微服务常见内存泄漏实战分析

红太狼 2023-10-12 10:29 40阅读 0赞

## 一、背景 ##

最近发现线上环境偶尔会出现Pod重启的情况，虽然重启大法（K8S会自动维护Pod数，Pod出了问题会自动重启，感兴趣的话可以去了解K8S的机制）很有效，但是终归不是根本的解决办法，我们需要了解为什么会重启，然后解决它，不单单是技术人的觉悟，更重要的还是money（狗头微笑），万一哪天重要的服务跪了影响到用户，非得被老板扒层皮。

在这个背景下，我们需要针对Pod进行监控，然而，事情并没有那么简单。在成功上线后，线上频繁告警。这个刚松了口气的我突然紧张了起来，看了一眼钉钉告警消息，虽然不是Pod重启，但是却发现有好几个服务出现了堆内存占用率超过90%的情况，这下就很酸爽了……

在这里，把一些常见的内存泄漏情况分析给大家，欢迎指教。

## 二、首先弄清楚内存泄漏和内存溢出 ##

简单地说，内存泄漏（Memory leak）就是在内存中有很多对象没有被回收，一直占着内存；而内存溢出就是我们常说的OOM了。

内存泄漏最终可能会导致内存溢出，因此我们需要针对上面说的内存占用率超过90%的服务进行分析，找到问题才能解决问题，防止OOM。

## 三、怎么排查呢 ##

首先当然是看配置的堆内存大小了，这些服务有的配了512M，有的配置了1024M，虽然可以直接修改Pod分配的内存大小以及java应用的启动参数来实现内存扩容，但是难保有一天继续出现内存泄漏或者内存溢出而重启的问题。

因此，我们第二步就是老实本分地把Dump文件拿下来分析一下。

## 四、工具 ##

（1）首先准备好工具，这里我本着免费的原则，找了俩个，一个是jdk自带的jvisualvm.exe，还有就是MAT了。

（2）拿到dump文件后开始用工具分析，这里我比较推荐MAT，个人使用起来觉得jvisualvm不如MAT好用，MAT能快速给你定位到大对象，还有一些其他的功能，可以俩个一起用，先jvisualvm（JDK自带，不用额外下载），没有结果就用MAT。

## 五、真正的分析从这里开始 ##

在下面，会列举4种遇到的导致内存泄漏的场景，通过图+部分源码的方式展示，另外2种很容易找到问题，简单略过。 PS:部分参考链接需翻墙。

### （一）mongodb ###

正确来讲是mongodb驱动。 首先打开MAT，将hprof文件载入，可以看到Biggest Objects的饼图，我们直接看最大的那个：

![format_png][]

选中最大的那个，右键选择List objects。打开后可以看到：

![format_png 1][]

打开后如此图，我们点击Retained Heap进行降序，然后逐步展开这个对象树。

这里解释一下Shallow Heap和Retained Heap的区别，Shallow Heap是浅层堆，主要是对象本身，也就是对象头+成员变量（不包含值）；而Retained Heap是保留堆，指的是一个对象被释放后，能释放的对象的所有引用的堆大小。因此，Retained Heap能更实际地反映堆占用大小，也是我们重点关注的地方。

我们可以直接看到这个类是mongodb的，于是到idea中搜一下这个类，发现这个类是mongodb的驱动包内的，如下：

![format_png 2][]

接下来就是看这个类是干啥的，为什么会是biggest object？

单从名字（2次幂缓存池）看就是mongodb连接池相关的类，我们要全局了解就看源码，但是为了快速解决问题，我们可以直接google搜，也可以直接上github和stackoverflow上找答案（度娘不值得）。

下面是大神的解释：

![format_png 3][]

[参考链接][Link 1]

简单说就是PowerOfTwoBufferPool大对象存在是必要的，一个是为了避免GC进行大对象的回收，GC对大对象的回收成本大、耗时长；二是为了预留足够的内存用于应用大批量来自mongodb的数据查询。

此刻，我就在想，这个时间是2019年，但是过去好几年，有没可能其实已经被优化了呢，于是在这个[链接][Link 2]上面发现了蛛丝马迹。

这个上面是在2022年讨论的，主要说的是开启了压缩后，mongo的java驱动导致了内存泄漏，然后在4.5.1版本修复了这个bug。咋一看好像没有特别多的东西，但是既然有修复，那应该是有所优化的。 然后我在网上这个[文章][Link 3]上面看到可以调整参数，这个惊喜到我了，调整参数是一个很不错的办法，还不用重启。但保险起见，我还是去看了对应工程的pom.xml，发现用的spring-boot-starter-data-mongodb版本太老。

![format_png 4][]

它甚至没有引入mongodb-driver-async这个异步包，该异步包在spring-data-mongodb中是可选的，引入的话就能够支持到异步。 （注：mongodb-driver有4个主要的包，core是基础的核心包，而java-driver已经不维护了，转向driver-sync以及driver-async）

因此，我将**mongodb-driver-async**这个异步包引入，且将spring-boot-starter-data-mongodb更新到**比较新的版本**，然后发布上去。  
原本经常这个服务90%以上的告警在后面的半个月时间内都没有再出现，查看该pod的堆内存占用率也降到了75%以下，偶尔会超过，但没有再超过80%。

至此，问题得到解决。

### （二）mysql ###

跟上面的mongodb相似，这里说的mysql也是驱动相关的，但是为什么呢？直接看图

![format_png 5][]

在这里我们可以看到在mysql驱动包下面有这个AbandonedConnectionCleanupThread的类，这个类作用是什么呢？ 请看源码：

![format_png 6][]

我们知道，幻象引用（虚引用）的作用之一就是跟踪GC情况的，幻象引用必须和引用队列 （ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有幻象引用，就会在回收对象的内存之前，把这个幻象引用加入到与之关联的引用队列中。

那么问题来了，为什么堆内存中会占用这些对象呢？

这里我给出github上一个大佬的俩个分析链接

[github.com/nethibernat…][github.com_nethibernat]

[github.com/nethibernat…][github.com_nethibernat 1]

第一个是针对上面AbandonedConnectionCleanupThread的回收说明，第二个是和Hikari相关的参数说明，这俩个都很值得一看，尽管第一个没有得出结论，但是这个思路非常清晰，值得读者借鉴。

我说一下看完这些之后的观点，首先mysql连接池中的连接对象是可复用的，但是复用的对象假设没有在年轻代中回收，就会进入老年代，我们只到老年代的GC需要等到堆内存占用达到一定程度才会进行Full GC，此时可能堆内存占用已经达到我们上所说的90%的告警比率了。

通常**Full GC的触发时机有4个**：

（1）年轻代全部对象大小 > 老年代剩余空间

（2）从年轻代存活超过15次后进入老年代的对象大小 > 老年代剩余空间

（3）Survivor区中不足以容纳年轻代中存活下来的对象，此时这部分的对象大小 > 老年代剩余空间

（4）如果是CMS收集器，老年代剩余空间 < 参数比例

由于我们没有采用CMS收集器，可以考虑的是上面三种，在上面三种情况下，无论哪一种都可能会造成上面AbandonedConnectionCleanupThread中留下了很多准备销毁的mysql连接对象。因为正常情况下，我们希望在15次minorGC内，连接对象可以被回收，即使一个连接对象会被不断复用，但一定时间范围内minor GC发生的次数并不会很多，只要连接对象被复用且15次minor GC内完成，就可以确保不会被堆积到老年代，尽管还是会存在，但我们有办法可以减少这种情况的发生。例如**调整Hikari的maxLifetime**，将该参数值降低，但需要保持在一个**可控的范围**内，不能超过mysql的连接最大存活时间，否则会出现mysql将连接断开，而Hikari还维持的情况（这个在网上有很多解释，可以自行搜索）。但是也不能设太小，因为在一个热点服务的工程中，mysql连接的复用是非常重要的，可以降低连接的创建成本，这个需要根据对应服务工程的mysql调用频率进行调整。当然，调高Hikari的最大连接数和最小连接数等其他参数也会有一定的辅助作用。

接下来说一下**为什么调整这些参数**，假设不调整，也不在乎这个90%阈值的堆内存告警。当某一天服务堆内存占用达到90%以上，然后突然有一大波流量持续地进来，这个时候可能已经OOM了，在没有使用k8s管理的情况下，服务已经不可用。即便在没有OOM的情况下，进行了full GC，在full GC期间，这波请求可能被阻塞住，从而影响用户的使用。因此，针对一段时间范围内堆内存占用过高的情况，我们可以相应地进行优化，以提前降低甚至规避风险。

### （三）OkHttpClient ###

为什么这个会造成堆内存占用过高呢？直接说结论：使用不当。

首先，看这个图（该图是演示jvisualvm.exe的使用）

![format_png 7][]

在这个图中，我们看到HashMap的Node竟然占到了61%，我们直接点进去看实例，如下图：

![format_png 8][]

![format_png 9][]

选择其中一个Node，观察右下角，OKio赫然在列，立马就可以想到一定是用了OKHttp进行远程调用导致的，但是为什么会出现这么多呢? 直接翻看工程代码，发现在封装的HttpUtil中，每次调用，都会new一个OkHttp，这个可就惊呆我了。 直接看源码：

![format_png 10][]

![format_png 11][]

![format_png 12][]

![format_png 13][]

看到了吗，这就是为什么在dump文件分析结果中会出现这么多SSLContextImpl的原因。

找到问题就等于解决了一半，每次调用都new有问题，那我们就应该考虑是不是提取出来，直接做成**单例模式**（懒汉、饿汉、枚举等都可以实现单例模式，也有可以参考的工具类，可以自行搜索），这样就不会出现这个问题了，至此，问题解决。

在这里，我们需要时刻铭记单例模式的好处~~~

### （四）Spring-boot-starter-actuator ###

这个包如果没有研究的同学应该很少见，但是这个包其实是有用的，一般用于做监控，当然，也有直接用prometheus做监控的，底层是基于JMX，感兴趣的话可以自己了解。

这个包为什么会造成内存泄漏甚至可能造成OOM呢？ 请直接看图：

![format_png 14][]

一看到这个long\[\]占用达到38%，我血压突然升高，心想，是哪个\*&\*写的代码，long数组居然会占用这么高，如果被我发现是谁，我非打屎他不可。

老规矩，双击进去看看实例，瞅瞅是哪些类造成的。

![format_png 15][]

看到这里，这个Histogram不是直方图的意思吗？心想当前分析的这个工程服务并不是做数据统计的，就是普通的业务工程，为什么会有这个东东？

于是，把这个Histogram去搜了一下，发现是在一个org.HdrHistogram的包中，这个包是从哪里来的呢？我又把这个org.HdrHistogram复制到pom.xml中去搜

![format_png 16][]

居然是Spring相关的包用到的，心想大事不妙，这个可是Spring提供的包，不应该会出现这么奇怪的问题才对。

但是问题还是要找要分析才行，于是点击2.1.11\[compile\]双击进去，看到一个LatencyUtils，和LatencyStats很接近。经过一番搜索，终于，找到，原来是spring-boot-starter-actuator包引用了micrometer-core，然后引用了Histogram和LantencyStats相关的包。

![format_png 17][]

至此，问题解决了一半。那么这个actuator的监控包为什么会导致这么多的long数组产生呢。其他工程也引用了这个，但为什么只有其中几个服务工程会出现这个问题？

带着问题我在github上找了许久，终于找到了一个[讨论][Link 4]。

![format_png 18][]

我翻译一下，就是调用的端点因为参数的不同，导致维护了很多端点的**统计数据**。

于是，答案已经呼之欲出，但是我们还得去工程代码里面看一看，瞧一瞧。

经过查找，发现有这个问题的几个工程里面都用到了\*\*@GetMapping\*\*，在参数不同的情况下，在actuator中会识别为不同的端点，从而维护了大量的统计数据，造成了堆内存的大量占用。

由于改接口的成本很大，而且spring-boot-stater-actuator包并没有做实际的使用，因此，通过在公共包中将这个包进行exclusion即可。至此，问题圆满解决，后面通过分析dump文件，也印证了猜想。

值得一提的是，还有一些常见的内存泄漏，例如**ThreadLocal的不规范使用**，**静态List或者Map的不规范使用**等，该CodeReview的时候请不要节省这个时间。

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[Link 2]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fjira.mongodb.org%2Fbrowse%2FJAVA-4510
[Link 3]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fwww.coollf.com%2Farchives%2F%25E4%25B8%2580%25E6%25AC%25A1%25E5%258E%258B%25E6%25B5%258Boom%25E9%2597%25AE%25E9%25A2%2598%25E7%259A%2584%25E6%258E%2592%25E6%259F%25A5
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