一次内存泄露问题的排查

简介: 系统对外提供的Solr查询接口,在来自外部调用的压力加大之后,就会出现solr查询报Read Timed Out的异常,从表面现象上看是此时solr核压力过大,无法响应过多的查询请求。
系统对外提供的Solr 查询接口,在来自外部调用的压力加大之后,就会出现 solr 查询报 Read Timed Out 的异常,从表面现象上看是此时 solr 核压力过大,无法响应过多的查询请求。

      但实际上此时并发查询压力并不是很大,那么为何solr核会无法及时响应查询请求呢?首先用top查看了下load average,也是很低,也佐证了系统本身压力并不大。

      然后,用jstack –l <pid> 查看那些cpu使用率过高的线程,发现全都是GC线程,说明GC过于频繁,而且耗时过长,导致应用线程被挂起,无法响应客户端发来的请求,这种情况就应该是有存在内存泄露的问题咯。

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于是,就用jmap将进程的堆转储文件dump出来到heap.bin文件中

JMap -dump:format=b,file=/tmp/heap.bin <pid>

然后用Eclipse Memory AnalyzerMAT)打开堆转储文件进行分析

通常我们都会采用下面的三步曲来分析内存泄露问题:

首先,对问题发生时刻的系统内存状态获取一个整体印象。

第二步,找到最有可能导致内存泄露的元凶,通常也就是消耗内存最多的对象

    接下来,进一步去查看这个内存消耗大户的具体情况,看看是否有什么异常的行为。

下面将用一个基本的例子来展示如何采用三步曲来查看生产的分析报告。

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如上图所示,在报告上最醒目的就是一张简洁明了的饼图,从图上我们可以清晰地看到一个可疑对象消耗了系统75% 的内存。

现在,让我们开始真正的寻找内存泄露之旅,点击“Leak  Suspects”链接,可以看到如下图所示对可疑对象的详细分析报告。

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我们查看下从 GC 根元素到内存消耗聚集点的最短路径

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我们可以很清楚的看到整个引用链,内存聚集点是一个拥有大量对象的列表,如果你对代码比较熟悉的话,相信这些信息应该能给你提供一些找到内存泄露的思路了。

接下来,我们再继续看看,这个对象集合里到底存放了什么,为什么会消耗掉如此多的内存。

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在这张图上,我们可以清楚的看到,这个列表中保存了大量 HashMap 对象的引用,就是它导致的内存泄露。

至此,我们已经拥有了足够的信息去寻找泄露点,回到代码中就发现,List没有clear或者设置为null,导致其包含的强引用的各个HashMap没有得到释放。至此,问题得到解决。

下面我们来继续深入研究java的内存泄露问题。Java的一个重要优点就是通过垃圾收集器(Garbage CollectionGC)自动管理内存的回收,程序员不需要通过调用函数来释放内存。因此,很多程序员认为Java不存在内存泄漏问题,或者认为即使有内存泄漏也不是程序的责任,而是GCJVM的问题。其实,这种想法是不正确的,因为Java也存在内存泄露,但它的表现与C++不同。

随着越来越多的服务器程序采用Java技术,例如JSPServlet EJB等,服务器程序往往长期运行。另外,在很多嵌入式系统中,内存的总量非常有限。内存泄露问题也就变得十分关键,即使每次运行少量泄漏,长期运行之后,系统也是面临崩溃的危险。

为了判断Java中是否有内存泄露,我们首先必须了解Java是如何管理内存的。Java的内存管理就是对象的分配和释放问题。在Java中,程序员需要通过关键字new为每个对象申请内存空间 (基本类型除外),所有的对象都在堆 (Heap)中分配空间。另外,对象的释放是由GC决定和执行的。在Java中,内存的分配是由程序完成的,而内存的释放是有GC完成的,这种收支两条线的方法确实简化了程序员的工作。但同时,它也加重了JVM的工作。这也是Java程序运行速度较慢的原因之一。因为,GC为了能够正确释放对象,GC必须监控每一个对象的运行状态,包括对象的申请、引用、被引用、赋值等,GC都需要进行监控。

监视对象状态是为了更加准确地、及时地释放对象,而释放对象的根本原则就是该对象不再被引用。

为了更好理解GC的工作原理,我们可以将对象考虑为有向图的顶点,将引用关系考虑为图的有向边,有向边从引用者指向被引对象。另外,每个线程对象可以作为一个图的起始顶点,例如大多程序从main进程开始执行,那么该图就是以main进程顶点开始的一棵根树。在这个有向图中,根顶点可达的对象都是有效对象,GC将不回收这些对象。如果某个对象 (连通子图)与这个根顶点不可达(注意,该图为有向图),那么我们认为这个(这些)对象不再被引用,可以被GC回收。

以下,我们举一个例子说明如何用有向图表示内存管理。对于程序的每一个时刻,我们都有一个有向图表示JVM的内存分配情况。以下右图,就是左边程序运行到第6行的示意图。

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Java使用有向图的方式进行内存管理,可以消除引用循环的问题,例如有三个对象,相互引用,只要它们和根进程不可达的,那么GC也是可以回收它们的。这种方式的优点是管理内存的精度很高,但是效率较低。另外一种常用的内存管理技术是使用计数器,例如COM模型采用计数器方式管理构件,它与有向图相比,精度行低(很难处理循环引用的问题),但执行效率很高。

下面,我们就可以描述什么是内存泄漏。在Java中,内存泄漏就是存在一些被分配的对象,这些对象有下面两个特点,首先,这些对象是可达的,即在有向图中,存在通路可以与其相连;其次,这些对象是无用的,即程序以后不会再使用这些对象。如果对象满足这两个条件,这些对象就可以判定为Java中的内存泄漏,这些对象不会被GC所回收,然而它却占用内存。

C++中,内存泄漏的范围更大一些。有些对象被分配了内存空间,然后却不可达,由于C++中没有GC,这些内存将永远收不回来。在Java中,这些不可达的对象都由GC负责回收,因此程序员不需要考虑这部分的内存泄露。

通过分析,我们得知,对于C++,程序员需要自己管理边和顶点,而对于Java程序员只需要管理边就可以了(不需要管理顶点的释放)。通过这种方式,Java提高了编程的效率。

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因此,通过以上分析,我们知道在Java中也有内存泄漏,但范围比C++要小一些。因为Java从语言上保证,任何对象都是可达的,所有的不可达对象都由GC管理。

对于程序员来说,GC基本是透明的,不可见的。虽然,我们只有几个函数可以访问GC,例如运行GC的函数System.gc(),但是根据Java语言规范定义, 该函数不保证JVM的垃圾收集器一定会执行。因为,不同的JVM实现者可能使用不同的算法管理GC。通常,GC的线程的优先级别较低。JVM调用GC的策略也有很多种,有的是内存使用到达一定程度时,GC才开始工作,也有定时执行的,有的是平缓执行GC,有的是中断式执行GC。但通常来说,我们不需要关心这些。除非在一些特定的场合,GC的执行影响应用程序的性能,例如对于基于Web的实时系统,如网络游戏等,用户不希望GC突然中断应用程序执行而进行垃圾回收,那么我们需要调整GC的参数,让GC能够通过平缓的方式释放内存,例如将垃圾回收分解为一系列的小步骤执行,Sun提供的HotSpot JVM就支持这一特性。

   下面给出了一个简单的内存泄露的例子。在这个例子中,我们循环申请Object对象,并将所申请的对象放入一个Vector中,如果我们仅仅释放引用本身,那么Vector仍然引用该对象,所以这个对象对GC来说是不可回收的。因此,如果对象加入到Vector后,还必须从Vector中删除,最简单的方法就是将Vector对象设置为null

Vector v=new Vector(10); 

for (int i=1;i<100; i++)

{

    Object o=new Object();

    v.add(o);

    o=null;    

}

作者 phinecos

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董江,容器技术布道者及实践者,中国移动高级系统架构专家,曾担任华为云核心网技术专家,CloudNative社区核心成员,KubeServiceStack社区发起者,Prometheus社区PMC,Knative Committer,Grafana社区Contributer。 欢迎关注:https://kubeservice.cn/
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