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平常的工作中，在衡量服務(wù)器的性能時(shí)，經(jīng)常會(huì)涉及到幾個(gè)指標(biāo)，load、cpu、mem、qps、rt等。每個(gè)指標(biāo)都有其獨(dú)特的意義，很多時(shí)候在線上出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，往往會(huì)伴隨著某些指標(biāo)的異常。大部分情況下，在問(wèn)題發(fā)生之前，某些指標(biāo)就會(huì)提前有異常顯示。
在第一篇文章中，我們介紹了一個(gè)重要的指標(biāo)就是負(fù)載（Load），其中我們提到Linux的負(fù)載高，主要是由于CPU使用、內(nèi)存使用、IO消耗三部分構(gòu)成。任意一項(xiàng)使用過(guò)多，都將導(dǎo)致服務(wù)器負(fù)載的急劇攀升。本文是該系列的第三篇，來(lái)分析一下影響機(jī)器負(fù)載的幾個(gè)原因中的第二項(xiàng)，內(nèi)存使用。
什么是內(nèi)存
內(nèi)存是計(jì)算機(jī)中重要的部件之一，它是與CPU進(jìn)行溝通的橋梁。計(jì)算機(jī)中所有程序的運(yùn)行都是在內(nèi)存中進(jìn)行的，因此內(nèi)存的性能對(duì)計(jì)算機(jī)的影響非常大。
內(nèi)存(Memory)也被稱為內(nèi)存儲(chǔ)器，其作用是用于暫時(shí)存放CPU中的運(yùn)算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等外部存儲(chǔ)器交換的數(shù)據(jù)。
物理內(nèi)存
物理內(nèi)存指通過(guò)物理內(nèi)存條而獲得的內(nèi)存空間。即隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（random access memory，RAM），是與CPU直接交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)器，也叫主存(內(nèi)存)。
虛擬內(nèi)存
虛擬內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術(shù)。它使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)可用的內(nèi)存（一個(gè)連續(xù)完整的地址空間），而實(shí)際上，它通常是被分隔成多個(gè)物理內(nèi)存碎片，還有部分暫時(shí)存儲(chǔ)在外部磁盤存儲(chǔ)器上，在需要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（也就是說(shuō)，當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí)，可能會(huì)借用硬盤空間來(lái)充當(dāng)內(nèi)存使用）。與沒(méi)有使用虛擬內(nèi)存技術(shù)的系統(tǒng)相比，使用這種技術(shù)的系統(tǒng)使得大型程序的編寫變得更容易，對(duì)真正的物理內(nèi)存（例如RAM）的使用也更有效率。
Swap分區(qū)
Swap分區(qū)（即交換區(qū)）在系統(tǒng)的物理內(nèi)存不夠用的時(shí)候，把硬盤空間中的一部分空間釋放出來(lái)，以供當(dāng)前運(yùn)行的程序使用。那些被釋放的空間可能來(lái)自一些很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有什么操作的程序，這些被釋放的空間被臨時(shí)保存到Swap分區(qū)中，等到那些程序要運(yùn)行時(shí)，再?gòu)腟wap分區(qū)中恢復(fù)保存的數(shù)據(jù)到內(nèi)存中。
程序運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)加載,線程并發(fā),I/O緩沖等等,都依賴于內(nèi)存,可用內(nèi)存的大小,決定了程序是否能正常運(yùn)行以及運(yùn)行的性能。
查看內(nèi)存使用情況
在Linux機(jī)器上，有多個(gè)命令都可以查看機(jī)器的內(nèi)存信息。其中包括free、top等。
free命令
free命令可以顯示Linux系統(tǒng)中空閑的、已用的物理內(nèi)存，swap分區(qū)以及被內(nèi)核緩沖區(qū)內(nèi)存。在Linux系統(tǒng)監(jiān)控的工具中，free命令是最經(jīng)常使用的命令之一。
- $free
- total used free shared buffers cached
- Mem: 8388608 2926968 5461640 0 0 1654392
- -/+ buffers/cache: 1272576 7116032
- Swap: 16777208 0 16777208
上圖中，一共有3行6列數(shù)據(jù)，行數(shù)據(jù)的意義如下： Mem 行是內(nèi)存的使用情況。 -/+ buffers/cache 行是物理內(nèi)存的緩存統(tǒng)計(jì)情況。 Swap 行是交換空間的使用情況。
前面分別介紹過(guò)了物理內(nèi)存和Swap分區(qū)。這里再介紹一下buffers和cache。
buffer與cache的區(qū)別
- A buffer is something that has yet to be "written" to disk.
- A cache is something that has been "read" from the disk and stored for later use.
簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)：
buffers 就是存放要輸出到disk（塊設(shè)備）的數(shù)據(jù)，緩沖滿了一次寫，提高IO性能（內(nèi)存 -> 磁盤）
cached 就是存放從disk上讀出的數(shù)據(jù)，常用的緩存起來(lái)，減少IO（磁盤 -> 內(nèi)存）
buffer 和 cache，兩者都是RAM中的數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，buffer是即將要被寫入磁盤的，cache是被從磁盤中讀出來(lái)的。
介紹完了buffer和cache的區(qū)別，接下來(lái)分析下free命令查詢到的數(shù)據(jù)。
Mem行
- total used free shared buffers cached
- em: 8388608 2926968 5461640 0 0 1654392
這一行展示物理內(nèi)存的整體情況。
Total：8388608。表示物理內(nèi)存總大小。
Used ：2926968。表示總計(jì)分配給緩存（包含buffers 與cache ）使用的數(shù)量，但其中可能部分緩存并未實(shí)際使用。
Free ：5461640。表示未被分配的內(nèi)存。
Shared：0。共享內(nèi)存，一般系統(tǒng)不會(huì)用到。
Buffers：0。系統(tǒng)分配但未被使用的buffers 數(shù)量。
Cached：1654392。系統(tǒng)分配但未被使用的cache 數(shù)量。
- total（Mem） = used（Mem） + free（Mem）
-/+ buffers/cache 行
- total used free shared buffers cached
- -/+ buffers/cache: 1272576 7116032
Used：1272576。 表示實(shí)際使用的buffers 與cache 總量，也是實(shí)際使用的內(nèi)存總量。
Free：7116032。 未被使用的buffers 與cache 和未被分配的內(nèi)存之和，這就是系統(tǒng)當(dāng)前實(shí)際可用內(nèi)存。
used（-/+ buffers/cache） = used（Mem） - cached（Mem） - buffers（Mem）
free（-/+ buffers/cache） = free（Mem） + cached （Mem）+ buffers（Mem）
Swap 行
- $free
- total used free shared buffers cached
- Swap: 16777208 0 16777208
Total：16777208。Swap內(nèi)存總大小。
Used：0。表示已分配的Swap大小。
Free：16777208。表示未被分配的內(nèi)存。
接下來(lái)，再來(lái)整體看一下數(shù)據(jù)。
- $free
- total used free shared buffers cached
- Mem: 8388608 2926968 5461640 0 0 1654392
- -/+ buffers/cache: 1272576 7116032
- Swap: 16777208 0 16777208
機(jī)器上實(shí)際可用內(nèi)存大?。?/p>
- Free（-/+ buffers/cache）= Free(Mem)+buffers(Mem)+Cached(Mem);
- 7116032 = 5461640 + 0+ 1654392
已經(jīng)分配的內(nèi)存大小：
- Used(Mem) = Used(-/+ buffers/cache)+ buffers(Mem) + Cached(Mem)
- 2926968 = 1272576 + 0 + 1654392
物理內(nèi)存總大小
- total（Mem） = used(-/+ buffers/cache) + free(-/+ buffers/cache)
- 8388608 = 1272576 + 7116032
總結(jié)一下，整個(gè)機(jī)器的總內(nèi)存大小8388608，其中已經(jīng)分配的內(nèi)存有2926968，還未分配的內(nèi)存有5461640。而分配的2926968中，有1654392還沒(méi)有使用，有1272576已經(jīng)用掉了。當(dāng)前機(jī)器中還有7116032內(nèi)存可以使用。
free命令參數(shù)
-m 以M為單位顯示內(nèi)存
- $free -m
- total used free shared buffers cached
- Mem: 8192 2802 5389 0 0 1559
- -/+ buffers/cache: 1243 6948
- Swap: 16383 0 16383
-g 以G為單位顯示內(nèi)存
- $free -g
- total used free shared buffers cached
- Mem: 8 2 5 0 0 1
- -/+ buffers/cache: 1 6
- Swap: 16 0 16
-s 2持續(xù)的觀察內(nèi)存的狀況，每隔2秒打印一次
- $free -s 2
- total used free shared buffers cached
- Mem: 8388608 2873128 5515480 0 0 1600588
- -/+ buffers/cache: 1272540 7116068
- Swap: 16777208 0 16777208
- total used free shared buffers cached
- Mem: 8388608 2873168 5515440 0 0 1600628
- -/+ buffers/cache: 1272540 7116068
- Swap: 16777208 0 16777208
除了free ，還可以在Linux下可以使用/proc/meminfo文件查看操作系統(tǒng)內(nèi)存的使用狀態(tài)，其實(shí)，free命令的內(nèi)容也是來(lái)自于/proc/meminfo文件。
top命令
top命令是Linux下常用的性能分析工具，能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)中各個(gè)進(jìn)程的資源占用狀況，類似于Windows的任務(wù)管理器。
在前面兩篇文章中介紹過(guò)使用top命令查看Load Avg和CPU利用率。top還會(huì)打印的一部分信息就是內(nèi)存情況。
- top - 17:49:32 up 2 days, 6:25, 1 user, load average: 0.01, 0.09, 0.12
- Tasks: 30 total, 1 running, 29 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
- Cpu(s): 0.1%us, 0.0%sy, 0.0%ni, 88.0%id, 3.8%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 8.1%st
- Mem: 8388608k total, 2884716k used, 5503892k free, 0k buffers
- Swap: 16777208k total, 0k used, 16777208k free, 1612080k cached
- PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
- 85690 admin 20 0 5138m 1.1g 47m S 2.3 13.9 93:28.92 java
上面的Mem行和Swap行展示的就是內(nèi)存的使用情況。并且也會(huì)按照進(jìn)行展示不同進(jìn)程的內(nèi)存占用情況。十分好用。
Java Web應(yīng)用內(nèi)存占用飆高排查思路
JVM以一個(gè)進(jìn)程（Process）的身份運(yùn)行在Linux系統(tǒng)上，對(duì)于Linux來(lái)說(shuō)，JVM不過(guò)是一個(gè)具有自助管理內(nèi)存的乖孩子而已。
一般在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)都可以通過(guò)JVM參數(shù)來(lái)設(shè)置JVM內(nèi)存的大小。如果超過(guò)這個(gè)限制就會(huì)拋出異常。所以，我們比較常見(jiàn)的內(nèi)存占用過(guò)高問(wèn)題，最顯著的現(xiàn)象就是拋出各種OutOfMemoryError。
有一種可能導(dǎo)致直接內(nèi)存，也就是Linux的物理內(nèi)存過(guò)高的情況，就是NIO的使用。NIO引入了一種基于通道與緩沖區(qū)的IO方式，他可以使用Native函數(shù)庫(kù)直接分配堆外內(nèi)存，然后通過(guò)一個(gè)存儲(chǔ)在Java堆中的DirectByteBuffer對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。
所以，在使用NIO的時(shí)候，要特別小心，避免導(dǎo)致機(jī)器內(nèi)存被擠滿。
導(dǎo)致JVM中內(nèi)存占用飆高的原因可能有很多。最常見(jiàn)的就是內(nèi)存泄露。
內(nèi)存泄露排查思路
1、使用top命令，查看占用內(nèi)存較高的進(jìn)程ID。
- ~ top
- PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
- 3331 admin 20 0 7127m 2.6g 38m S 10.7 90.6 10:20.26 java
發(fā)現(xiàn)PID為3331的進(jìn)程占用內(nèi)存 90.6%。而且是一個(gè)Java進(jìn)程，基本斷定是程序問(wèn)題。
2、使用jmap查看內(nèi)存情況，并分析是否存在內(nèi)存泄露。
- jmap -heap 3331：查看java 堆（heap）使用情況
- jmap -histo 3331：查看堆內(nèi)存(histogram)中的對(duì)象數(shù)量及大小
- jmap -histo:live 3331：JVM會(huì)先觸發(fā)gc，然后再統(tǒng)計(jì)信息
- jmap -dump:format=b,file=heapDump 3331：將內(nèi)存使用的詳細(xì)情況輸出到文件
得到堆dump文件后，可以進(jìn)行對(duì)象分析。如果有大量對(duì)象在持續(xù)被引用，并沒(méi)有被釋放掉，那就產(chǎn)生了內(nèi)存泄露，就要結(jié)合代碼，把不用的對(duì)象釋放掉。
【本文是專欄作者Hollis的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號(hào)Hollis(ID：hollischuang)】
本文名稱：線上服務(wù)器內(nèi)存分析及問(wèn)題排查
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