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运维:你们 JAVA 服务内存占用太高,还只增不减!告警了,快来接锅

空无
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某天,运维老哥突然找我:“你们的某 JAVA 服务内存占用太高,告警了!GC 后也没释放,内存只增不减,是不是内存泄漏了!”

然后我赶紧看了下监控,一切正常,距离上次发版好几天了,FULL GC 一次没有,YoungGC,十分钟一次,堆空闲也很充足。

运维:“你们这个服务现在堆内存 used 才 800M,但这个 JAVA 进程已经占了 6G 内存了,是不是你们程序出啥内存泄露的 bug 了!”
我想都没想,直接回了一句:“不可能,我们服务非常稳定,不会有这种问题!”

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不过说完之后,内心还是自我质疑了一下:会不会真有什么bug?难道是堆外泄露?线程没销毁?导致内存泄露了???

然后我很“镇定”的补了一句:“我先上服务器看看啥情况”,被打脸可就不好了,还是不要装太满的好……

迅速上登上服务器又仔细的查看了各种指标,Heap/GC/Thread/Process 之类的,发现一切正常,并没有什么“泄漏”的迹象。

和运维的“沟通”

我们这个服务很正常啊,各个指标都ok,什么内存只增不减,在哪呢

image.png

运维:你看你们这个 JAVA 服务,堆现在 used 才 400MB,但这个进程现在内存占用都 6G 了,还说没问题?肯定是内存泄露了,锅接好,赶紧回去查问题吧

然后我指着监控信息,让运维看:“大哥你看这监控历史,堆内存是达到过 6G 的,只是后面 GC 了,没问题啊!”

运维:“回收了你这内存也没释放啊,你看这个进程 Res 还是 6G,肯定有问题啊”

我心想这运维怕不是个der,JVM GC 回收和进程内存又不是一回事,不过还是和得他解释一下,不然一直baba个没完

“JVM 的垃圾回收,只是一个逻辑上的回收,回收的只是 JVM 申请的那一块逻辑堆区域,将数据标记为空闲之类的操作,不是调用 free 将内存归还给操作系统”

运维顿了两秒后,突然脸色一转,开始笑起来:“咳咳,我可能没注意这个。你再给我讲讲 JVM 的这个内存管理/回收和进程上内存的关系呗”

虽然我内心是拒绝的,但得罪谁也不能得罪运维啊,想想还是给大哥解释解释,“增进下感情”

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操作系统 与 JVM的内存分配

JVM 的自动内存管理,其实只是先向操作系统申请了一大块内存,然后自己在这块已申请的内存区域中进行“自动内存管理”。JAVA 中的对象在创建前,会先从这块申请的一大块内存中划分出一部分来给这个对象使用,在 GC 时也只是这个对象所处的内存区域数据清空,标记为空闲而已

运维:“原来是这样,那按你的意思,JVM 就不会将 GC 回收后的空闲内存还给操作系统了吗?”

为什么不把内存归还给操作系统?

JVM 还是会归还内存给操作系统的,只是因为这个代价比较大,所以不会轻易进行。而且不同垃圾回收器 的内存分配算法不同,归还内存的代价也不同。

比如在清除算法(sweep)中,是通过空闲链表(free-list)算法来分配内存的。简单的说就是将已申请的大块内存区域分为 N 个小区域,将这些区域同链表的结构组织起来,就像这样:

image.png

每个 data 区域可以容纳 N 个对象,那么当一次 GC 后,某些对象会被回收,可是此时这个 data 区域中还有其他存活的对象,如果想将整个 data 区域释放那是肯定不行的。

所以这个归还内存给操作系统的操作并没有那么简单,执行起来代价过高,JVM 自然不会在每次 GC 后都进行内存的归还。

怎么归还?

虽然代价高,但 JVM 还是提供了这个归还内存的功能。JVM 提供了-XX:MinHeapFreeRatio-XX:MaxHeapFreeRatio 两个参数,用于配置这个归还策略。

  • MinHeapFreeRatio 代表当空闲区域大小下降到该值时,会进行扩容,扩容的上限为 Xmx
  • MaxHeapFreeRatio 代表当空闲区域超过该值时,会进行“缩容”,缩容的下限为Xms

不过虽然有这个归还的功能,不过因为这个代价比较昂贵,所以 JVM 在归还的时候,是线性递增归还的,并不是一次全部归还。

但是但是但是,经过实测,这个归还内存的机制,在不同的垃圾回收器,甚至不同的 JDK 版本中还不一样!

不同版本&垃圾回收器下的表现不同

下面是我之前跑过的测试结果:

public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
    List<Object> dataList = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 25; i++) {
        byte[] data = createData(1024 * 1024 * 40);// 40 MB
        dataList.add(data);
    }
    Thread.sleep(10000);
    dataList = null; // 待会 GC 直接回收
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        // 测试多次 GC
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
    }
    System.in.read();
}
public static byte[] createData(int size){
    byte[] data = new byte[size];
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        data[i] = Byte.MAX_VALUE;
    }
    return data;
}
JAVA 版本垃圾回收器VM Options是否可以“归还”
JAVA 8UseParallelGC(ParallerGC + ParallerOld)-Xms100M -Xmx2G -XX:MaxHeapFreeRatio=40
JAVA 8CMS+ParNew-Xms100M -Xmx2G -XX:MaxHeapFreeRatio=40 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC
JAVA 8UseG1GC(G1)-Xms100M -Xmx2G -XX:MaxHeapFreeRatio=40 -XX:+UseG1GC
JAVA 11UseG1GC(G1)-Xms100M -Xmx2G -XX:MaxHeapFreeRatio=40
JAVA 16UseZGC(ZGC)-Xms100M -Xmx2G -XX:MaxHeapFreeRatio=40 -XX:+UseZGC

测试结果刷新了我的认知。,MaxHeapFreeRatio 这个参数好像并没有什么用,无论我是配置40,还是配置90,回收的比例都有和实际的结果都有很大差距。

但是文档中,可不是这么说的……

而且 ZGC 的结果也是挺意外的,JEP 351 提到了 ZGC 会将未使用的内存释放,但测试结果里并没有。

除了以上测试结果,stackoverflow 上还有一些其他的说法,我就没有再一一测试了

  1. JAVA 9 后-XX:-ShrinkHeapInSteps参数,可以让 JVM 已非线性递增的方式归还内存
  2. JAVA 12 后的 G1,再应用空闲时,可以自动的归还内存

所以,官方文档的说法,也只能当作一个参考,JVM 并没有过多的透露这个实现细节。

不过这个是否归还的机制,除了这位“热情”的运维老哥,一般人也不太会去关心,巴不得 JVM 多用点内存,少 GC 几回……

而且别说空闲自动归还了,我们希望的是一启动就分配个最大内存,避免它运行中扩容影响服务;所以一般 JAVA 程序还会将 XmsXmx配置为相等的大小,避免这个扩容的操作。

听到这里,运维老哥若有所思的说到:“那是不是只要我把 Xms 和 Xmx 配置成一样的大小,这个 JAVA 进程一启动就会占用这个大小的内存呢?”
我接着答到:“不会的,哪怕你 Xms6G,启动也只会占用实际写入的内存,大概率达不到 6G,这里还涉及一个操作系统内存分配的小知识”

Xms6G,为什么启动之后 used 才 200M?

进程在申请内存时,并不是直接分配物理内存的,而是分配一块虚拟空间,到真正堆这块虚拟空间写入数据时才会通过缺页异常(Page Fault)处理机制分配物理内存,也就是我们看到的进程 Res 指标。

可以简单的认为操作系统的内存分配是“惰性”的,分配并不会发生实际的占用,有数据写入时才会发生内存占用,影响 Res。

所以,哪怕配置了Xms6G,启动后也不会直接占用 6G 内存,只是 JVM 在启动后会malloc 6G 而已,但实际占用的内存取决于你有没有往这 6G 内存区域中写数据的。

运维:“卧槽,还有惰性分配这种东西!长知识了”

我:“这下明白了吧,这个内存情况是正常的,我们的服务一点问题都没有”

运维:“🐂🍺,是我理解错了,你们这个服务没啥问题”

我:“嗯呐,没事那我先去忙(摸鱼)了”

image.png

总结

对于大多数服务端场景来说,并不需要JVM 这个手动释放内存的操作。至于 JVM 是否归还内存给操作系统这个问题,我们也并不关心。而且基于上面那个测试结果,不同 JAVA 版本,不同垃圾回收器版本区别这么大,更是没必要去深究了。

综上,JVM 虽然可以释放空闲内存给操作系统,但是不一定会释放,在不同 JAVA 版本,不同垃圾回收器版本下表现不同,知道有这个机制就行。

参考

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