Day704.Tomcat内存溢出的原因分析及调优 -深入拆解 Tomcat & Jetty

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Day704.Tomcat内存溢出的原因分析及调优 -深入拆解 Tomcat & Jetty相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

Tomcat内存溢出的原因分析及调优

Hi,我是阿昌。今天学习记录的是关于Tomcat内存溢出的原因分析及调优

作为 Java 程序员,我们几乎都会碰到 java.lang.OutOfMemoryError 异常,但是你知道有哪些原因可能导致 JVM 抛出 OutOfMemoryError 异常吗?

JVM 在抛出 java.lang.OutOfMemoryError 时,除了会打印出一行描述信息,还会打印堆栈跟踪,因此我们可以通过这些信息来找到导致异常的原因。

在寻找原因前,我们先来看看有哪些因素会导致 OutOfMemoryError,其中内存泄漏是导致 OutOfMemoryError 的一个比较常见的原因

一、内存溢出场景及方案

1、java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

JVM 无法在堆中分配对象时,会抛出这个异常,导致这个异常的原因可能有三种:

  1. 内存泄漏。Java 应用程序一直持有 Java 对象的引用,导致对象无法被 GC 回收,比如对象池和内存池中的对象无法被 GC 回收。
  2. 配置问题。有可能是我们通过 JVM 参数指定的堆大小(或者未指定的默认大小),对于应用程序来说是不够的。解决办法是通过 JVM 参数加大堆的大小。
  3. finalize 方法的过度使用。如果我们想在 Java 类实例被 GC 之前执行一些逻辑,比如清理对象持有的资源,可以在 Java 类中定义 finalize 方法,这样 JVM GC 不会立即回收这些对象实例,而是将对象实例添加到一个叫“java.lang.ref.Finalizer.ReferenceQueue”的队列中,执行对象的 finalize 方法,之后才会回收这些对象。Finalizer 线程会和主线程竞争 CPU 资源,但由于优先级低,所以处理速度跟不上主线程创建对象的速度,因此 ReferenceQueue 队列中的对象就越来越多,最终会抛出 OutOfMemoryError。解决办法是尽量不要给 Java 类定义 finalize 方法。

2、java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

出现这种 OutOfMemoryError 的原因是,垃圾收集器一直在运行,但是 GC 效率很低,比如 Java 进程花费超过 98%的 CPU 时间来进行一次 GC,但是回收的内存少于 2%的 JVM 堆,并且连续 5 次 GC 都是这种情况,就会抛出 OutOfMemoryError。解决办法是查看 GC 日志或者生成 Heap Dump,确认一下是不是内存泄漏,如果不是内存泄漏可以考虑增加 Java 堆的大小。

当然你还可以通过参数配置来告诉 JVM 无论如何也不要抛出这个异常,方法是配置-XX:-UseGCOverheadLimit,但是我并不推荐这么做,因为这只是延迟了 OutOfMemoryError 的出现。

3、java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

抛出这种异常的原因是“请求的数组大小超过 JVM 限制”,应用程序尝试分配一个超大的数组

比如应用程序尝试分配 512MB 的数组,但最大堆大小为 256MB,则将抛出 OutOfMemoryError,并且请求的数组大小超过 VM 限制。

通常这也是一个配置问题(JVM 堆太小),或者是应用程序的一个 Bug,比如程序错误地计算了数组的大小,导致尝试创建一个大小为 1GB 的数组。

4、java.lang.OutOfMemoryError: MetaSpace

如果 JVM 的元空间用尽,则会抛出这个异常。我们知道 JVM 元空间的内存在本地内存中分配,但是它的大小受参数 MaxMetaSpaceSize 的限制。当元空间大小超过 MaxMetaSpaceSize 时,JVM 将抛出带有 MetaSpace 字样的 OutOfMemoryError。

解决办法是加大 MaxMetaSpaceSize 参数的值。

5、java.lang.OutOfMemoryError: Request size bytes for reason. Out of swap space

本地堆内存分配失败或者本地内存快要耗尽时,Java HotSpot VM 代码会抛出这个异常,VM 会触发“致命错误处理机制”,它会生成“致命错误”日志文件,其中包含崩溃时线程、进程和操作系统的有用信息。

如果碰到此类型的 OutOfMemoryError,你需要根据 JVM 抛出的错误信息来进行诊断;

或者使用操作系统提供的 DTrace 工具来跟踪系统调用,看看是什么样的程序代码在不断地分配本地内存。

6、java.lang.OutOfMemoryError: Unable to create native threads

  1. Java 程序向 JVM 请求创建一个新的 Java 线程。
  2. JVM 本地代码(Native Code)代理该请求,通过调用操作系统 API 去创建一个操作系统级别的线程 Native Thread。
  3. 操作系统尝试创建一个新的 Native Thread,需要同时分配一些内存给该线程,每一个 Native Thread 都有一个线程栈,线程栈的大小由 JVM 参数-Xss决定。
  4. 由于各种原因,操作系统创建新的线程可能会失败,下面会详细谈到。
  5. JVM 抛出“java.lang.OutOfMemoryError: Unable to create new native thread”错误。

因此关键在于第四步线程创建失败,JVM 就会抛出 OutOfMemoryError,那具体有哪些因素会导致线程创建失败呢?

内存大小限制:我前面提到,Java 创建一个线程需要消耗一定的栈空间,并通过-Xss参数指定。请你注意的是栈空间如果过小,可能会导致 StackOverflowError,尤其是在递归调用的情况下;但是栈空间过大会占用过多内存,而对于一个 32 位 Java 应用来说,用户进程空间是 4GB,内核占用 1GB,那么用户空间就剩下 3GB,因此它能创建的线程数大致可以通过这个公式算出来:

Max memory(3GB) = [-Xmx] + [-XX:MaxMetaSpaceSize] + number_of_threads * [-Xss]

不过对于 64 位的应用,由于虚拟进程空间近乎无限大,因此不会因为线程栈过大而耗尽虚拟地址空间。

但是注意,64 位的 Java 进程能分配的最大内存数仍然受物理内存大小的限制。

ulimit 限制,在 Linux 下执行ulimit -a,你会看到 ulimit 对各种资源的限制。

其中的“max user processes”就是一个进程能创建的最大线程数,我们可以修改这个参数:


参数sys.kernel.threads-max限制。这个参数限制操作系统全局的线程数,通过下面的命令可以查看它的值。


这表明当前系统能创建的总的线程是 63752。当然我们调整这个参数,具体办法是:

在/etc/sysctl.conf配置文件中,加入sys.kernel.threads-max = 999999

参数sys.kernel.pid_max限制,这个参数表示系统全局的 PID 号数值的限制,每一个线程都有 ID,ID 的值超过这个数,线程就会创建失败。跟sys.kernel.threads-max参数一样,我们也可以将sys.kernel.pid_max调大,方法是在/etc/sysctl.conf配置文件中,加入sys.kernel.pid_max = 999999

对于线程创建失败的 OutOfMemoryError,除了调整各种参数,我们还需要从程序本身找找原因,看看是否真的需要这么多线程,有可能是程序的 Bug 导致创建过多的线程。

二、内存泄漏定位实战

我们先创建一个 Web 应用,不断地 new 新对象放到一个 List 中,来模拟 Web 应用中的内存泄漏。然后通过各种工具来观察 GC 的行为,最后通过生成 Heap Dump 来找到泄漏点。

内存泄漏模拟程序比较简单,创建一个 Spring Boot 应用,定义如下所示的类:

import org.springframework.scheduling.annotation.Scheduled;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

@Component
public class MemLeaker 

    private List<Object> objs = new LinkedList<>();

    @Scheduled(fixedRate = 1000)
    public void run() 

        for (int i = 0; i < 50000; i++) 
            objs.add(new Object());
        
    

这个程序做的事情就是每隔 1 秒向一个 List 中添加 50000 个对象。

接下来运行并通过工具观察它的 GC 行为:

运行程序并打开 verbosegc,将 GC 的日志输出到 gc.log 文件中。

java -verbose:gc -Xloggc:gc.log -XX:+PrintGCDetails -jar mem-0.0.1-SNAPSHOT.jar

使用jstat命令观察 GC 的过程:

jstat -gc 94223 2000 1000

94223 是程序的进程 ID,2000 表示每隔 2 秒执行一次,1000 表示持续执行 1000 次。下面是命令的输出:

其中每一列的含义是:

  • S0C:第一个 Survivor 区总的大小;
  • S1C:第二个 Survivor 区总的大小;
  • S0U:第一个 Survivor 区已使用内存的大小;
  • S1U:第二个 Survivor 区已使用内存的大小。

后面的列相信从名字你也能猜出是什么意思了,其中 E 代表 Eden,O 代表 Old,M 代表 Metadata;YGC 表示 Minor GC 的总时间,YGCT 表示 Minor GC 的次数;FGC 表示 Full GC。通过这个工具,你能大概看到各个内存区域的大小、已经 GC 的次数和所花的时间。verbosegc 参数对程序的影响比较小,因此很适合在生产环境现场使用。

通过 GCViewer 工具查看 GC 日志,用 GCViewer 打开第一步产生的 gc.log,会看到这样的图:

图中红色的线表示年老代占用的内存,你会看到它一直在增加,而黑色的竖线表示一次 Full GC。

你可以看到后期 JVM 在频繁地 Full GC,但是年老代的内存并没有降下来,这是典型的内存泄漏的特征。

除了内存泄漏,我们还可以通过 GCViewer 来观察 Minor GC 和 Full GC 的频次,已及每次的内存回收量。

为了找到内存泄漏点,我们通过 jmap 工具生成 Heap Dump:

jmap -dump:live,format=b,file=94223.bin 94223

Eclipse Memory Analyzer 打开 Dump 文件,通过内存泄漏分析,得到这样一个分析报告:

从报告中可以看到,JVM 内存中有一个长度为 4000 万的 List,至此我们也就找到了泄漏点。


以上是关于Day704.Tomcat内存溢出的原因分析及调优 -深入拆解 Tomcat & Jetty的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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