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Java 记一次 Java 应用内存泄漏的定位过程

rihkddd · 2020年06月03日 · 最后由 jing2015 回复于 2020年11月02日 · 10344 次阅读
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问题现象

最近，笔者负责测试的某个算法模块机器出现大量报警，报警表现为机器 CPU 持续高占用。该算法模块是一个优化算法，本身就是 CPU 密集型应用，一开始怀疑可能是算法在正常运算，但很快这种猜测就被推翻：同算法同学确认后，该算法应用只使用了一个核心，而报警时，一个算法进程占用了服务机器的全部 8 个核心，这显然不是正常计算造成的。

定位步骤

首先按照 CPU 问题的定位思路进行定位，对 Java 调用堆栈进行分析：

  1. 使用top -c 查看 CPU 占用高的进程：
    ，从 top 命令的结果看，19272 号进程 CPU 占用率最高，基本确定问题是该进程引起，可以从 Command 栏看到这正是算法模块程序，注意图是线下 4C 机器上复现时的截图。

  2. 使用ps -mp pid -o THREAD,tid,time命令定位问题线程。

    ps -mp 19272 -o THREAD,tid,time
USER     %CPU PRI SCNT WCHAN  USER SYSTEM   TID     TIME
USER    191   -    - -         -      -     - 00:36:54
USER    0.0  19    - futex_    -      - 19272 00:00:00
USER   68.8  19    - futex_    -      - 19273 00:13:18
USER   30.2  19    - -         -      - 19274 00:05:50
USER   30.2  19    - -         -      - 19275 00:05:50
USER   30.2  19    - -         -      - 19276 00:05:50
USER   30.1  19    - -         -      - 19277 00:05:49
USER    0.4  19    - futex_    -      - 19278 00:00:05
USER    0.0  19    - futex_    -      - 19279 00:00:00
USER    0.0  19    - futex_    -      - 19280 00:00:00
USER    0.0  19    - futex_    -      - 19281 00:00:00
USER    0.4  19    - futex_    -      - 19282 00:00:04
USER    0.3  19    - futex_    -      - 19283 00:00:03
USER    0.0  19    - futex_    -      - 19284 00:00:00
USER    0.0  19    - futex_    -      - 19285 00:00:00
USER    0.0  19    - futex_    -      - 19286 00:00:00
USER    0.0  19    - skb_wa    -      - 19362 00:00:00

    从结果可以看到，出现问题的线程主要是 19273-19277。

  3. 使用jstack查看出现问题的线程堆栈信息。

由于 jstack 使用的线程号是十六进制，因此需要先把线程号从十进制转换为十六进制。

$ printf "%x\n" 19273
4b49
$ jstack 12262 |grep -A 15 4b49
"main" #1 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f98c404c000 nid=0x4b49 runnable [0x00007f98cbc58000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE
    at java.util.ArrayList.iterator(ArrayList.java:840)
    at optional.score.MultiSkuDcAssignmentEasyScoreCalculator.updateSolution(MultiSkuDcAssignmentEasyScoreCalculator.java:794)
    at optional.score.MultiSkuDcAssignmentEasyScoreCalculator.calculateScore(MultiSkuDcAssignmentEasyScoreCalculator.java:80)
    at optional.score.MultiSkuDcAssignmentEasyScoreCalculator.calculateScore(MultiSkuDcAssignmentEasyScoreCalculator.java:17)
    at org.optaplanner.core.impl.score.director.easy.EasyScoreDirector.calculateScore(EasyScoreDirector.java:60)
    at org.optaplanner.core.impl.score.director.AbstractScoreDirector.doAndProcessMove(AbstractScoreDirector.java:188)
    at org.optaplanner.core.impl.localsearch.decider.LocalSearchDecider.doMove(LocalSearchDecider.java:132)
    at org.optaplanner.core.impl.localsearch.decider.LocalSearchDecider.decideNextStep(LocalSearchDecider.java:116)
    at org.optaplanner.core.impl.localsearch.DefaultLocalSearchPhase.solve(DefaultLocalSearchPhase.java:70)
    at org.optaplanner.core.impl.solver.AbstractSolver.runPhases(AbstractSolver.java:88)
    at org.optaplanner.core.impl.solver.DefaultSolver.solve(DefaultSolver.java:191)
    at app.DistributionCenterAssignmentApp.main(DistributionCenterAssignmentApp.java:61)

"VM Thread" os_prio=0 tid=0x00007f98c419d000 nid=0x4b4e runnable

"GC task thread#0 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x00007f98c405e800 nid=0x4b4a runnable

"GC task thread#1 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x00007f98c4060800 nid=0x4b4b runnable

"GC task thread#2 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x00007f98c4062800 nid=0x4b4c runnable

"GC task thread#3 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x00007f98c4064000 nid=0x4b4d runnable

"VM Periodic Task Thread" os_prio=0 tid=0x00007f98c4240800 nid=0x4b56 waiting on condition

可以看到，除了 0x4b49 线程是正常工作线程，其它都是 gc 线程。

此时怀疑：是频繁 GC 导致的 CPU 被占满。

我们可以使用 jstat 命令查看 GC 统计：

$ jstat -gcutil 19272 2000 10
S0     S1     E      O      M     CCS    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT
0.00   0.00  22.71 100.00  97.16  91.53   2122   19.406   282  809.282  828.688
0.00   0.00 100.00 100.00  97.16  91.53   2122   19.406   283  809.282  828.688
0.00   0.00  92.46 100.00  97.16  91.53   2122   19.406   283  812.730  832.135
0.00   0.00 100.00 100.00  97.16  91.53   2122   19.406   284  812.730  832.135
0.00   0.00 100.00 100.00  97.16  91.53   2122   19.406   285  815.965  835.371
0.00   0.00 100.00 100.00  97.16  91.53   2122   19.406   285  815.965  835.371
0.00   0.00 100.00 100.00  97.16  91.53   2122   19.406   286  819.492  838.898
0.00   0.00 100.00 100.00  97.16  91.53   2122   19.406   286  819.492  838.898
0.00   0.00 100.00 100.00  97.16  91.53   2122   19.406   287  822.751  842.157
0.00   0.00  30.78 100.00  97.16  91.53   2122   19.406   287  825.835  845.240

重点关注一下几列：
YGC：年轻代垃圾回收次数
YGCT：年轻代垃圾回收消耗时间
FGC：老年代垃圾回收次数
FGCT：老年代垃圾回收消耗时间
GCT：垃圾回收消耗总时间
可以看到，20s 的时间中进行了 5 次 full GC，仅仅耗费在 GC 的时间已经到了 17s。

  1. 增加启动参数，展示详细 GC 过程。 通过增加 jvm 参数，更快暴露 GC 问题，并展示 GC 详细过程java -Xmx1024m -verbose:gc。
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->705881K(1047552K), 1.8974837 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->706191K(1047552K), 2.5837756 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->706506K(1047552K), 2.6142270 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->706821K(1047552K), 1.9044987 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->707130K(1047552K), 2.0856625 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->707440K(1047552K), 2.6273944 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->707755K(1047552K), 2.5668877 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->708068K(1047552K), 2.6924427 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->708384K(1047552K), 3.1084132 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->708693K(1047552K), 1.9424100 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->709007K(1047552K), 1.9996261 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->709314K(1047552K), 2.4190958 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->709628K(1047552K), 2.8139132 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->709945K(1047552K), 3.0484079 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->710258K(1047552K), 2.6983539 secs]
[Full GC (Ergonomics)  1046527K->710571K(1047552K), 2.1663274 secs]

至此基本可以确定，CPU 高负载的根本原因是内存不足导致频繁 GC。

根本原因

虽然我们经过上面的分析可以知道，是频繁 GC 导致的 CPU 占满，但是并没有找到问题的根本原因，因此也无从谈起如何解决。GC 的直接原因是内存不足，怀疑算法程序存在内存泄漏。

为什么会内存泄漏

虽然 Java 语言天生就有垃圾回收机制，但是这并不意味着 Java 就没有内存泄漏问题。

正常情况下，在 Java 语言中如果一个对象不再被使用，那么 Java 的垃圾回收机制会及时把这些对象所占用的内存清理掉。但是有些情况下，有些对象虽然不再被程序使用，但是仍然有引用指向这些对象，所以垃圾回收机制无法处理。随着这些对象占用内存数量的增长，最终会导致内存溢出。

Java 的内存泄漏问题比较难以定位，下面针对一些常见的内存泄漏场景做介绍：

  1. 持续在堆上创建对象而不释放。例如，持续不断的往一个列表中添加对象，而不对列表清空。这种问题，通常可以给程序运行时添加 JVM 参数-Xmx 指定一个较小的运行堆大小，这样可以比较容易的发现这类问题。
  2. 不正确的使用静态对象。因为 static 关键字修饰的对象的生命周期与 Java 程序的运行周期是一致的，所以垃圾回收机制无法回收静态变量引用的对象。所以，发生内存泄漏问题时，我们要着重分析所有的静态变量。
  3. 对大 String 对象调用 String.intern() 方法，该方法会从字符串常量池中查询当前字符串是否存在，若不存在就会将当前字符串放入常量池中。而在 jdk6 之前，字符串常量存储在 PermGen 区的，但是默认情况下 PermGen 区比较小，所以较大的字符串调用此方法，很容易会触发内存溢出问题。
  4. 打开的输入流、连接没有争取关闭。由于这些资源需要对应的内存维护状态，因此不关闭会导致这些内存无法释放。

如何进行定位

以上介绍了一些常见的内存泄漏场景，在实际的问题中还需要针对具体的代码进行确定排查。下面结合之前的频繁 GC 问题，讲解一下定位的思路，以及相关工具的使用方法。

线上定位

对于线上服务，如果不能开启 Debug 模式，那么可用的工具较少。推荐方式：
使用 top -c 命令查询 Java 高内存占用程序的进程 pid。然后使用 jcmd 命令获取进程中对象的计数、内存占用信息。

$ jcmd 24600 GC.class_histogram |head -n 10
24600:

 num     #instances         #bytes  class name
----------------------------------------------
   1:       2865351      103154208  [J
   2:       1432655       45844960  org.optaplanner.core.impl.localsearch.scope.LocalSearchMoveScope
   3:       1432658       34383792  org.optaplanner.core.api.score.buildin.bendablelong.BendableLongScore
   4:       1193860       28652640  org.optaplanner.core.impl.heuristic.selector.move.generic.ChangeMove
   5:        241961       11986056  [Ljava.lang.Object;
   6:        239984        5759616  java.util.ArrayList

结果中，#instances 为对象数量，#bytes 为占用内存大小，单位是 byte，class name 为对应的类名。
排名第一的是 Java 原生类型，实际上是 long 类型。

另外，要注意的是结果中的类可能存在包含关系，例如一个类中含有多个 long 类型数据，那 long 对应的计数也会增加，所以我们要排除一些基本类型，它们可能是我们程序中使用导致的计数增加，重点关注我们程序中的类。

如果仅仅有 jcmd 的结果，其实很难直接找到问题的根本原因。如果问题不能在线下复现，我们基本上只能针对计数较多的类名跟踪变量的数据流，重点关注 new 对象附近的代码逻辑。观察代码逻辑时，重点考虑上述几种常见内存泄漏场景。

线下定位

如果内存泄漏问题可以在线下复现，那么问题定位的工具就比较丰富了。下面主要推荐的两种工具，VisualVM & IDEA。

这里主要讲一下 IDEA 调试定位思路：

使用 IDEA 调试器定位内存泄漏问题

如果以上过程依然不能有效的分析出问题的根本原因，还可以使用 IDEA 的调试功能进行定位。
配置好程序的运行参数，正常复现问题之后，对程序打断点并逐步追踪。

重点关注的是程序需要大量运行时间的代码部分，我们可以使用调试暂停功能获得一个内存快照。
然后在此运行并暂停，这时候在调试的 Memory 视图中可以看到哪些类在快速增加。基本上可以断定问题的原因是两次运行中 new 该对象的语句。

定位结果

经过上述定位步骤，最终发现问题的根本原因，在求解器的 LocalSearch 阶段，如果使用了禁忌搜索（Tabu Search）策略，并且长时间找不到更好的解，会不断把当前经历过的解加到禁忌表中。对应的代码部分，finalListScore 是一个 list，在 55 行代码不断的添加 moveScope 对象，导致了内存泄漏：

解决方案

在求解器该处代码对 finalListScore 进行长度限制，添加对象前发现达到了上限就清空，彻底避免内存泄漏的发生。由于出问题的是一个开源求解器框架：optaplanner，为了方便以后维护，按照开源项目贡献流程，把改 fix 提 PR 给项目即可，如何给开源项目提 PR 可以参考社区文章：https://testerhome.com/topics/2114。

细节参考 PR 链接：https://github.com/kiegroup/optaplanner/pull/726。
项目维护者从代码维护的角度没有接受这个 PR，但是使用了类似的 fix 思路最终修复了这个存在了几年 bug：https://github.com/kiegroup/optaplanner/pull/763。

最后，算法模块升级到最新版本的 optaplanner 依赖即可修复该问题。

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恒温 将本帖设为了精华贴 06月03日 17:19
蓝蓝 #2 · 2020年06月04日

不错啊！java 内存泄漏定位不是可以 jmap 下来，然后用 mat 就能看出来了么

Lie #3 · 2020年06月04日

小白有两个疑问：
1.top 看 cpu，java 进程 cpu 占用了 364%，应该是占用 4 个 cpu，核心为 2 个（超线程）或 4 个，何来 “全部 8 个核心” 的说法。（此处为知识扫盲）

2.GC 的直接原因是内存不足，怀疑算法程序存在内存泄漏

作为一个测试人员如何判断：程序是占用这么多内存 or 程序存在内存泄漏？

总而言之，还是学到了。我也查到过占用 cpu 的是 GC 行为，但是提交给研发后没有程序相关代码就说看不出来有问题😂 以后我可以给他指一下方向了

还有，我们通常是在内存达到上限无法回收的时候才认为内存这块程序上有问题。但是当内存在上限之前一秒能回收，观察到内存接近上限时，应用就慢了，回收后又正常。这种情况小白感觉是有问题的，但是经验不足，没法解释。希望大佬能帮忙分析下，给下思路

rihkddd #4 · 2020年06月04日 Author
对 Lie 回复

  1. 看的很细心，是有点问题，原因是这样，报警的是线上服务机器是 8C 的，当时持续时间较长，而且服务是混部的，为了整体服务稳定，让 op 手动重启服务了，所以没留下现场信息。后面的截图都是线下测试环境重现时候的截图，线下机器配置是 4C，已在正文指出。

  2. 当我们说内存泄漏：https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_leak ，其实隐含了是内存不合理的使用行为，相对应的是你提到的程序正常使用（其实两者没有严格的区分，存在一些灰色的地带），这些都是对内存使用行为的描述，但我们关注的是结果，也就是内存不足时引发的频繁 GC，这回导致 CPU 高占用，服务不可用或者延迟突增。所以，是什么原因其实没有不重要，出现这种情况都是需要暴露出来的问题。
    然后是技术层面，如何确认造成内存高占用原因的合理性（前面提到的灰色地带），首先需要定位到根本原因，然后要结合实际情况看合理性。举几个例子：如果一个程序，为了高性能，需要大量的内存作为缓存，但是客观实际是机器没有那么多内存，那就不合理，如果内存很多那就很合理。然后看文中指出的例子，对程序基本没有好处，但是内存占用却很大，那合理性就基本没有。

Update：看了你补充的问题，没遇到过类似问题，信息不足，所以给不出什么建议。另外，我定位这个问题之前之前对 Java 也基本没什么了解，相关知识都是定位过程中学习的，也不是什么大佬，同样你也不用小白自居。遇到问题解决问题就行了。

开普敦人 #5 · 2020年06月04日

常规套路 分析法

simple #6 · 2020年06月04日

喜欢这种循序渐进，接近真相的文章

0x88 #7 · 2020年06月05日 3 个赞

写得不错，但分析好像有点瑕疵。
1、gc 对于系统来说是很正常的，尤其是 ygc。不能说 gc 就会有问题。但 gc 一定会导致运行速度变慢，所以要对 jvm 调优
2、要用 top -H 看线程，看哪个线程的内存一直再涨或者使用很高。线程 id 的 16 进制等于 jstack 里面的 nid。Jstack 找到有内存问题的线程然后再看干了啥。堆栈会找到对应的代码。
以上可能定位问题会更快一点。

rihkddd #8 · 2020年06月05日 Author
对 0x88 回复

多谢指出问题。

  1. 你说的对，但是似乎原文没有体现 GC 一定有问题的意思，如果有请指出以便修正。
  2. 实践了一下 top -H 看到的线程的内存信息和进程一致（同一 Java 应用进程的程的内存信息一样）。实际上当时面对的问题是 CPU 使用率报警，并不是一开始就知道是内存问题。另外 “Jstack 找到有内存问题的线程然后再看干了啥”，具体是指什么呢？
0x88 #9 · 2020年06月05日
对 rihkddd 回复

线程 id 转成 16 进制等于 jstack 里面的 nid，如果你判断哪个线程有问题，那么你能通过线程 id 找到对应的堆栈，堆栈有了，哪段代码有问题就一目了然，就不是需要用 idea 打断点。

rihkddd #10 · 2020年06月05日 Author
对 0x88 回复

理论上有可能，但是实际上会有很多问题，就文中的例子，有打出堆栈，代码也是开源的，当时我们很多人定位这个问题，包括熟悉该框架的算法工程师，都没有找到原因。再举个例子，美团技术博客的文章：https://tech.meituan.com/2018/10/18/netty-direct-memory-screening.html ，之前也找了不少资料，个人觉得 Java 的内存泄漏很难做到仅凭堆栈就一目了然，不如你给个例子？

0x88 #11 · 2020年06月05日
对 rihkddd 回复

个人经验哈，不同项目有不同的做法。我只是说一个可能性的方法，语言上表达有点过于肯定，不是必然哈。

Ouroboros #12 · 2020年06月08日

感谢分享

大海 #13 · 2020年06月09日

循序渐进地分析讲解，太赞了

kevin #14 · 2020年09月27日

绝对的赞

zwm #15 · 2020年10月13日

目前只能仰望，分享实际分析过程实在太赞了。

fangzhu #16 · 2020年10月15日

谢谢分享，

jing2015 #17 · 2020年11月02日

非常好，谢谢分享

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