逻辑上的回收，回收的只是 JVM 申请的那一块逻辑堆区域，将数据标记为空闲之类的操作，不是调用 free 将内存归还给操作系统”

运维顿了两秒后，突然脸色一转，开始笑起来：“咳咳，我可能没注意这个。你再给我讲讲 JVM 的这个内存管理/回收和进程上内存的关系呗”

虽然我内心是拒绝的，但得罪谁也不能得罪运维啊，想想还是给大哥解释解释，“增进下感情”

三、操作系统与 JVM的内存分配

JVM 的自动内存管理，其实只是先向操作系统申请了一大块内存，然后JVM在这块已申请的内存区域中进行“自动内存管理”。JAVA 中的对象在创建前，会先从这块申请的一大块内存中划分出一部分来给这个对象使用，在 GC 时也只是这个对象所处的内存区域数据清空，标记为空闲而已。

运维：“原来是这样，那按你的意思，JVM 就不会将 GC 回收后的空闲内存还给操作系统了吗？”

四、为什么不把内存归还给操作系统？

JVM 还是会归还内存给操作系统的，只是因为这个代价比较大，所以不会轻易进行。而且不同垃圾回收器的内存分配算法不同，归还内存的代价也不同。

比如：在清除算法（sweep）中，是通过空闲链表（free-list）算法来分配内存的。简单的说就是将已申请的大块内存区域分为 N 个小区域，将这些区域同链表的结构组织起来，就像这样：

每个 data 区域可以容纳 N 个对象，那么当一次 GC 后，某些对象会被回收，可是此时这个 data 区域中还有其他存活的对象，如果想将整个 data 区域释放那是肯定不行的。

所以这个归还内存给操作系统的操作并没有那么简单，执行起来代价过高，JVM 自然不会在每次 GC 后都进行内存的归还。

五、怎么归还？

虽然代价高，但 JVM 还是提供了这个归还内存的功能。JVM 提供了-XX:MinHeapFreeRatio和-XX:MaxHeapFreeRatio 两个参数，用于配置这个归还策略。

MinHeapFreeRatio 代表当空闲区域大小下降到该值时，会进行扩容，扩容的上限为 Xmx
MaxHeapFreeRatio 代表当空闲区域超过该值时，会进行“缩容”，缩容的下限为Xms

不过虽然有这个归还的功能，不过因为这个代价比较昂贵，所以 JVM 在归还的时候，是线性递增归还的，并不是一次全部归还。

但是，经过实测，这个归还内存的机制，在不同的垃圾回收器，甚至不同的 JDK 版本中还不一样！

六、不同版本&垃圾回收器下的表现不同

测试代码：

public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
    List<Object> dataList = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 25; i++) {
        byte[] data = createData(1024 * 1024 * 40);// 40 MB
        dataList.add(data);
    }
    Thread.sleep(10000);
    dataList = null; // 待会 GC 直接回收
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        // 测试多次 GC
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
    }
    System.in.read();
}
public static byte[] createData(int size){
    byte[] data = new byte[size];
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        data[i] = Byte.MAX_VALUE;
    }
    return data;
}

JAVA 版本	垃圾回收器	VM Options	是否可以“归还”
JAVA 8	UseParallelGC(ParallerGC + ParallerOld)	-Xms100M -Xmx2G -XX:MaxHeapFreeRatio=40	否
JAVA 8	CMS+ParNew	-Xms100M -Xmx2G -XX:MaxHeapFreeRatio=40 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC	是
JAVA 8	UseG1GC(G1)	-Xms100M -Xmx2G -XX:MaxHeapFreeRatio=40 -XX:+UseG1GC	是
JAVA 11	UseG1GC(G1)	-Xms100M -Xmx2G -XX:MaxHeapFreeRatio=40	是
JAVA 16	UseZGC(ZGC)	-Xms100M -Xmx2G -XX:MaxHeapFreeRatio=40 -XX:+UseZGC	否