调试排错 - Java 内存分析之堆外内存

Java 堆外内存分析相对来说是复杂的，美团技术团队的 Spring Boot引起的“堆外内存泄漏”排查及经验总结在新窗口打开可以为很多Native Code内存泄漏/占用提供方向性指引。@pdai

调试排错 - Java 内存分析之堆外内存

背景

为了更好地实现对项目的管理，我们将组内一个项目迁移到MDP框架（基于Spring Boot），随后我们就发现系统会频繁报出Swap区域使用量过高的异常。笔者被叫去帮忙查看原因，发现配置了4G堆内内存，但是实际使用的物理内存竟然高达7G，确实不正常。JVM参数配置是“-XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M -XX:+AlwaysPreTouch -XX:ReservedCodeCacheSize=128m -XX:InitialCodeCacheSize=128m, -Xss512k -Xmx4g -Xms4g,-XX:+UseG1GC -XX:G1HeapRegionSize=4M”，实际使用的物理内存如下图所示：

排查过程

使用Java层面的工具定位内存区域

使用Java层面的工具可以定位出堆内内存、Code区域或者使用unsafe.allocateMemory和DirectByteBuffer申请的堆外内存

笔者在项目中添加 -XX:NativeMemoryTracking=detailJVM 参数重启项目，使用命令 jcmd pid VM.native_memory detail 查看到的内存分布如下：

发现命令显示的committed的内存小于物理内存，因为jcmd命令显示的内存包含堆内内存、Code区域、通过unsafe.allocateMemory和DirectByteBuffer申请的内存，但是不包含其他Native Code（C代码）申请的堆外内存。所以猜测是使用Native Code申请内存所导致的问题。

为了防止误判，笔者使用了pmap查看内存分布，发现大量的64M的地址；而这些地址空间不在jcmd命令所给出的地址空间里面，基本上就断定就是这些64M的内存所导致。

使用系统层面的工具定位堆外内存

因为笔者已经基本上确定是Native Code所引起，而Java层面的工具不便于排查此类问题，只能使用系统层面的工具去定位问题。

首先，使用了gperftools去定位问题

gperftools的使用方法可以参考gperftools，gperftools的监控如下：

从上图可以看出：使用malloc申请的的内存最高到3G之后就释放了，之后始终维持在700M-800M。笔者第一反应是：难道Native Code中没有使用malloc申请，直接使用mmap/brk申请的？（gperftools原理就使用动态链接的方式替换了操作系统默认的内存分配器（glibc）。）

然后，使用strace去追踪系统调用

因为使用gperftools没有追踪到这些内存，于是直接使用命令“strace -f -e”brk,mmap,munmap” -p pid”追踪向OS申请内存请求，但是并没有发现有可疑内存申请。strace监控如下图所示:

接着，使用GDB去dump可疑内存

因为使用strace没有追踪到可疑内存申请；于是想着看看内存中的情况。就是直接使用命令gdp -pid pid进入GDB之后，然后使用命令dump memory mem.bin startAddress endAddressdump内存，其中startAddress和endAddress可以从/proc/pid/smaps中查找。然后使用strings mem.bin查看dump的内容，如下：

从内容上来看，像是解压后的JAR包信息。读取JAR包信息应该是在项目启动的时候，那么在项目启动之后使用strace作用就不是很大了。所以应该在项目启动的时候使用strace，而不是启动完成之后。

再次，项目启动时使用strace去追踪系统调用

项目启动使用strace追踪系统调用，发现确实申请了很多64M的内存空间，截图如下：

使用该mmap申请的地址空间在pmap对应如下：

最后，使用jstack去查看对应的线程

因为strace命令中已经显示申请内存的线程ID。直接使用命令jstack pid去查看线程栈，找到对应的线程栈（注意10进制和16进制转换）如下：

这里基本上就可以看出问题来了：MCC（美团统一配置中心）使用了Reflections进行扫包，底层使用了Spring Boot去加载JAR。因为解压JAR使用Inflater类，需要用到堆外内存，然后使用Btrace去追踪这个类，栈如下：

然后查看使用MCC的地方，发现没有配置扫包路径，默认是扫描所有的包。于是修改代码，配置扫包路径，发布上线后内存问题解决。

为什么堆外内存没有释放掉呢？

虽然问题已经解决了，但是有几个疑问：

为什么使用旧的框架没有问题？
为什么堆外内存没有释放？
为什么内存大小都是64M，JAR大小不可能这么大，而且都是一样大？
为什么gperftools最终显示使用的的内存大小是700M左右，解压包真的没有使用malloc申请内存吗？

带着疑问，笔者直接看了一下 Spring Boot Loader 在新窗口打开那一块的源码。发现Spring Boot对Java JDK的InflaterInputStream进行了包装并且使用了Inflater，而Inflater本身用于解压JAR包的需要用到堆外内存。而包装之后的类ZipInflaterInputStream没有释放Inflater持有的堆外内存。于是笔者以为找到了原因，立马向Spring Boot社区反馈了这个bug 在新窗口打开。但是反馈之后，笔者就发现Inflater这个对象本身实现了finalize方法，在这个方法中有调用释放堆外内存的逻辑。也就是说Spring Boot依赖于GC释放堆外内存。

笔者使用jmap查看堆内对象时，发现已经基本上没有Inflater这个对象了。于是就怀疑GC的时候，没有调用finalize。带着这样的怀疑，笔者把Inflater进行包装在Spring Boot Loader里面替换成自己包装的Inflater，在finalize进行打点监控，结果finalize方法确实被调用了。于是笔者又去看了Inflater对应的C代码，发现初始化的使用了malloc申请内存，end的时候也调用了free去释放内存。

此刻，笔者只能怀疑free的时候没有真正释放内存，便把Spring Boot包装的InflaterInputStream替换成Java JDK自带的，发现替换之后，内存问题也得以解决了。

这时，再返过来看gperftools的内存分布情况，发现使用Spring Boot时，内存使用一直在增加，突然某个点内存使用下降了好多（使用量直接由3G降为700M左右）。这个点应该就是GC引起的，内存应该释放了，但是在操作系统层面并没有看到内存变化，那是不是没有释放到操作系统，被内存分配器持有了呢？

继续探究，发现系统默认的内存分配器（glibc 2.12版本）和使用gperftools内存地址分布差别很明显，2.5G地址使用smaps发现它是属于Native Stack。内存地址分布如下：

到此，基本上可以确定是内存分配器在捣鬼；搜索了一下glibc 64M，发现glibc从2.11开始对每个线程引入内存池（64位机器大小就是64M内存），原文如下：

按照文中所说去修改MALLOC_ARENA_MAX环境变量，发现没什么效果。查看tcmalloc（gperftools使用的内存分配器）也使用了内存池方式。

为了验证是内存池搞的鬼，笔者就简单写个不带内存池的内存分配器。使用命令 gcc zjbmalloc.c -fPIC -shared -o zjbmalloc.so 生成动态库，然后使用 export LD_PRELOAD=zjbmalloc.so 替换掉glibc的内存分配器。其中代码Demo如下：

#include<sys/mman.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h>
//作者使用的64位机器，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

# 调试排错 - Java 内存分析之堆外内存

# 背景

# 排查过程

# 使用Java层面的工具定位内存区域

# 使用系统层面的工具定位堆外内存

# 首先，使用了gperftools去定位问题

# 然后，使用strace去追踪系统调用

# 接着，使用GDB去dump可疑内存

# 再次，项目启动时使用strace去追踪系统调用

# 最后，使用jstack去查看对应的线程

# 为什么堆外内存没有释放掉呢？