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作者：紀兵，2015年加入美團，目前主要從事酒店C端相關的工作。
原文：https://tech.meituan.com/2019/01/03/spring-boot-native-memory-leak.html

背景

為了更好地實現(xiàn)對項目的管理，我們將組內(nèi)一個項目遷移到MDP框架（基于Spring Boot），隨后我們就發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)會頻繁報出Swap區(qū)域使用量過高的異常。

筆者被叫去幫忙查看原因，發(fā)現(xiàn)配置了4G堆內(nèi)內(nèi)存，但是實際使用的物理內(nèi)存竟然高達7G，確實不正常。

JVM參數(shù)配置是“-XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M -XX:+AlwaysPreTouch -XX:ReservedCodeCacheSize=128m -XX:InitialCodeCacheSize=128m, -Xss512k -Xmx4g -Xms4g,-XX:+UseG1GC -XX:G1HeapRegionSize=4M”，實際使用的物理內(nèi)存如下圖所示：

top命令顯示的內(nèi)存情況

排查過程

1. 使用Java層面的工具定位內(nèi)存區(qū)域（堆內(nèi)內(nèi)存、Code區(qū)域或者使用unsafe.allocateMemory和DirectByteBuffer申請的堆外內(nèi)存）

筆者在項目中添加-XX:NativeMemoryTracking=detailJVM參數(shù)重啟項目，使用命令jcmd pid VM.native_memory detail查看到的內(nèi)存分布如下：

jcmd顯示的內(nèi)存情況

發(fā)現(xiàn)命令顯示的committed的內(nèi)存小于物理內(nèi)存，因為jcmd命令顯示的內(nèi)存包含堆內(nèi)內(nèi)存、Code區(qū)域、通過unsafe.allocateMemory和DirectByteBuffer申請的內(nèi)存，但是不包含其他Native Code（C代碼）申請的堆外內(nèi)存。所以猜測是使用Native Code申請內(nèi)存所導致的問題。

為了防止誤判，筆者使用了pmap查看內(nèi)存分布，發(fā)現(xiàn)大量的64M的地址；而這些地址空間不在jcmd命令所給出的地址空間里面，基本上就斷定就是這些64M的內(nèi)存所導致。

pmap顯示的內(nèi)存情況

2. 使用系統(tǒng)層面的工具定位堆外內(nèi)存

因為筆者已經(jīng)基本上確定是Native Code所引起，而Java層面的工具不便于排查此類問題，只能使用系統(tǒng)層面的工具去定位問題。

首先，使用了gperftools去定位問題，gperftools的使用方法可以參考gperftools，gperftools的監(jiān)控如下：

gperftools監(jiān)控

從上圖可以看出：使用malloc申請的的內(nèi)存最高到3G之后就釋放了，之后始終維持在700M-800M。筆者第一反應是：難道Native Code中沒有使用malloc申請，直接使用mmap/brk申請的？（gperftools原理就使用動態(tài)鏈接的方式替換了操作系統(tǒng)默認的內(nèi)存分配器（glibc）。）

然后，使用strace去追蹤系統(tǒng)調(diào)用，因為使用gperftools沒有追蹤到這些內(nèi)存，于是直接使用命令“strace -f -e”brk,mmap,munmap” -p pid”追蹤向OS申請內(nèi)存請求，但是并沒有發(fā)現(xiàn)有可疑內(nèi)存申請。strace監(jiān)控如下圖所示:

strace監(jiān)控

接著，使用GDB去dump可疑內(nèi)存，因為使用strace沒有追蹤到可疑內(nèi)存申請；于是想著看看內(nèi)存中的情況。就是直接使用命令gdp -pid pid進入GDB之后，然后使用命令dump memory mem.bin startAddress endAddressdump內(nèi)存，其中startAddress和endAddress可以從/proc/pid/smaps中查找。然后使用strings mem.bin查看dump的內(nèi)容，如下：

gperftools監(jiān)控

從內(nèi)容上來看，像是解壓后的JAR包信息。讀取JAR包信息應該是在項目啟動的時候，那么在項目啟動之后使用strace作用就不是很大了。所以應該在項目啟動的時候使用strace，而不是啟動完成之后。

再次，項目啟動時使用strace去追蹤系統(tǒng)調(diào)用，項目啟動使用strace追蹤系統(tǒng)調(diào)用，發(fā)現(xiàn)確實申請了很多64M的內(nèi)存空間，截圖如下：

strace監(jiān)控

使用該mmap申請的地址空間在pmap對應如下：

strace申請內(nèi)容對應的pmap地址空間

最后，使用jstack去查看對應的線程，因為strace命令中已經(jīng)顯示申請內(nèi)存的線程ID。直接使用命令jstack pid去查看線程棧，找到對應的線程棧（注意10進制和16進制轉換）如下：

strace申請空間的線程棧

這里基本上就可以看出問題來了：MCC（美團統(tǒng)一配置中心）使用了Reflections進行掃包，底層使用了Spring Boot去加載JAR?！?a >46 張 PPT 弄懂JVM、GC 算法和性能調(diào)優(yōu)》分享給你。因為解壓JAR使用Inflater類，需要用到堆外內(nèi)存，然后使用Btrace去追蹤這個類，棧如下：

btrace追蹤棧

然后查看使用MCC的地方，發(fā)現(xiàn)沒有配置掃包路徑，默認是掃描所有的包。于是修改代碼，配置掃包路徑，發(fā)布上線后內(nèi)存問題解決。

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https://github.com/javastacks/spring-boot-best-practice

3. 為什么堆外內(nèi)存沒有釋放掉呢？

雖然問題已經(jīng)解決了，但是有幾個疑問：

為什么使用舊的框架沒有問題？
為什么堆外內(nèi)存沒有釋放？
為什么內(nèi)存大小都是64M，JAR大小不可能這么大，而且都是一樣大？
為什么gperftools最終顯示使用的的內(nèi)存大小是700M左右，解壓包真的沒有使用malloc申請內(nèi)存嗎？

另外，如果你近期準備面試跳槽，建議在 Java面試庫小程序在線刷題，涵蓋 2000+?道 Java 面試題，幾乎覆蓋了所有主流技術面試題。

帶著疑問，筆者直接看了一下Spring Boot Loader那一塊的源碼。發(fā)現(xiàn)Spring Boot對Java JDK的InflaterInputStream進行了包裝并且使用了Inflater，而Inflater本身用于解壓JAR包的需要用到堆外內(nèi)存。而包裝之后的類ZipInflaterInputStream沒有釋放Inflater持有的堆外內(nèi)存。于是筆者以為找到了原因，立馬向Spring Boot社區(qū)反饋了這個bug。但是反饋之后，筆者就發(fā)現(xiàn)Inflater這個對象本身實現(xiàn)了finalize方法，在這個方法中有調(diào)用釋放堆外內(nèi)存的邏輯。也就是說Spring Boot依賴于GC釋放堆外內(nèi)存。

筆者使用jmap查看堆內(nèi)對象時，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)基本上沒有Inflater這個對象了。于是就懷疑GC的時候，沒有調(diào)用finalize。帶著這樣的懷疑，筆者把Inflater進行包裝在Spring Boot Loader里面替換成自己包裝的Inflater，在finalize進行打點監(jiān)控，結果finalize方法確實被調(diào)用了。于是筆者又去看了Inflater對應的C代碼，發(fā)現(xiàn)初始化的使用了malloc申請內(nèi)存，end的時候也調(diào)用了free去釋放內(nèi)存。

此刻，筆者只能懷疑free的時候沒有真正釋放內(nèi)存，便把Spring Boot包裝的InflaterInputStream替換成Java JDK自帶的，發(fā)現(xiàn)替換之后，內(nèi)存問題也得以解決了。

這時，再返過來看gperftools的內(nèi)存分布情況，發(fā)現(xiàn)使用Spring Boot時，內(nèi)存使用一直在增加，突然某個點內(nèi)存使用下降了好多（使用量直接由3G降為700M左右）。這個點應該就是GC引起的，內(nèi)存應該釋放了，但是在操作系統(tǒng)層面并沒有看到內(nèi)存變化，那是不是沒有釋放到操作系統(tǒng)，被內(nèi)存分配器持有了呢？

繼續(xù)探究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)默認的內(nèi)存分配器（glibc 2.12版本）和使用gperftools內(nèi)存地址分布差別很明顯，2.5G地址使用smaps發(fā)現(xiàn)它是屬于Native Stack。內(nèi)存地址分布如下：

gperftools顯示的內(nèi)存地址分布

到此，基本上可以確定是內(nèi)存分配器在搗鬼；搜索了一下glibc 64M，發(fā)現(xiàn)glibc從2.11開始對每個線程引入內(nèi)存池（64位機器大小就是64M內(nèi)存），原文如下：

glib內(nèi)存池說明

按照文中所說去修改MALLOC_ARENA_MAX環(huán)境變量，發(fā)現(xiàn)沒什么效果。查看tcmalloc（gperftools使用的內(nèi)存分配器）也使用了內(nèi)存池方式。

為了驗證是內(nèi)存池搞的鬼，筆者就簡單寫個不帶內(nèi)存池的內(nèi)存分配器。使用命令gcc zjbmalloc.c -fPIC -shared -o zjbmalloc.so生成動態(tài)庫，然后使用export LD_PRELOAD=zjbmalloc.so替換掉glibc的內(nèi)存分配器。其中代碼Demo如下：

      
      #include<sys/mman.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h>
//作者使用的64位機器，sizeof(size_t)也就是sizeof(long)
void*?malloc?(?size_t?size?)
{
???long*?ptr?=?mmap(?0,?size?+?sizeof(long),?PROT_READ?|?PROT_WRITE,?MAP_PRIVATE?|?MAP_ANONYMOUS,?0,?0?);
???if?(ptr?==?MAP_FAILED)?{
???return?NULL;
???}
???*ptr?=?size;?????????????????????//?First?8?bytes?contain?length.
???return?(void*)(&ptr[1]);????????//?Memory?that?is?after?length?variable
}

void?*calloc(size_t?n,?size_t?size)?{
?void*?ptr?=?malloc(n?*?size);
?if?(ptr?==?NULL)?{
?return?NULL;
?}
?memset(ptr,?0,?n?*?size);
?return?ptr;
}
void?*realloc(void?*ptr,?size_t?size)
{
?if?(size?==?0)?{
?free(ptr);
?return?NULL;
?}
?if?(ptr?==?NULL)?{
?return?malloc(size);
?}
?long?*plen?=?(long*)ptr;
?plen--;??????????????????????????//?Reach?top?of?memory
?long?len?=?*plen;
?if?(size?<=?len)?{
?return?ptr;
?}
?void*?rptr?=?malloc(size);
?if?(rptr?==?NULL)?{
?free(ptr);
?return?NULL;
?}
?rptr?=?memcpy(rptr,?ptr,?len);
?free(ptr);
?return?rptr;
}

void?free?(void*?ptr?)
{
???if?(ptr?==?NULL)?{
??return;
???}
???long?*plen?=?(long*)ptr;
???plen--;??????????????????????????//?Reach?top?of?memory
???long?len?=?*plen;???????????????//?Read?length
???munmap((void*)plen,?len?+?sizeof(long));
}

通過在自定義分配器當中埋點可以發(fā)現(xiàn)其實程序啟動之后應用實際申請的堆外內(nèi)存始終在700M-800M之間，gperftools監(jiān)控顯示內(nèi)存使用量也是在700M-800M左右。但是從操作系統(tǒng)角度來看進程占用的內(nèi)存差別很大（這里只是監(jiān)控堆外內(nèi)存）。

筆者做了一下測試，使用不同分配器進行不同程度的掃包，占用的內(nèi)存如下：

內(nèi)存測試對比

為什么自定義的malloc申請800M，最終占用的物理內(nèi)存在1.7G呢？

因為自定義內(nèi)存分配器采用的是mmap分配內(nèi)存，mmap分配內(nèi)存按需向上取整到整數(shù)個頁，所以存在著巨大的空間浪費。通過監(jiān)控發(fā)現(xiàn)最終申請的頁面數(shù)目在536k個左右，那實際上向系統(tǒng)申請的內(nèi)存等于512k * 4k（pagesize） = 2G。為什么這個數(shù)據(jù)大于1.7G呢？

因為操作系統(tǒng)采取的是延遲分配的方式，通過mmap向系統(tǒng)申請內(nèi)存的時候，系統(tǒng)僅僅返回內(nèi)存地址并沒有分配真實的物理內(nèi)存。只有在真正使用的時候，系統(tǒng)產(chǎn)生一個缺頁中斷，然后再分配實際的物理Page。

總結

流程圖

整個內(nèi)存分配的流程如上圖所示。MCC掃包的默認配置是掃描所有的JAR包。在掃描包的時候，Spring Boot不會主動去釋放堆外內(nèi)存，導致在掃描階段，堆外內(nèi)存占用量一直持續(xù)飆升。當發(fā)生GC的時候，Spring Boot依賴于finalize機制去釋放了堆外內(nèi)存；但是glibc為了性能考慮，并沒有真正把內(nèi)存歸返到操作系統(tǒng)，而是留下來放入內(nèi)存池了，導致應用層以為發(fā)生了“內(nèi)存泄漏”。

所以修改MCC的配置路徑為特定的JAR包，問題解決。筆者在發(fā)表這篇文章時，發(fā)現(xiàn)Spring Boot的最新版本（2.0.5.RELEASE）已經(jīng)做了修改，在ZipInflaterInputStream主動釋放了堆外內(nèi)存不再依賴GC；所以Spring Boot升級到最新版本，這個問題也可以得到解決。