解Bug之路-記一次JVM堆外內存泄露Bug的查找

前言

JVM的堆外內存泄露的定位一直是個比較棘手的問題。此次的Bug查找從堆內內存的泄露反推出堆外內存，同時對物理內存的使用做了定量的分析，從而實錘了Bug的源頭。筆者將此Bug分析的過程寫成博客，以饗讀者。
由於物理內存定量分析部分用到了linux kernel虛擬內存管理的知識，讀者如果有興趣了解請看ulk3(《深入理解linux內核第三版》)

內存泄露Bug現場

一個線上穩定運行了三年的系統，從物理機遷移到docker環境后，運行了一段時間，突然被監控系統發出了某些實例不可用的報警。所幸有負載均衡，可以自動下掉節點，如下圖所示:

登錄到對應機器上后，發現由於內存佔用太大，觸發OOM，然後被linux系統本身給kill了。

應急措施

緊急在出問題的實例上再次啟動應用，啟動后，內存佔用正常，一切Okay。

奇怪現象

當前設置的最大堆內存是1792M，如下所示:

-Xmx1792m -Xms1792m -Xmn900m -XX:PermSi
ze=256m -XX:MaxPermSize=256m -server -Xss512k 

查看操作系統層面的監控，發現內存佔用情況如下圖所示:

上圖藍色的線表示總的內存使用量，發現一直漲到了4G后，超出了系統限制。
很明顯，有堆外內存泄露了。

查找線索

gc日誌

一般出現內存泄露，筆者立馬想到的就是查看當時的gc日誌。
本身應用所採用框架會定時打印出對應的gc日誌，遂查看，發現gc日誌一切正常。對應日誌如下:

查看了當天的所有gc日誌，發現內存始終會回落到170M左右，並無明顯的增加。要知道JVM進程本身佔用的內存可是接近4G(加上其它進程,例如日誌進程就已經到4G了)，進一步確認是堆外內存導致。

排查代碼

打開線上服務對應對應代碼，查了一圈，發現沒有任何地方顯式利用堆外內存，其沒有依賴任何額外的native方法。關於網絡IO的代碼也是託管給Tomcat，很明顯，作為一個全世界廣泛流行的Web服務器，Tomcat不大可能有堆外內存泄露。

進一步查找

由於在代碼層面沒有發現堆外內存的痕迹，那就繼續找些其它的信息，希望能發現蛛絲馬跡。

Dump出JVM的Heap堆

由於線上出問題的Server已經被kill，還好有其它幾台，登上去發現它們也 佔用了很大的堆外內存，只是還沒有到觸發OOM的臨界點而已。於是就趕緊用jmap dump了兩台機器中應用JVM的堆情況，這兩台留做現場保留不動，然後將其它機器迅速重啟，以防同時被OOM導致服務不可用。
使用如下命令dump:

jmap -dump:format=b，file=heap.bin [pid]

使用MAT分析Heap文件

挑了一個heap文件進行分析，堆的使用情況如下圖所示:

一共用了200多M，和之前gc文件打印出來的170M相差不大，遠遠沒有到4G的程度。
不得不說MAT是個非常好用的工具，它可以提示你可能內存泄露的點:

這個cachedBnsClient類有12452個實例，佔用了整個堆的61.92%。
查看了另一個heap文件，發現也是同樣的情況。這個地方肯定有內存泄露，但是也佔用了130多M，和4G相差甚遠。

查看對應的代碼

系統中大部分對於CachedBnsClient的調用，都是通過註解Autowired的，這部分實例數很少。
唯一頻繁產生此類實例的代碼如下所示:

@Override
    public void fun() {
            BnsClient bnsClient = new CachedBnsClient();
          // do something
    		return  ;
	}

此CachedBnsClient僅僅在方法體內使用，並沒有逃逸到外面，再看此類本身

public class CachedBnsClient   {
    private ConcurrentHashMap<String， List<String>> authCache = new ConcurrentHashMap<String， List<String>>();
    private ConcurrentHashMap<String， List<URI>> validUriCache = new ConcurrentHashMap<String， List<URI>>();
    private ConcurrentHashMap<String， List<URI>> uriCache = new ConcurrentHashMap<String， List<URI>>();
	......
}

沒有任何static變量，同時也沒有往任何全局變量註冊自身。換言之，在類的成員(Member)中，是不可能出現內存泄露的。
當時只粗略的過了一過成員變量，回過頭來細想，還是漏了不少地方的。

更多信息

由於代碼排查下來，感覺這塊不應該出現內存泄露(但是事實確是如此的打臉)。這個類也沒有顯式用到堆外內存，而且只佔了130M，和4G比起來微不足道，還是先去追查主要矛盾再說。

使用jstack dump線程信息

現場信息越多，越能找出蛛絲馬跡。先用jstack把線程信息dump下來看下。
這一看，立馬發現了不同，除了正常的IO線程以及框架本身的一些守護線程外，竟然還多出來了12563多個線程。

"Thread-5" daemon prio=10 tid=0x00007fb79426e000 nid=0x7346 waiting on condition [0x00007fb7b5678000]
   java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)
	at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
	at com.xxxxx.CachedBnsClient$1.run(CachedBnsClient.java:62)

而且這些正好是運行再CachedBnsClient的run方法上面！這些特定線程的數量正好是12452個，和cachedBnsClient數量一致!

再次check對應代碼

原來剛才看CachedBnsClient代碼的時候遺漏掉了一個關鍵的點!

    public CachedBnsClient(BnsClient client) {
        super();
        this.backendClient = client;
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                for (; ; ) {
                    refreshCache();
                    try {
                        Thread.sleep(60 * 1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        logger.error("出錯"， e);
                    }
                }
            }
            ......
        }.start();
    }

這段代碼是CachedBnsClient的構造函數，其在裏面創建了一個無限循環的線程，每隔60s啟動一次刷新一下裏面的緩存!

找到關鍵點

在看到12452個等待在CachedBnsClient.run的業務的一瞬間筆者就意識到，肯定是這邊的線程導致對外內存泄露了。下面就是根據線程大小計算其泄露內存量是不是確實能夠引起OOM了。

發現內存計算對不上

由於我們這邊設置的Xss是512K，即一個線程棧大小是512K，而由於線程共享其它MM單元(線程本地內存是是現在線程棧上的)，所以實際線程堆外內存佔用數量也是512K。進行如下計算:

12563 * 512K = 6331M = 6.3G

整個環境一共4G，加上JVM堆內存1.8G(1792M)，已經明顯的超過了4G。

(6.3G + 1.8G)=8.1G > 4G

如果按照此計算，應用應用早就被OOM了。

怎麼回事呢？

為了解決這個問題，筆者又思考了好久。如下所示:

Java線程底層實現

JVM的線程在linux上底層是調用NPTL(Native Posix Thread Library)來創建的，一個JVM線程就對應linux的lwp(輕量級進程，也是進程，只不過共享了mm_struct，用來實現線程)，一個thread.start就相當於do_fork了一把。
其中，我們在JVM啟動時候設置了-Xss=512K(即線程棧大小)，這512K中然後有8K是必須使用的，這8K是由進程的內核棧和thread_info公用的，放在兩塊連續的物理頁框上。如下圖所示:

眾所周知，一個進程(包括lwp)包括內核棧和用戶棧，內核棧+thread_info用了8K，那麼用戶態的棧可用內存就是:

512K-8K=504K

如下圖所示:

Linux實際物理內存映射

事實上linux對物理內存的使用非常的摳門，一開始只是分配了虛擬內存的線性區，並沒有分配實際的物理內存，只有推到最後使用的時候才分配具體的物理內存，即所謂的請求調頁。如下圖所示:

查看smaps進程內存使用信息

使用如下命令，查看

cat /proc/[pid]/smaps > smaps.txt

實際物理內存使用信息，如下所示:

7fa69a6d1000-7fa69a74f000 rwxp 00000000 00:00 0 
Size:                504 kB
Rss:                  92 kB
Pss:                  92 kB
Shared_Clean:          0 kB
Shared_Dirty:          0 kB
Private_Clean:         0 kB
Private_Dirty:        92 kB
Referenced:           92 kB
Anonymous:            92 kB
AnonHugePages:         0 kB
Swap:                  0 kB
KernelPageSize:        4 kB
MMUPageSize:           4 kB

7fa69a7d3000-7fa69a851000 rwxp 00000000 00:00 0 
Size:                504 kB
Rss:                 152 kB
Pss:                 152 kB
Shared_Clean:          0 kB
Shared_Dirty:          0 kB
Private_Clean:         0 kB
Private_Dirty:       152 kB
Referenced:          152 kB
Anonymous:           152 kB
AnonHugePages:         0 kB
Swap:                  0 kB
KernelPageSize:        4 kB
MMUPageSize:           4 kB

搜索下504KB，正好是12563個，對了12563個線程，其中Rss表示實際物理內存(含共享庫)92KB，Pss表示實際物理內存(按比例共享庫)92KB(由於沒有共享庫，所以Rss==Pss)，以第一個7fa69a6d1000-7fa69a74f000線性區來看，其映射了92KB的空間，第二個映射了152KB的空間。如下圖所示:

挑出符合條件（即size是504K）的幾十組看了下，基本都在92K-152K之間，再加上內核棧8K

(92+152)/2+8K=130K，由於是估算，取整為128K，即反映此應用平均線程棧大小。

注意，實際內存有波動的原因是由於環境不同，從而走了不同的分支，導致棧上的增長不同。

重新進行內存計算

JVM一開始申請了

-Xmx1792m -Xms1792m

即1.8G的堆內內存，這裡是即時分配，一開始就用物理頁框填充。
12563個線程，每個線程棧平均大小128K，即:

128K * 12563=1570M=1.5G的對外內存

取個整數128K，就能反映出平均水平。再拿這個128K * 12563 =1570M = 1.5G，加上JVM的1.8G，就已經達到了3.3G，再加上kernel和日誌傳輸進程等使用的內存數量，確實已經接近了4G，這樣內存就對應上了！(注:用於定量內存計算的環境是一台內存用量將近4G，但還沒OOM的機器)

為什麼在物理機上沒有應用Down機

筆者登錄了原來物理機，應用還在跑，發現其同樣有堆外內存泄露的現象，其物理內存使用已經達到了5個多G!幸好物理機內存很大，而且此應用發布還比較頻繁，所以沒有被OOM。
Dump了物理機上應用的線程，

一共有28737個線程，其中28626個線程等待在CachedBnsClient上。 

同樣用smaps查看進程實際內存信息，其平均大小依舊為

128K，因為是同一應用的原因

繼續進行物理內存計算

1.8+(28737 * 128k)/1024K =(3.6+1.8)=5.4G

進一步驗證了我們的推理。

這麼多線程應用為什麼沒有卡頓

因為基本所有的線程都睡眠在

 Thread.sleep(60 * 1000);//一次睡眠60s

上。所以僅僅佔用了內存，實際佔用的CPU時間很少。

總結

查找Bug的時候，現場信息越多越好，同時定位Bug必須要有實質性的證據。例如內存泄露就要用你推測出的模型進行定量分析。在定量和實際對不上的時候，深挖下去，你會發現不一樣的風景!

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