前言

小公司請(qǐng)求量小，但喜歡濫用內(nèi)存，開一堆線程，大把大把往jvm塞對(duì)象，最終問題是內(nèi)存溢出。

大公司并發(fā)大，但喜歡強(qiáng)調(diào)HA，所以通常保留swap，最終問題是服務(wù)卡頓。

而喜歡用全局集合變量的某些同仁，把java代碼當(dāng)c寫，對(duì)象塞進(jìn)去但忘了銷毀，最終問題是內(nèi)存泄漏。

如何避免？
合理參數(shù)、優(yōu)雅代碼、禁用swap，三管齊下，trouble shooter（解決問題的人）。

從一個(gè)故事開始

老王的疑問

一個(gè)陽(yáng)光明媚的下午，一條報(bào)警短信彈了出來。老王微微一笑，是cpu問題，idle瞬時(shí)值，大概是某批請(qǐng)求比較大引起的峰值問題。老王每天都會(huì)收到這樣的短信，這樣的一個(gè)小峰值，在數(shù)千臺(tái)服務(wù)器中，不過是滄海一栗，繼續(xù)喝茶就是了。

但，這次不一樣。幾分鐘之后，幾百個(gè)服務(wù)的超時(shí)報(bào)警鋪天蓋地到來。事后老王算了一下，大概千分之零點(diǎn)幾的服務(wù)超時(shí)了，不過這已經(jīng)很恐怖了。
事態(tài)升級(jí)，恐怕沒時(shí)間喝茶了。

大面積報(bào)警，應(yīng)該是全局問題，是網(wǎng)絡(luò)卡頓？還是數(shù)據(jù)庫(kù)抽風(fēng)？老王挑了一臺(tái)最近報(bào)警的服務(wù)器，輪流監(jiān)控了各種狀態(tài)，總結(jié)如下：

• cpu偶爾有瞬時(shí)峰值，但load非常正常
• 內(nèi)存雖然free不多了，但cached還有不少
• 網(wǎng)絡(luò)各種ping，基本正常
• 磁盤I/O一般，畢竟是服務(wù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)
• 數(shù)據(jù)庫(kù)連接池穩(wěn)定，應(yīng)該不是db抽風(fēng)
• swap用了不少，但好像每臺(tái)機(jī)器都用了，沒啥大不了

全局性的東西不太多，網(wǎng)關(guān)、LVS、注冊(cè)中心、DB、MQ，好像都沒問題。老王開始腦瓜疼了。

讓老王休息一下，我們把鏡頭轉(zhuǎn)向小王。

小王的操作

小王不是老王的兒子，他是老王的徒弟。徒弟一思考，導(dǎo)師就發(fā)笑。這次小王用的是vim，想查找一個(gè)Exception（例外），他打開了一個(gè)8GB的日志文件，然后樂呵呵的在那等著加載。然后，服務(wù)器就死了。

答案

這里直接給出答案，原因等讀完本文自然會(huì)了解。

老王的問題最終定位到是由于某個(gè)運(yùn)維工程師使用ansible批量執(zhí)行了一句命令

find / | grep "x"

他是想找一個(gè)叫做x的文件，看看在哪臺(tái)服務(wù)器上。結(jié)果，這些老服務(wù)器由于文件太多，掃描后這些文件信息都緩存到了slab區(qū)。而服務(wù)器開了swap，操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)物理內(nèi)存占滿后，并沒有立即釋放cache，導(dǎo)致每次GC，都和硬盤打一次交道。然后，所有服務(wù)不間歇卡頓了…

最終，只能先關(guān)閉swap分區(qū)，然后強(qiáng)制內(nèi)核釋放cache，然后再開啟swap。當(dāng)然這個(gè)過程也不會(huì)順利，因?yàn)殚_、關(guān)swap，同樣會(huì)引起大量I/O交換，所以不能批量去執(zhí)行。這幾千臺(tái)機(jī)器，是要忙活一陣嘍。

小王的問題就簡(jiǎn)單多了。他使用vim打開大文件，所有文件的內(nèi)容都會(huì)先加載到內(nèi)存。結(jié)果，內(nèi)存占滿、接著swap也滿了，然后oom-killer殺死了服務(wù)進(jìn)程，給一頭霧水的小王留下了個(gè)莫名其妙。

排查內(nèi)存的一些命令

內(nèi)存分兩部分，物理內(nèi)存和swap。物理內(nèi)存問題主要是內(nèi)存泄漏，而swap的問題主要是用了swap～，我們先上一點(diǎn)命令。

(#1) 物理內(nèi)存

#根據(jù)使用量排序查看RES top -> shift + m #查看進(jìn)程使用的物理內(nèi)存 ps -p 75 -o rss,vsz #顯示內(nèi)存的使用情況 free -h #使用sar查看內(nèi)存信息 sar -r #顯示內(nèi)存每個(gè)區(qū)的詳情 cat /proc/meminfo #查看slab區(qū)使用情況 slabtop

通常，通過查看物理內(nèi)存的占用，你發(fā)現(xiàn)不了多少問題，頂多發(fā)現(xiàn)那個(gè)進(jìn)程占用內(nèi)存高（比如vim等旁路應(yīng)用）。meminfo和slabtop對(duì)系統(tǒng)的全局判斷幫助很大，但掌握這兩點(diǎn)坡度陡峭。

(#2) swap

#查看si,so是否異常 vmstat 1 #使用sar查看swap sar -W #禁用swap swapoff #查詢swap優(yōu)先級(jí) sysctl -q vm.swappiness #設(shè)置swap優(yōu)先級(jí) sysctl vm.swappiness=10

建議關(guān)注非0 swap的所有問題，即使你用了ssd。swap用的多，通常伴隨著I/O升高，服務(wù)卡頓。swap一點(diǎn)都不好玩，不信搜一下《swap罪與罰》這篇文章看下，千萬(wàn)不要更暈哦。

(#3) jvm

# 查看系統(tǒng)級(jí)別的故障和問題 dmesg # 統(tǒng)計(jì)實(shí)例最多的類前十位 jmap -histo pid | sort -n -r -k 2 | head -10 # 統(tǒng)計(jì)容量前十的類 jmap -histo pid | sort -n -r -k 3 | head -10

以上命令是看堆內(nèi)的，能夠找到一些濫用集合的問題。堆外內(nèi)存，依然推薦
《Java堆外內(nèi)存排查小結(jié)》

(#4) 其他

# 釋放內(nèi)存 echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches #查看進(jìn)程物理內(nèi)存分布 pmap -x 75 | sort -n -k3 #dump內(nèi)存內(nèi)容 gdb --batch --pid 75 -ex "dump memory a.dump 0x7f2bceda1000 0x7f2bcef2b000"

內(nèi)存模型

二王的問題表象都是CPU問題，CPU都間歇性的增高，那是因?yàn)長(zhǎng)inux的內(nèi)存管理機(jī)制引起的。你去監(jiān)控Linux的內(nèi)存使用率，大概率是沒什么用的。因?yàn)榻?jīng)過一段時(shí)間，剩余的內(nèi)存都會(huì)被各種緩存迅速占滿。一個(gè)比較典型的例子是ElasticSearch（
彈性搜索），分一半內(nèi)存給JVM，剩下的一半會(huì)迅速被Lucene（全文搜索）索引占滿。

如果你的App進(jìn)程啟動(dòng)后，經(jīng)過兩層緩沖后還不能落地，迎接它的，將會(huì)是oom killer。

接下來的知識(shí)有些燒腦，但有些名詞，可能是你已經(jīng)聽過多次的了。

操作系統(tǒng)視角

我們來解釋一下上圖，第一部分是邏輯內(nèi)存和物理內(nèi)存的關(guān)系；第二部分是top命令展示的一個(gè)結(jié)果，詳細(xì)的列出了每一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存使用情況；第三部分是free命令展示的結(jié)果，它的關(guān)系比較亂，所以給加上了箭頭來作說明。

• 學(xué)過計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)的都知道，程序編譯后的地址是邏輯內(nèi)存，需要經(jīng)過翻譯才能映射到物理內(nèi)存。這個(gè)管翻譯的硬件，就叫MMU；TLB就是存放這些映射的小緩存。內(nèi)存特別大的時(shí)候，會(huì)涉及到hugepage，在某些時(shí)候，是進(jìn)行性能優(yōu)化的殺手锏，比如優(yōu)化redis (THP，注意理解透徹前不要妄動(dòng))
• 物理內(nèi)存的可用空間是有限的，所以邏輯內(nèi)存映射一部分地址到硬盤上，以便獲取更大的物理內(nèi)存地址，這就是swap分區(qū)。swap是很多性能場(chǎng)景的萬(wàn)惡之源，建議禁用
• 像top展示的字段，RES才是真正的物理內(nèi)存占用（不包括swap，ps命令里叫RSS)。在java中，代表了堆內(nèi)+堆外內(nèi)存的總和。而VIRT、SHR等，幾乎沒有判斷價(jià)值(某些場(chǎng)景除外)
• 系統(tǒng)的可用內(nèi)存，包括：free + buffers + cached，因?yàn)楹髢烧呖梢宰詣?dòng)釋放。但不要迷信，有很大一部分，你是釋放不了的
• slab區(qū)，是內(nèi)核的緩存文件句柄等信息等的特殊區(qū)域，slabtop命令可以看到具體使用

更詳細(xì)的，從/proc/meminfo文件中可以看到具體的邏輯內(nèi)存塊的大小。有多達(dá)40項(xiàng)的內(nèi)存信息，這些信息都可以通過/proc一些文件的遍歷獲取，本文只挑重點(diǎn)說明。

[xjj@localhost ~]$ cat /proc/meminfo MemTotal: 3881692 kB MemFree: 249248 kB MemAvailable: 1510048 kB Buffers: 92384 kB Cached: 1340716 kB 40+ more ...

oom-killer

以下問題已經(jīng)不止一個(gè)小伙伴問了：我的java進(jìn)程沒了，什么都沒留下，就像個(gè)屁一樣蒸發(fā)不見了

why？是因?yàn)閷?duì)象太多了么？

執(zhí)行dmesg命令，大概率會(huì)看到你的進(jìn)程崩潰信息躺尸在那里。

為了能看到發(fā)生的時(shí)間，我們習(xí)慣性加上參數(shù)T

dmesg -T

由于linux系統(tǒng)采用的是虛擬內(nèi)存，進(jìn)程的代碼，庫(kù)，堆和棧的使用都會(huì)消耗內(nèi)存，但是申請(qǐng)出來的內(nèi)存，只要沒真正access過，是不算的，因?yàn)闆]有真正為之分配物理頁(yè)面。

第一層防護(hù)墻就是swap；當(dāng)swap也用的差不多了，會(huì)嘗試釋放cache；當(dāng)這兩者資源都耗盡，殺手就出現(xiàn)了。oom killer會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)存耗盡的情況下跳出來，選擇性的干掉一些進(jìn)程以求釋放一點(diǎn)內(nèi)存。2.4內(nèi)核殺新進(jìn)程；2.6殺用的最多的那個(gè)。所以，買內(nèi)存吧。

這個(gè)oom和jvm的oom可不是一個(gè)概念。順便，瞧一下我們的JVM堆在什么位置。

例子

jvm內(nèi)存溢出排查

應(yīng)用程序發(fā)布后，jvm持續(xù)增長(zhǎng)。使用jstat命令，可以看到old區(qū)一直在增長(zhǎng)。

jstat -gcutil 28266 1000

在jvm參數(shù)中，加入-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，在jvm oom的時(shí)候，生成hprof快照。然后，使用Jprofile、VisualVM、Mat等打開dump文件進(jìn)行分析。

你要是個(gè)急性子，可以使用jmap立馬dump一份

jmap -heap:format=b pid

最終發(fā)現(xiàn)，有一個(gè)全局的Cache對(duì)象，不是guava的，也不是commons包的，是一個(gè)簡(jiǎn)單的ConcurrentHashMap，結(jié)果越積累越多，最終導(dǎo)致溢出。

溢出的情況也有多種區(qū)別，這里總結(jié)如下：

關(guān)鍵字原因

Java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space	堆內(nèi)存不夠了，或者存在內(nèi)存溢出
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space	Perm區(qū)不夠了，可能使用了大量動(dòng)態(tài)加載的類，比如cglib
java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory	堆外內(nèi)存、操作系統(tǒng)沒內(nèi)存了，比較嚴(yán)重的情況
java.lang.StackOverflowError	調(diào)用或者遞歸層次太深，修正即可
java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread	無法創(chuàng)建線程，操作系統(tǒng)內(nèi)存沒有了，一定要預(yù)留一部分給操作系統(tǒng)，不要都給jvm
java.lang.OutOfMemoryError: Out of swap space	同樣沒有內(nèi)存資源了，swap都用光了

jvm程序內(nèi)存問題，除了真正的內(nèi)存泄漏，大多數(shù)都是由于太貪心引起的。一個(gè)4GB的內(nèi)存，有同學(xué)就把jvm設(shè)置成了3840M，只給操作系統(tǒng)256M，不死才怪。

另外一個(gè)問題就是swap了，當(dāng)你的應(yīng)用真正的高并發(fā)了，swap絕對(duì)能讓你體驗(yàn)到它魔鬼性的一面：進(jìn)程倒是死不了了，但GC時(shí)間長(zhǎng)的無法忍受。

我的ES性能低

業(yè)務(wù)方的ES集群宿主機(jī)是32GB的內(nèi)存，隨著數(shù)據(jù)量和訪問量增加，決定對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)容=>內(nèi)存改成了64GB。

內(nèi)存升級(jí)后，發(fā)現(xiàn)ES的性能沒什么變化，某些時(shí)候，反而更低了。

通過查看配置，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)問題引起。
一、64GB的機(jī)器分配給jvm的有60G，預(yù)留給文件緩存的只有4GB，造成了文件緩存和硬盤的頻繁交換，比較低效。
二、JVM大小超過了32GB，內(nèi)存對(duì)象的指針無法啟用壓縮，造成了大量的內(nèi)存浪費(fèi)。由于ES的對(duì)象特別多，所以留給真正緩存對(duì)象內(nèi)容的內(nèi)存反而減少了。

解決方式：給jvm的內(nèi)存30GB即可。

其他

基本上了解了內(nèi)存模型，上手幾次內(nèi)存溢出排查，內(nèi)存問題就算掌握了。但還有更多，這條知識(shí)系統(tǒng)可以深挖下去。

JMM

還是拿java來說。java中有一個(gè)經(jīng)典的內(nèi)存模型，一般面試到volitile關(guān)鍵字的時(shí)候，都會(huì)問到。其根本原因，就是由于線程引起的。

當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)訪問一個(gè)變量的時(shí)候，就需要加所謂的鎖了。由于鎖有讀寫，所以java的同步方式非常多樣。wait,notify、lock、cas、volitile、synchronized等，我們僅放上volitile的讀可見性圖作下示例。

線程對(duì)共享變量會(huì)拷貝一份到工作區(qū)。線程1修改了變量以后，其他線程讀這個(gè)變量的時(shí)候，都從主存里刷新一份，此所謂讀可見。

JMM問題是純粹的內(nèi)存問題，也是高級(jí)java必備的知識(shí)點(diǎn)。

CacheLine & False Sharing

是的，內(nèi)存的工藝制造還是跟不上CPU的速度，于是聰明的硬件工程師們，就又給加了一個(gè)緩存（哦不，是多個(gè)）。而Cache Line為CPU Cache中的最小緩存單位。

這個(gè)緩存是每個(gè)核的，而且大小固定。如果存在這樣的場(chǎng)景，有多個(gè)線程操作不同的成員變量，但是相同的緩存行，這個(gè)時(shí)候會(huì)發(fā)生什么？。沒錯(cuò)，偽共享（False Sharing）問題就發(fā)生了！

偽共享也是高級(jí)java的必備技能（雖然幾乎用不到），趕緊去探索吧。

HugePage

回頭看我們最長(zhǎng)的那副圖，上面有一個(gè)TLB，這個(gè)東西速度雖然高，但容量也是有限的。當(dāng)訪問頻繁的時(shí)候，它會(huì)成為瓶頸。
TLB是存放Virtual Address和Physical Address的映射的。如圖，把映射闊上一些，甚至闊上幾百上千倍，TLB就能容納更多地址了。像這種將Page Size加大的技術(shù)就是Huge Page。

HugePage有一些副作用，比如競(jìng)爭(zhēng)加劇（比如redis： https://redis.io/topics/latency ）。但在大內(nèi)存的現(xiàn)代，開啟后會(huì)一定程度上增加性能（比如oracle： https://docs.oracle.com/cd/E11882_01/server.112/e10839/appi_vlm.htm )。

Numa

本來想將Numa放在cpu篇，結(jié)果發(fā)現(xiàn)numa改的其實(shí)是內(nèi)存控制器。這個(gè)東西，將內(nèi)存分段，分別”綁定”在不同的CPU上。也就是說，你的某核CPU，訪問一部分內(nèi)存速度賊快，但訪問另外一些內(nèi)存，就慢一些。

所以，Linux識(shí)別到NUMA架構(gòu)后，默認(rèn)的內(nèi)存分配方案就是：優(yōu)先嘗試在請(qǐng)求線程當(dāng)前所處的CPU的內(nèi)存上分配空間。如果綁定的內(nèi)存不足，先去釋放綁定的內(nèi)存。

以下命令可以看到當(dāng)前是否是NUMA架構(gòu)的硬件。

numactl --hardware

NUMA也是由于內(nèi)存速度跟不上給加的折衷方案。Swap一些難搞的問題，大多是由于NUMA引起的。

總結(jié)

本文的其他，是給想更深入理解內(nèi)存結(jié)構(gòu)的同學(xué)準(zhǔn)備的提綱。Linux內(nèi)存牽扯的東西實(shí)在太多，各種緩沖區(qū)就是魔術(shù)。如果你遇到了難以理解的現(xiàn)象，費(fèi)了九牛二虎之力才找到原因，不要感到奇怪。對(duì)發(fā)生的這一切，我深表同情，并深切的渴望通用量子計(jì)算機(jī)的到來。

那么問題來了，內(nèi)存尚且如此，磁盤呢？

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux之《荒岛余生》（三）内存篇的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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