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learn.lianglianglee.com/专栏/Java并发编程实战/24 内存持续上升，我该如何排查问题？.md.html
周伟 0f006e4e9b add
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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>24 内存持续上升，我该如何排查问题？</h1>
<p>你好，我是刘超。</p>
<p>我想你肯定遇到过内存溢出，或是内存使用率过高的问题。碰到内存持续上升的情况，其实我们很难从业务日志中查看到具体的问题，那么面对多个进程以及大量业务线程，我们该如何精准地找到背后的原因呢？</p>
<h2>常用的监控和诊断内存工具</h2>
<p>工欲善其事，必先利其器。平时排查内存性能瓶颈时，我们往往需要用到一些 Linux 命令行或者 JDK 工具来辅助我们监测系统或者虚拟机内存的使用情况，下面我就来介绍几种好用且常用的工具。</p>
<h3>Linux 命令行工具之 top 命令</h3>
<p>top 命令是我们在 Linux 下最常用的命令之一，它可以实时显示正在执行进程的 CPU 使用率、内存使用率以及系统负载等信息。其中上半部分显示的是系统的统计信息，下半部分显示的是进程的使用率统计信息。</p>
<p><img src="assets/3633095ed54d1ef22fc08310497d6b49.jpg" alt="img" /></p>
<p>除了简单的 top 之外，我们还可以通过 top -Hp pid 查看具体线程使用系统资源情况：</p>
<p><img src="assets/1e4429a9785ae4e6c0884655ee8b5747.jpg" alt="img" /></p>
<h3>Linux 命令行工具之 vmstat 命令</h3>
<p>vmstat 是一款指定采样周期和次数的功能性监测工具，我们可以看到，它不仅可以统计内存的使用情况，还可以观测到 CPU 的使用率、swap 的使用情况。但 vmstat 一般很少用来查看内存的使用情况，而是经常被用来观察进程的上下文切换。</p>
<p><img src="assets/31a79622cdcadda4e9003b075378dc62.jpg" alt="img" /></p>
<ul>
<li>r：等待运行的进程数；</li>
<li>b：处于非中断睡眠状态的进程数；</li>
<li>swpd：虚拟内存使用情况；</li>
<li>free：空闲的内存；</li>
<li>buff：用来作为缓冲的内存数；</li>
<li>si：从磁盘交换到内存的交换页数量；</li>
<li>so：从内存交换到磁盘的交换页数量；</li>
<li>bi：发送到块设备的块数；</li>
<li>bo：从块设备接收到的块数；</li>
<li>in：每秒中断数；</li>
<li>cs：每秒上下文切换次数；</li>
<li>us：用户 CPU 使用时间；</li>
<li>sy：内核 CPU 系统使用时间；</li>
<li>id：空闲时间；</li>
<li>wa：等待 I/O 时间；</li>
<li>st：运行虚拟机窃取的时间。</li>
</ul>
<h3>Linux 命令行工具之 pidstat 命令</h3>
<p>pidstat 是 Sysstat 中的一个组件，也是一款功能强大的性能监测工具，我们可以通过命令：yum install sysstat 安装该监控组件。之前的 top 和 vmstat 两个命令都是监测进程的内存、CPU 以及 I/O 使用情况，而 pidstat 命令则是深入到线程级别。</p>
<p>通过 pidstat -help 命令，我们可以查看到有以下几个常用的参数来监测线程的性能：</p>
<p><img src="assets/90d26ef49ad94510062ac3f36727a346.jpg" alt="img" /></p>
<p>常用参数：</p>
<ul>
<li>-u：默认的参数，显示各个进程的 cpu 使用情况；</li>
<li>-r：显示各个进程的内存使用情况；</li>
<li>-d：显示各个进程的 I/O 使用情况；</li>
<li>-w：显示每个进程的上下文切换情况；</li>
<li>-p：指定进程号；</li>
<li>-t：显示进程中线程的统计信息。</li>
</ul>
<p>我们可以通过相关命令（例如 ps 或 jps）查询到相关进程 ID，再运行以下命令来监测该进程的内存使用情况：</p>
<p><img src="assets/184df3ee5ab0a920f506b3daa6250a61.jpg" alt="img" /></p>
<p>其中 pidstat 的参数 -p 用于指定进程 ID，-r 表示监控内存的使用情况，1 表示每秒的意思，3 则表示采样次数。</p>
<p>其中显示的几个关键指标的含义是：</p>
<ul>
<li>Minflt/s：任务每秒发生的次要错误，不需要从磁盘中加载页；</li>
<li>Majflt/s：任务每秒发生的主要错误，需要从磁盘中加载页；</li>
<li>VSZ：虚拟地址大小，虚拟内存使用 KB；</li>
<li>RSS：常驻集合大小，非交换区内存使用 KB。</li>
</ul>
<p>如果我们需要继续查看该进程下的线程内存使用率，则在后面添加 -t 指令即可：</p>
<p><img src="assets/3c9072c659a91b5f83cbc1a112ddcc72.jpg" alt="img" /></p>
<p>我们知道，Java 是基于 JVM 上运行的，大部分内存都是在 JVM 的用户内存中创建的，所以除了通过以上 Linux 命令来监控整个服务器内存的使用情况之外，我们更需要知道 JVM 中的内存使用情况。JDK 中就自带了很多命令工具可以监测到 JVM 的内存分配以及使用情况。</p>
<h3>JDK 工具之 jstat 命令</h3>
<p>jstat 可以监测 Java 应用程序的实时运行情况，包括堆内存信息以及垃圾回收信息。我们可以运行 jstat -help 查看一些关键参数信息：</p>
<p><img src="assets/42880a93eb63ae6854a7920e73a751e8.jpg" alt="img" /></p>
<p>再通过 jstat -option 查看 jstat 有哪些操作：</p>
<p><img src="assets/7af697d9cfd6002a49063ab2464d5f7d.jpg" alt="img" /></p>
<ul>
<li>-class：显示 ClassLoad 的相关信息；</li>
<li>-compiler：显示 JIT 编译的相关信息；</li>
<li>-gc：显示和 gc 相关的堆信息；</li>
<li>-gccapacity：显示各个代的容量以及使用情况；</li>
<li>-gcmetacapacity：显示 Metaspace 的大小；</li>
<li>-gcnew：显示新生代信息；</li>
<li>-gcnewcapacity：显示新生代大小和使用情况；</li>
<li>-gcold：显示老年代和永久代的信息；</li>
<li>-gcoldcapacity ：显示老年代的大小；</li>
<li>-gcutil：显示垃圾收集信息；</li>
<li>-gccause：显示垃圾回收的相关信息（通 -gcutil），同时显示最后一次或当前正在发生的垃圾回收的诱因；</li>
<li>-printcompilation：输出 JIT 编译的方法信息。</li>
</ul>
<p>它的功能比较多，在这里我例举一个常用功能，如何使用 jstat 查看堆内存的使用情况。我们可以用 jstat -gc pid 查看：</p>
<p><img src="assets/e59188982cf5b75243a8c333bfead068.jpg" alt="img" /></p>
<ul>
<li>S0C：年轻代中 To Survivor 的容量（单位 KB）；</li>
<li>S1C：年轻代中 From Survivor 的容量（单位 KB）；</li>
<li>S0U：年轻代中 To Survivor 目前已使用空间（单位 KB）；</li>
<li>S1U：年轻代中 From Survivor 目前已使用空间（单位 KB）；</li>
<li>EC：年轻代中 Eden 的容量（单位 KB）；</li>
<li>EU：年轻代中 Eden 目前已使用空间（单位 KB）；</li>
<li>OC：Old 代的容量（单位 KB）；</li>
<li>OU：Old 代目前已使用空间（单位 KB）；</li>
<li>MC：Metaspace 的容量（单位 KB）；</li>
<li>MU：Metaspace 目前已使用空间（单位 KB）；</li>
<li>YGC：从应用程序启动到采样时年轻代中 gc 次数；</li>
<li>YGCT：从应用程序启动到采样时年轻代中 gc 所用时间 (s)；</li>
<li>FGC：从应用程序启动到采样时 old 代（全 gc）gc 次数；</li>
<li>FGCT：从应用程序启动到采样时 old 代（全 gc）gc 所用时间 (s)；</li>
<li>GCT：从应用程序启动到采样时 gc 用的总时间 (s)。</li>
</ul>
<h3>JDK 工具之 jstack 命令</h3>
<p>这个工具在模块三的[答疑课堂]中介绍过，它是一种线程堆栈分析工具，最常用的功能就是使用 jstack pid 命令查看线程的堆栈信息，通常会结合 top -Hp pid 或 pidstat -p pid -t 一起查看具体线程的状态，也经常用来排查一些死锁的异常。</p>
<p><img src="assets/2869503e8d5460e36b3fd3e1a52a8888.jpg" alt="img" /></p>
<p>每个线程堆栈的信息中，都可以查看到线程 ID、线程的状态（wait、sleep、running 等状态）以及是否持有锁等。</p>
<h3>JDK 工具之 jmap 命令</h3>
<p>在[第 23 讲]中我们使用过 jmap 查看堆内存初始化配置信息以及堆内存的使用情况。那么除了这个功能，我们其实还可以使用 jmap 输出堆内存中的对象信息，包括产生了哪些对象，对象数量多少等。</p>
<p>我们可以用 jmap 来查看堆内存初始化配置信息以及堆内存的使用情况：</p>
<p><img src="assets/808870b42f5f6525d79f70fd287a293f.jpg" alt="img" /></p>
<p>我们可以使用 jmap -histo[:live] pid 查看堆内存中的对象数目、大小统计直方图，如果带上 live 则只统计活对象：</p>
<p><img src="assets/74f42fa2b48ceaff869472f6061c1c7b.jpg" alt="img" /></p>
<p>我们可以通过 jmap 命令把堆内存的使用情况 dump 到文件中：</p>
<p><img src="assets/f3c17fd9bb436599fb48cf151ee7ba17.jpg" alt="img" /></p>
<p>我们可以将文件下载下来，使用 <a href="https://www.eclipse.org/mat/">MAT</a> 工具打开文件进行分析：</p>
<p><img src="assets/3cc14844625cebcc1cdb836e5ccbfc43.jpg" alt="img" /></p>
<p>下面我们用一个实战案例来综合使用下刚刚介绍的几种工具，具体操作一下如何分析一个内存泄漏问题。</p>
<h2>实战演练</h2>
<p>我们平时遇到的内存溢出问题一般分为两种，一种是由于大峰值下没有限流，瞬间创建大量对象而导致的内存溢出；另一种则是由于内存泄漏而导致的内存溢出。</p>
<p>使用限流，我们一般就可以解决第一种内存溢出问题，但其实很多时候，内存溢出往往是内存泄漏导致的，这种问题就是程序的 BUG，我们需要及时找到问题代码。</p>
<p><strong>下面我模拟了一个内存泄漏导致的内存溢出案例，我们来实践一下。</strong></p>
<p>我们知道，ThreadLocal 的作用是提供线程的私有变量，这种变量可以在一个线程的整个生命周期中传递，可以减少一个线程在多个函数或类中创建公共变量来传递信息，避免了复杂度。但在使用时，如果 ThreadLocal 使用不恰当，就可能导致内存泄漏。</p>
<p>这个案例的场景就是 ThreadLocal，下面我们创建 100 个线程。运行以下代码，系统一会儿就发送了内存溢出异常：</p>
<pre><code>final static ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(100, 100, 1, TimeUnit.MINUTES,
new LinkedBlockingQueue&lt;&gt;());// 创建线程池，通过线程池，保证创建的线程存活
final static ThreadLocal&lt;Byte[]&gt; localVariable = new ThreadLocal&lt;Byte[]&gt;();// 声明本地变量
@RequestMapping(value = &quot;/test0&quot;)
public String test0(HttpServletRequest request) {
poolExecutor.execute(new Runnable() {
public void run() {
Byte[] c = new Byte[4096*1024];
localVariable.set(c);// 为线程添加变量
}
});
return &quot;success&quot;;
}
@RequestMapping(value = &quot;/test1&quot;)
public String test1(HttpServletRequest request) {
List&lt;Byte[]&gt; temp1 = new ArrayList&lt;Byte[]&gt;();
Byte[] b = new Byte[1024*20];
temp1.add(b);// 添加局部变量
return &quot;success&quot;;
}
</code></pre>
<p>在启动应用程序之前，我们可以通过 HeapDumpOnOutOfMemoryError 和 HeapDumpPath 这两个参数开启堆内存异常日志，通过以下命令启动应用程序：</p>
<pre><code>java -jar -Xms1000m -Xmx4000m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/tmp/heapdump.hprof -Xms1g -Xmx1g -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDetails -Xloggc:/tmp/heapTest.log heapTest-0.0.1-SNAPSHOT.jar
</code></pre>
<p>首先，请求 test0 链接 10000 次，之后再请求 test1 链接 10000 次，这个时候我们请求 test1 的接口报异常了。</p>
<p><img src="assets/60ab8d7847a55a9bcf84d17ecd11ebdc.jpg" alt="img" /></p>
<p>通过日志，我们很好分辨这是一个内存溢出异常。我们首先通过 Linux 系统命令查看进程在整个系统中内存的使用率是多少，最简单就是 top 命令了。</p>
<p><img src="assets/d2ad570e1fff2a64a1924c2852f93e37.jpg" alt="img" /></p>
<p>从 top 命令查看进程的内存使用情况，可以发现在机器只有 8G 内存且只分配了 4G 内存给 Java 进程的情况下，Java 进程内存使用率已经达到了 55%，再通过 top -Hp pid 查看具体线程占用系统资源情况。</p>
<p><img src="assets/6fdea40b5ff4f2f0744e019c3bef79a7.jpg" alt="img" /></p>
<p>再通过 jstack pid 查看具体线程的堆栈信息，可以发现该线程一直处于 TIMED_WAITING 状态，此时 CPU 使用率和负载并没有出现异常，我们可以排除死锁或 I/O 阻塞的异常问题了。</p>
<p><img src="assets/4bfb58d626f988260e016a2bdf0e8687.jpg" alt="img" /></p>
<p>我们再通过 jmap 查看堆内存的使用情况，可以发现，老年代的使用率几乎快占满了，而且内存一直得不到释放：</p>
<p><img src="assets/feb358259ea8b3ed2b67e868c101d271.jpg" alt="img" /></p>
<p>通过以上堆内存的情况，我们基本可以判断系统发生了内存泄漏。下面我们就需要找到具体是什么对象一直无法回收，什么原因导致了内存泄漏。</p>
<p>我们需要查看具体的堆内存对象，看看是哪个对象占用了堆内存，可以通过 jstat 查看存活对象的数量：</p>
<p><img src="assets/c5b89deb306a2c470e606fa9c49dd0d9.jpg" alt="img" /></p>
<p>Byte 对象占用内存明显异常，说明代码中 Byte 对象存在内存泄漏，我们在启动时，已经设置了 dump 文件，通过 MAT 打开 dump 的内存日志文件，我们可以发现 MAT 已经提示了 byte 内存异常：</p>
<p><img src="assets/4ceb91714afa77b54d1112a0e1f0c863.jpg" alt="img" /></p>
<p>再点击进入到 Histogram 页面，可以查看到对象数量排序，我们可以看到 Byte[] 数组排在了第一位，选中对象后右击选择 with incomming reference 功能，可以查看到具体哪个对象引用了这个对象。</p>
<p><img src="assets/5a651a2f52dfed72712543f7680de091.jpg" alt="img" /></p>
<p>在这里我们就可以很明显地查看到是 ThreadLocal 这块的代码出现了问题。</p>
<p><img src="assets/2bed3871097249d64ccf4c79d68109a2.jpg" alt="img" /></p>
<h2>总结</h2>
<p>在一些比较简单的业务场景下，排查系统性能问题相对来说简单，且容易找到具体原因。但在一些复杂的业务场景下，或是一些开源框架下的源码问题，相对来说就很难排查了，有时候通过工具只能猜测到可能是某些地方出现了问题，而实际排查则要结合源码做具体分析。</p>
<p>可以说没有捷径，排查线上的性能问题本身就不是一件很简单的事情，除了将今天介绍的这些工具融会贯通，还需要我们不断地去累积经验，真正做到性能调优。</p>
<h2>思考题</h2>
<p>除了以上我讲到的那些排查内存性能瓶颈的工具之外，你知道要在代码中对 JVM 的内存进行监控，常用的方法是什么？</p>
<p><strong>问题：</strong></p>
<p>老师是否可以讲下如何避免threadLocal内存泄漏呢</p>
<blockquote>
<p>我们知道，ThreadLocal是基于ThreadLocalMap实现的，这个Map的Entry继承了WeakReference，而Entry对象中的key使用了WeakReference封装，也就是说Entry中的key是一个弱引用类型，而弱引用类型只能存活在下次GC之前。</p>
<p>如果一个线程调用ThreadLocal的set设置变量，当前ThreadLocalMap则新增一条记录，但发生一次垃圾回收，此时key值被回收，而value值依然存在内存中，由于当前线程一直存在，所以value值将一直被引用。.</p>
<p>这些被垃圾回收掉的key就存在一条引用链的关系一直存在：Thread --&gt; ThreadLocalMap--&gt;Entry--&gt;Value，这条引用链会导致Entry不会回收，Value也不会回收，但Entry中的Key却已经被回收的情况，造成内存泄漏。</p>
<p>我们只需要在使用完该key值之后，通过remove方法remove掉，就可以防止内存泄漏了</p>
</blockquote>
<p>老师内存泄露和内存溢出具体有啥区别</p>
<blockquote>
<p>内存泄漏是指不再使用的对象无法得到及时的回收，持续占用内存空间，从而造成内存空间的浪费。例如，我们之前在第3讲中聊到的在Java6中substring方法可能会导致内存泄漏情况发生。当调用substring方法时会调用new string构造函数，此时会复用原来字符串的char数组，而如果我们仅仅是用substring获取一小段字符，而原本string字符串非常大的情况下，substring的对象如果一直被引用，由于substring的里面的char数组仍然指向原字符串，此时string字符串也无法回收，从而导致内存泄露。</p>
<p>内存溢出则是发生了OutOfMemoryException，内存溢出的情况有很多，例如堆内存空间不足，栈空间不足，以及方法区空间不足都会发生内存溢出异常。</p>
<p>内存泄漏与内存溢出的关系：内存泄漏很容易导致内存溢出，但内存溢出不一定是内存泄漏导致的。</p>
</blockquote>
</div>
</div>
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