一次Java内存占用高的排查案例，解释了我对内存问题的所有疑问

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问题现象

7月25号，我们一服务的内存占用较高，约13G，容器总内存16G，占用约85%，触发了内存报警(阈值85%)，而我们是按容器内存60%(9.6G)的比例配置的JVM堆内存。看了下其它服务，同样的堆内存配置，它们内存占用约70%~79%，此服务比其它服务内存占用稍大。

那为什么此服务内存占用稍大呢，它存在内存泄露吗？

排查步骤

1. 检查Java堆占用与gc情况

jcmd 1 GC.heap_info

jstat -gcutil 1 1000

可见堆使用情况正常。

2. 检查非堆占用情况

查看监控仪表盘，如下：

arthas的memory命令查看，如下：

可见非堆内存占用也正常。

3. 检查native内存

Linux进程的内存布局，如下：

linux进程启动时，有代码段、数据段、堆(Heap)、栈(Stack)及内存映射段，在运行过程中，应用程序调用malloc、mmap等C库函数来使用内存，C库函数内部则会视情况通过brk系统调用扩展堆或使用mmap系统调用创建新的内存映射段。

而通过pmap命令，就可以查看进程的内存布局，它的输出样例如下：

可以发现，进程申请的所有虚拟内存段，都在pmap中能够找到，相关字段解释如下：

• Address：表示此内存段的起始地址
• Kbytes：表示此内存段的大小(ps：这是虚拟内存)
• RSS：表示此内存段实际分配的物理内存，这是由于Linux是延迟分配内存的，进程调用malloc时Linux只是分配了一段虚拟内存块，直到进程实际读写此内存块中部分时，Linux会通过缺页中断真正分配物理内存。
• Dirty：此内存段中被修改过的内存大小，使用mmap系统调用申请虚拟内存时，可以关联到某个文件，也可不关联，当关联了文件的内存段被访问时，会自动读取此文件的数据到内存中，若此段某一页内存数据后被更改，即为Dirty，而对于非文件映射的匿名内存段(anon)，此列与RSS相等。
• Mode：内存段是否可读(r)可写(w)可执行(x)
• Mapping：内存段映射的文件，匿名内存段显示为anon，非匿名内存段显示文件名(加-p可显示全路径)。

因此，我们可以找一些内存段，来看看这些内存段中都存储的什么数据，来确定是否有泄露。但jvm一般有非常多的内存段，重点检查哪些内存段呢？
有两种思路，如下：

1. 检查那些占用内存较大的内存段，如下：

pmap -x 1 | sort -nrk3 | less 

可以发现我们进程有非常多的64M的内存块，而我同时看了看其它java服务，发现64M内存块则少得多。

2. 检查一段时间后新增了哪些内存段，或哪些变大了，如下：
   在不同的时间点多次保存pmap命令的输出，然后通过文本对比工具查看两个时间点内存段分布的差异。

pmap -x 1 > pmap-`date +%F-%H-%M-%S`.log

icdiff pmap-2023-07-27-09-46-36.log pmap-2023-07-28-09-29-55.log | less -SR

可以看到，一段时间后，新分配了一些内存段，看看这些变化的内存段里存的是什么内容！

tail -c +$((0x00007face0000000+1)) /proc/1/mem|head -c $((11616*1024))|strings|less -S

说明：

1. Linux将进程内存虚拟为伪文件/proc/$pid/mem，通过它即可查看进程内存中的数据。
2. tail用于偏移到指定内存段的起始地址，即pmap的第一列，head用于读取指定大小，即pmap的第二列。
3. strings用于找出内存中的字符串数据，less用于查看strings输出的字符串。
   
   通过查看各个可疑内存段，发现有不少类似我们一自研消息队列的响应格式数据，通过与消息队列团队合作，找到了相关的消息topic，并最终与相关研发确认了此topic消息最近刚迁移到此服务中。

4. 检查发http请求代码

由于发送消息是走http接口，故我在工程中搜索调用http接口的相关代码，发现一处代码中创建的流对象没有关闭，而GZIPInputStream这个类刚好会直接分配到native内存。

其它方法

本次问题，通过检查内存中的数据找到了问题，还是有些碰运气的。这需要内存中刚好有一些非常有代表性的字符串，因为非字符串的二进制数据，基本无法分析。

如果查看内存数据无法找到关键线索，还可尝试以下几个方法：

5. 开启JVM的NMT原生内存追踪功能

添加JVM参数-XX:NativeMemoryTracking=detail开启，使用jcmd查看，如下：

jcmd 1 VM.native_memory

NMT只能观察到JVM管理的内存，像通过JNI机制直接调用malloc分配的内存，则感知不到。

6. 检查被glibc内存分配器缓存的内存

JVM等原生应用程序调用的malloc、free函数，实际是由基础C库libc提供的，而linux系统则提供了brk、mmap、munmap这几个系统调用来分配虚拟内存，所以libc的malloc、free函数实际是基于这些系统调用实现的。

由于系统调用有一定的开销，为减小开销，libc实现了一个类似内存池的机制，在free函数调用时将内存块缓存起来不归还给linux，直到缓存内存量到达一定条件才会实际执行归还内存的系统调用。

所以进程占用内存比理论上要大些，一定程度上是正常的。

malloc_stats函数
通过如下命令，可以确认glibc库缓存的内存量，如下：

# 查看glibc内存分配情况，会输出到进程标准错误中
gdb -q -batch -ex 'call malloc_stats()' -p 1         

如上，Total (incl. mmap)表示glibc分配的总体情况(包含mmap分配的部分)，其中system bytes表示glibc从操作系统中申请的虚拟内存总大小，in use bytes表示JVM正在使用的内存总大小(即调用glibc的malloc函数后且没有free的内存)。

可以发现，glibc缓存了快500m的内存。

注：当我对jvm进程中执行malloc_stats后，我发现它显示的in use bytes要少得多，经过检查JVM代码，发现JVM在为Java Heap、Metaspace分配内存时，是直接通过mmap函数分配的，而这个函数是直接封装的mmap系统调用，不走glibc内存分配器，故in use bytes会小很多。

malloc_trim函数
glibc实现了malloc_trim函数，通过brk或madvise系统调用，归还被glibc缓存的内存，如下：

# 回收glibc缓存的内存
gdb -q -batch -ex 'call malloc_trim(0)' -p 1          

可以发现，执行malloc_trim后，RSS减少了约250m内存，可见内存占用高并不是因为glibc缓存了内存。

注：通过gdb调用C函数，会有一定概率造成jvm进程崩溃，需谨慎执行。

7. 使用tcmalloc或jemalloc的内存泄露检测工具

glibc的默认内存分配器为ptmalloc2，但Linux提供了LD_PRELOAD机制，使得我们可以更换为其它的内存分配器，如业内比较成熟的tcmalloc或jemalloc。

这两个内存分配器除了实现了内存分配功能外，还提供了内存泄露检测的能力，它们通过hook进程的malloc、free函数调用，然后找到那些调用了malloc后一直没有free的地方，那么这些地方就可能是内存泄露点。

HEAPPROFILE=./heap.log 
HEAP_PROFILE_ALLOCATION_INTERVAL=104857600 
LD_PRELOAD=./libtcmalloc_and_profiler.so
java -jar xxx ...

pprof --pdf /path/to/java heap.log.xx.heap > test.pdf

tcmalloc下载地址：https://github.com/gperftools/gperftools

如上，可以发现内存泄露点来自Inflater对象的init和inflateBytes方法，而这些方法是通过JNI调用实现的，它会申请native内存，经过检查代码，发现GZIPInputStream确实会创建并使用Inflater对象，如下：

而它的close方法，会调用Inflater的end方法来归还native内存，由于我们没有调用close方法，故相关联的native内存无法归还。

可以发现，tcmalloc的泄露检测只能看到native栈，如想看到Java栈，可考虑配合使用arthas的profile命令，如下：

# 获取调用inflateBytes时的调用栈
profiler execute 'start,event=Java_java_util_zip_Inflater_inflateBytes,alluser'
# 获取调用malloc时的调用栈
profiler execute 'start,event=malloc,alluser'

如果代码不修复，内存会一直涨吗？

经过查看代码，发现Inflater实现了finalize方法，而finalize方法调用了end方法。

也就是说，若GC时Inflater对象被回收，相关联的原生内存是会被free的，所以内存会一直涨下去导致进程被oom kill吗？maybe，这取决于GC触发的阈值，即在GC触发前JVM中会保留的垃圾Inflater对象数量，保留得越多native内存占用越大。

但我发现一个有趣现象，我通过jcmd强行触发了一次Full GC，如下：

jcmd 1 GC.run

理论上native内存应该会free，但我通过top观察进程rss，发现基本没有变化，但我检查malloc_stats的输出，发现in use bytes确实少了许多，这说明Full GC后，JVM确实归还了Inflater对象关联的原生内存，但它们都被glibc缓存起来了，并没有归还给操作系统。

于是我再执行了一次malloc_trim，强制glibc归还缓存的内存，发现进程的rss降了下来。

编码最佳实践

这个问题是由于InputStream流对象未关闭导致的，在Java中流对象(FileInputStream)、网络连接对象(Socket)一般都关联了原生资源，记得在finally中调用close方法归还原生资源。

而GZIPInputstream、Inflater是JVM堆外内存泄露的常见问题点，review代码发现有使用这些类时，需要保持警惕。

JVM内存常见疑问

为什么我设置了-Xmx为10G，top中看到的rss却大于10G？

根据上面的介绍，JVM内存占用分布大概如下：

可以发现，JVM内存占用主要包含如下部分：

1. Java堆，-Xmx选项限制的就是Java堆的大小，可通过jcmd命令观测。
2. Java非堆，包含Metaspace、Code Cache、直接内存(DirectByteBuffer、MappedByteBuffer)、Thread、GC，它可通过arthas memory命令或NMT原生内存追踪观测。
3. native分配内存，即直接调用malloc分配的，如JNI调用、磁盘与网络io操作等，可通过pmap命令、malloc_stats函数观测，或使用tcmalloc检测泄露点。
4. glibc缓存的内存，即JVM调用free后，glibc库缓存下来未归还给操作系统的部分，可通过pmap命令、malloc_stats函数观测。

所以-Xmx的值，一定要小于容器/物理机的内存限制，根据经验，一般设置为容器/物理机内存的65%左右较为安全，可考虑使用比例的方式代替-Xms与-Xmx，如下：

-XX:MaxRAMPercentage=65.0 -XX:InitialRAMPercentage=65.0 -XX:MinRAMPercentage=65.0

top中VIRT与RES是什么区别？

• VIRT：进程申请的虚拟内存总大小。
• RES：进程在读写它申请的虚拟内存页面后，会触发Linux的内存缺页中断，进而导致Linux为该页分配实际内存，即RSS，在top中叫RES。
• SHR：进程间共享的内存，如libc.so这个C动态库，几乎会被所有进程加载到各自的虚拟内存空间并使用，但Linux实际只分配了一份内存，各个进程只是通过内存页表关联到此内存而已，注意，RSS指标一般也包含SHR。

通过top、ps或pidstat可查询进程的缺页中断次数，如下：
top中可以通过f交互指令，将mMin、mMaj列显示出来。



minflt表示轻微缺页，即Linux分配了一个内存页给进程，而majflt表示主要缺页，即Linux除了要分配内存页外，还需要从磁盘中读取数据到内存页，一般是内存swap到了磁盘后再访问，或使用了内存映射技术读取文件。

为什么top中JVM进程的VIRT列(虚拟内存)那么大？

可以看到，我们一Java服务，申请了约30G的虚拟内存，比RES实际内存5.6G大很多。

这是因为glibc为了解决多线程内存申请时的锁竞争问题，创建了多个内存分配区Arena，然后每个Arena都有一把锁，特定的线程会hash到特定的Arena中去竞争锁并申请内存，从而减少锁开销。

但在64位系统里，每个Arena去系统申请虚拟内存的单位是64M，然后按需拆分为小块分配给申请方，所以哪怕线程在此Arena中只申请了1K内存，glibc也会为此Arena申请64M。

64位系统里glibc创建Arena数量的默认值为CPU核心数的8倍，而我们容器运行在32核的机器，故glibc会创建32*8=256个Arena，如果每个Arena最少申请64M虚拟内存的话，总共申请的虚拟内存为256*64M=16G。

然后JVM是直接通过mmap申请的堆、MetaSpace等内存区域，不走glibc的内存分配器，这些加起来大约14G，与走glibc申请的16G虚拟内存加起来，总共申请虚拟内存30G！

当然，不必惊慌，这些只是虚拟内存而已，它们多一些并没有什么影响，毕竟64位进程的虚拟内存空间有2^48字节那么大！

为什么jvm启动后一段时间内内存占用越来越多，存在内存泄露吗？

如下，是我们一服务重启后运行快2天的内存占用情况，可以发现内存一直从45%涨到了62%，8G的容器，上涨内存大小为1.36G！

但我们这个服务其实没有内存泄露问题，因为JVM为堆申请的内存是虚拟内存，如4.8G，但在启动后JVM一开始可能实际只使用了3G内存，导致Linux实际只分配了3G。

然后在gc时，由于会复制存活对象到堆的空闲部分，如果正好复制到了以前未使用过的区域，就又会触发Linux进行内存分配，故一段时间内内存占用会越来越多，直到堆的所有区域都被touch到。

而通过添加JVM参数-XX:+AlwaysPreTouch，可以让JVM为堆申请虚拟内存后，立即把堆全部touch一遍，使得堆区域全都被分配物理内存，而由于Java进程主要活动在堆内，故后续内存就不会有很大变化了，我们另一服务添加了此参数，内存表现如下：

可以看到，内存上涨幅度不到2%，无此参数可以提高内存利用度，加此参数则会使应用运行得更稳定。

如我们之前一服务一周内会有1到2次GC耗时超过2s，当我添加此参数后，再未出现过此情况。这是因为当无此参数时，若GC访问到了未读写区域，会触发Linux分配内存，大多数情况下此过程很快，但有极少数情况下会较慢，在GC日志中则表现为sys耗时较高。

参考文章

https://sploitfun.wordpress.com/2015/02/10/understanding-glibc-malloc/
https://juejin.cn/post/7078624931826794503
https://juejin.cn/post/6903363887496691719