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

創(chuàng)新互聯(lián)服務(wù)項(xiàng)目包括蘆溪網(wǎng)站建設(shè)、蘆溪網(wǎng)站制作、蘆溪網(wǎng)頁制作以及蘆溪網(wǎng)絡(luò)營銷策劃等。多年來，我們專注于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，利用自身積累的技術(shù)優(yōu)勢、行業(yè)經(jīng)驗(yàn)、深度合作伙伴關(guān)系等，向廣大中小型企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)等提供互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的解決方案，蘆溪網(wǎng)站推廣取得了明顯的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。目前，我們服務(wù)的客戶以成都為中心已經(jīng)輻射到蘆溪省份的部分城市，未來相信會繼續(xù)擴(kuò)大服務(wù)區(qū)域并繼續(xù)獲得客戶的支持與信任！

背景

為了更好地實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目的管理，我們將組內(nèi)一個(gè)項(xiàng)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(bào)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(shí)際使用的物理內(nèi)存竟然高達(dá)7G，確實(shí)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(shí)際使用的物理內(nèi)存如下圖所示：

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

發(fā)現(xiàn)命令顯示的committed的內(nèi)存小于物理內(nèi)存，因?yàn)閖cmd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(dǎo)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(dǎo)致。

2. 使用系統(tǒng)層面的工具定位堆外內(nèi)存

因?yàn)楣P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：

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(yīng)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(rèn)的內(nèi)存分配器（glibc）。）

然后，使用strace去追蹤系統(tǒng)調(diào)用，因?yàn)槭褂胓perftools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:

接著，使用GDB去dump可疑內(nèi)存，因?yàn)槭褂胹trace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(jìn)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：

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

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

使用該mmap申請的地址空間在pmap對應(yīng)如下：

最后，使用jstack去查看對應(yīng)的線程，因?yàn)閟trace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(yīng)的線程棧（注意10進(jìn)制和16進(jìn)制轉(zhuǎn)換）如下：

這里基本上就可以看出問題來了：MCC（美團(tuán)統(tǒng)一配置中心）使用了Reflections進(jìn)行掃包，底層使用了Spring Boot去加載JAR。因?yàn)榻鈮篔AR使用Inflater類，需要用到堆外內(nèi)存，然后使用Btrace去追蹤這個(gè)類，棧如下：

然后查看使用MCC的地方，發(fā)現(xiàn)沒有配置掃包路徑，默認(rèn)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。

推薦一個(gè)開源免費(fèi)的 Spring Boot 最全教程：

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(gè)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？

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(jìn)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(gè)bug。但是反饋之后，筆者就發(fā)現(xiàn)Inflater這個(gè)對象本身實(shí)現(xiàn)了finalize方法，在這個(gè)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(shí)，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)基本上沒有Inflater這個(gè)對象了。于是就懷疑GC的時(shí)候，沒有調(diào)用finalize。帶著這樣的懷疑，筆者把Inflater進(jìn)行包裝在Spring Boot Loader里面替換成自己包裝的Inflater，在finalize進(jìn)行打點(diǎn)監(jiān)控，結(jié)果finalize方法確實(shí)被調(diào)用了。于是筆者又去看了Inflater對應(yīng)的C代碼，發(fā)現(xiàn)初始化的使用了malloc申請內(nèi)存，end的時(shí)候也調(diào)用了free去釋放內(nèi)存。

此刻，筆者只能懷疑free的時(shí)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(shí)，再返過來看gperftools的內(nèi)存分布情況，發(fā)現(xiàn)使用Spring Boot時(shí)，內(nèi)存使用一直在增加，突然某個(gè)點(diǎn)內(nèi)存使用下降了好多（使用量直接由3G降為700M左右）。這個(gè)點(diǎn)應(yīng)該就是GC引起的，內(nèi)存應(yīng)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(rèn)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：

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(gè)線程引入內(nèi)存池（64位機(jī)器大小就是64M內(nèi)存），原文如下：

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(yàn)證是內(nèi)存池搞的鬼，筆者就簡單寫個(gè)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(jī)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(dāng)中埋點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)程序啟動之后應(yīng)用實(shí)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(jìn)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(jìn)行不同程度的掃包，占用的內(nèi)存如下：

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?yàn)樽远x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(gè)頁，所以存在著巨大的空間浪費(fèi)。通過監(jiān)控發(fā)現(xiàn)最終申請的頁面數(shù)目在536k個(gè)左右，那實(shí)際上向系統(tǒng)申請的內(nèi)存等于512k * 4k（pagesize） = 2G。 為什么這個(gè)數(shù)據(jù)大于1.7G呢？

因?yàn)椴僮飨到y(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(shí)候，系統(tǒng)僅僅返回內(nèi)存地址并沒有分配真實(shí)的物理內(nèi)存。只有在真正使用的時(shí)候，系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)缺頁中斷，然后再分配實(shí)際的物理Page。

總結(jié)

整個(gè)內(nèi)存分配的流程如上圖所示。MCC掃包的默認(rèn)配置是掃描所有的JAR包。在掃描包的時(shí)候，Spring Boot不會主動去釋放堆外內(nèi)存，導(dǎo)致在掃描階段，堆外內(nèi)存占用量一直持續(xù)飆升。當(dāng)發(fā)生GC的時(shí)候，Spring Boot依賴于finalize機(jī)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(dǎo)致應(yīng)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(shí)，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(gè)問題也可以得到解決。

參考資料

1. GNU C Library (glibc)
2. Native Memory Tracking
3. Spring Boot
4. gperftools
5. Btrace

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