Linux內(nèi)存泄露案例分析和內(nèi)存管理分享

作者：京東科技 李遵舉

一、問(wèn)題

近期我們運(yùn)維同事接到線上LB（負(fù)載均衡）服務(wù)內(nèi)存報(bào)警，運(yùn)維同事反饋說(shuō)LB集群有部分機(jī)器的內(nèi)存使用率超過(guò)80%，有的甚至超過(guò)90%，而且內(nèi)存使用率還再不停的增長(zhǎng)。接到內(nèi)存報(bào)警的消息，讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)都比較緊張，我們團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)的LB服務(wù)是零售、物流、科技等業(yè)務(wù)服務(wù)的流量入口，承接上萬(wàn)個(gè)服務(wù)的流量轉(zhuǎn)發(fā)，一旦有故障影響業(yè)務(wù)服務(wù)比較多，必須馬上著手解決內(nèi)存暴漲的問(wèn)題。目前只是內(nèi)存報(bào)警，暫時(shí)不影響業(yè)務(wù)，先將內(nèi)存使用率90%以上的LB服務(wù)下線，防止內(nèi)存過(guò)高導(dǎo)致LB服務(wù)崩潰，影響業(yè)務(wù)，運(yùn)維同事密切關(guān)注相關(guān)的內(nèi)存報(bào)警的消息。

二、排查過(guò)程

經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)同學(xué)通過(guò)cat /proc/meminfo查看Slab的內(nèi)核內(nèi)存可能有泄漏。

$ cat /proc/meminfo
MemTotal:       65922868 kB
MemFree:         9001452 kB
...
Slab:           39242216 kB
SReclaimable:   38506072 kB
SUnreclaim:       736144 kB
....

通過(guò)slabtop命令分析slab發(fā)現(xiàn)內(nèi)核中dentry對(duì)象占比高，考慮到dentry對(duì)象跟文件有關(guān)，Linux中一切皆可以為文件，這個(gè)可能跟socket文件有關(guān)，通過(guò)進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)LB服務(wù)上有個(gè)curl發(fā)送的HTTPS探測(cè)腳本，這個(gè)腳本存在dentry對(duì)象泄漏，并且在curl論壇上找到一篇文章確認(rèn)了這個(gè)問(wèn)題，這個(gè)文章說(shuō)明了curl-7.19.7版本在發(fā)送HTTPS請(qǐng)求時(shí)，curl依賴(lài)的NSS庫(kù)存在dentry泄漏的bug，我查看一下我們curl版本就是7.19.7，問(wèn)題終于真相大白了?。?！

$ curl -V
curl 7.19.7 (x86_64-redhat-linux-gnu) libcurl/7.19.7 NSS/3.15.3 zlib/1.2.3 libidn/1.18 libssh2/1.4.2
Protocols: tftp ftp telnet dict ldap ldaps http file https ftps scp sftp
Features: GSS-Negotiate IDN IPv6 Largefile NTLM SSL libz

$ rpm -aq|grep nss-
nss-util-3.16.1-3.el6.x86_64
nss-sysinit-3.16.1-14.el6.x86_64
nss-softokn-freebl-3.14.3-17.el6.x86_64
nss-softokn-3.14.3-17.el6.x86_64
nss-3.16.1-14.el6.x86_64
nss-tools-3.16.1-14.el6.x86_64

文章中介紹可以設(shè)置環(huán)境變量NSS_SDB_USE_CACHE修復(fù)這個(gè)bug，我們驗(yàn)證通過(guò)了這個(gè)解決方案。

三、解決方案

1、目前先將探測(cè)腳本停止，在業(yè)務(wù)流量低峰時(shí)將內(nèi)存使用率超過(guò)90%的服務(wù)先通過(guò)drop_caches清理一下緩存。

2、等大促過(guò)后，探測(cè)腳本中設(shè)置環(huán)境變量NSS_SDB_USE_CACHE，徹底修復(fù)這個(gè)問(wèn)題。

四、復(fù)盤(pán)和總結(jié)

這次內(nèi)存暴漲的問(wèn)題根本原因是curl-7.19.7依賴(lài)的NSS庫(kù)存在dentry泄漏的bug導(dǎo)致的，探測(cè)腳本只是將這個(gè)問(wèn)題暴露出來(lái)。這次問(wèn)題由Linux內(nèi)存泄漏引發(fā)的問(wèn)題，因此以點(diǎn)帶面再次系統(tǒng)學(xué)習(xí)一下Linux內(nèi)存管理的知識(shí)非常有必要，對(duì)我們以后排查內(nèi)存暴漲的問(wèn)題非常有幫助。

1）Linux內(nèi)存尋址

Linux內(nèi)核主要通過(guò)虛擬內(nèi)存管理進(jìn)程的地址空間，內(nèi)核進(jìn)程和用戶(hù)進(jìn)程都只會(huì)分配虛擬內(nèi)存，不會(huì)分配物理內(nèi)存，通過(guò)內(nèi)存尋址將虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存做映射。Linux內(nèi)核中有三種地址，

a、邏輯地址，每個(gè)邏輯地址都由一段(segment)和偏移量(offset)組成，偏移量指明了從段開(kāi)始的地方到實(shí)際地址之間的距離。

b、線性地址，又稱(chēng)虛擬地址，是一個(gè)32個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)，32位機(jī)器內(nèi)存高達(dá)4GB，通常用十六進(jìn)制數(shù)字表示，Linux進(jìn)程的內(nèi)存一般說(shuō)的都是這個(gè)內(nèi)存。

c、物理地址，用于內(nèi)存芯片級(jí)內(nèi)存單元尋址。它們與從CPU的地址引腳發(fā)送到內(nèi)存總線上的電信號(hào)對(duì)應(yīng)。

Linux中的內(nèi)存控制單元(MMU)通過(guò)一種稱(chēng)為分段單元(segmentation unit)的硬件電路把一個(gè)邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址，接著，第二個(gè)稱(chēng)為分頁(yè)單元(paging unit)的硬件電路把線性地址轉(zhuǎn)換成一個(gè)物理地址。

??

2）Linux分頁(yè)機(jī)制

分頁(yè)單元把線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址。線性地址被分成以固定長(zhǎng)度為單位的組，稱(chēng)為頁(yè)(page)。頁(yè)內(nèi)部連續(xù)的線性地址被映射到連續(xù)的物理地址中。一般"頁(yè)"既指一組線性地址，又指包含這組地址中的數(shù)據(jù)。分頁(yè)單元把所有的RAM分成固定長(zhǎng)度的頁(yè)框(page frame)，也成物理頁(yè)。每一頁(yè)框包含一個(gè)頁(yè)(page)，也就是說(shuō)一個(gè)頁(yè)框的長(zhǎng)度與一個(gè)頁(yè)的長(zhǎng)度一致。頁(yè)框是主存的一部分，因此也是一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域。區(qū)分一頁(yè)和一個(gè)頁(yè)框是很重要的，前者只是一個(gè)數(shù)據(jù)塊，可以存放任何頁(yè)框或者磁盤(pán)中。把線性地址映射到物理地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱(chēng)為頁(yè)表(page table)。頁(yè)表存放在主存中，并在啟用分頁(yè)單元之前必須有內(nèi)核對(duì)頁(yè)表進(jìn)行適當(dāng)?shù)某跏蓟?/p>

x86_64的Linux內(nèi)核采用4級(jí)分頁(yè)模型，一般一頁(yè)4K，4種頁(yè)表：

a、頁(yè)全局目錄

b、頁(yè)上級(jí)目錄

c、頁(yè)中間目錄

d、頁(yè)表

頁(yè)全局目錄包含若干頁(yè)上級(jí)目錄，頁(yè)上級(jí)目錄又依次包含若干頁(yè)中間目錄的地址，而頁(yè)中間目錄又包含若干頁(yè)表的地址。每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)指向一個(gè)頁(yè)框。線性地址被分成5部分。

??

3）NUMA架構(gòu)

隨著CPU進(jìn)入多核時(shí)代，多核CPU通過(guò)一條數(shù)據(jù)總線訪問(wèn)內(nèi)存延遲很大，因此NUMA架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，NUMA架構(gòu)全稱(chēng)為非一致性?xún)?nèi)存架構(gòu) (Non Uniform Memory Architecture)，系統(tǒng)的物理內(nèi)存被劃分為幾個(gè)節(jié)點(diǎn)(node)，每個(gè)node綁定不同的CPU核，本地CPU核直接訪問(wèn)本地內(nèi)存node節(jié)點(diǎn)延遲最小。

??

可以通過(guò)lscpu命令查看NUMA與CPU核的關(guān)系。

$ lscpu
Architecture:          x86_64
CPU op-mode(s):        32-bit, 64-bit
Byte Order:            Little Endian
CPU(s):                32
On-line CPU(s) list:   0-31
Thread(s) per core:    2
Core(s) per socket:    8
Socket(s):             2
NUMA node(s):          2
Vendor ID:             GenuineIntel
CPU family:            6
Model:                 62
Stepping:              4
CPU MHz:               2001.000
BogoMIPS:              3999.43
Virtualization:        VT-x
L1d cache:             32K
L1i cache:             32K
L2 cache:              256K
L3 cache:              20480K
NUMA node0 CPU(s):     0-7,16-23      #這些核綁定在numa 0
NUMA node1 CPU(s):     8-15,24-31     #這些核綁定在numa 1

4）伙伴關(guān)系算法

Linux內(nèi)核通過(guò)著名伙伴關(guān)系算法為分配一組連續(xù)的頁(yè)框而建立一種健壯、穩(wěn)定的內(nèi)存分配策略，是內(nèi)核中一種內(nèi)存分配器，并解決了內(nèi)存管理外碎片的問(wèn)題，外碎片是指頻繁地請(qǐng)求和釋放不同大小的一組連續(xù)頁(yè)框，必然導(dǎo)致在已分配的頁(yè)框的塊分散了許多小塊的空閑頁(yè)框。

5）Slab機(jī)制

slab機(jī)制的核心思想是以對(duì)象的觀點(diǎn)來(lái)管理內(nèi)存，主要是為了解決內(nèi)部碎片，內(nèi)部碎片是由于采用固定大小的內(nèi)存分區(qū)，即以固定的大小塊為單位來(lái)分配，采用這種方法，進(jìn)程所分配的內(nèi)存可能會(huì)比所需要的大，這多余的部分便是內(nèi)部碎片。slab也是內(nèi)核中一種內(nèi)存分配器，slab分配器基于對(duì)象進(jìn)行管理的，所謂的對(duì)象就是內(nèi)核中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（例如：task_struct,file_struct 等）。相同類(lèi)型的對(duì)象歸為一類(lèi)，每當(dāng)要申請(qǐng)這樣一個(gè)對(duì)象時(shí)，slab分配器就從一個(gè)slab列表中分配一個(gè)這樣大小的單元出去，而當(dāng)要釋放時(shí)，將其重新保存在該列表中，而不是直接返回給伙伴系統(tǒng)，從而避免內(nèi)部碎片。上面中說(shuō)到的dentry對(duì)象就是通過(guò)slab分配器分配的一種對(duì)象。

slab和伙伴系統(tǒng)是上下級(jí)的調(diào)用關(guān)系，伙伴關(guān)系按照頁(yè)管理內(nèi)存，slab按照字節(jié)管理，slab先從伙伴系統(tǒng)獲取數(shù)個(gè)頁(yè)的內(nèi)存，然后切成分成固定的小塊（稱(chēng)為object），然后再按照聲明的對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配對(duì)象。

6）進(jìn)程內(nèi)存分布

所有進(jìn)程都必須占用一定數(shù)量的內(nèi)存，這些內(nèi)存用來(lái)存放從磁盤(pán)載入的程序代碼，或存放來(lái)自用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)等。內(nèi)存可以提前靜態(tài)分配和統(tǒng)一回收，也可以按需動(dòng)態(tài)分配和回收。對(duì)于普通進(jìn)程對(duì)應(yīng)的內(nèi)存空間包含5種不同的數(shù)據(jù)區(qū)：

a、代碼段(text)：程序代碼在內(nèi)存中的映射，存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼，通常用于存放程序執(zhí)行代碼(即CPU執(zhí)行的機(jī)器指令)。

b、數(shù)據(jù)段(data)：存放程序中已初始化且初值不為0的全局變量和靜態(tài)局部變量。數(shù)據(jù)段屬于靜態(tài)內(nèi)存分配(靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū))，可讀可寫(xiě)。

c、BSS段(bss)：未初始化的全局變量和靜態(tài)局部變量。

d、堆(heap)：動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存段，大小不固定，可動(dòng)態(tài)擴(kuò)張(malloc等函數(shù)分配內(nèi)存)，或動(dòng)態(tài)縮減(free等函數(shù)釋放)。

e、棧(stack)：存放臨時(shí)創(chuàng)建的局部變量。

??

?

Linux內(nèi)核是操作系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)最高的，內(nèi)核函數(shù)申請(qǐng)內(nèi)存必須及時(shí)分配適當(dāng)?shù)膬?nèi)存，用戶(hù)態(tài)進(jìn)程申請(qǐng)內(nèi)存被認(rèn)為是不緊迫的，內(nèi)核盡量推遲給用戶(hù)態(tài)的進(jìn)程動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存。

a、請(qǐng)求調(diào)頁(yè)，推遲到進(jìn)程要訪問(wèn)的頁(yè)不在RAM中時(shí)為止，引發(fā)一個(gè)缺頁(yè)異常。

b、寫(xiě)時(shí)復(fù)制(COW)，父、子進(jìn)程共享頁(yè)框而不是復(fù)制頁(yè)框，但是共享頁(yè)框不能被修改，只有當(dāng)父/子進(jìn)程試圖改寫(xiě)共享頁(yè)框時(shí)，內(nèi)核才將共享頁(yè)框復(fù)制一個(gè)新的頁(yè)框并標(biāo)記為可寫(xiě)。

7）Linux內(nèi)存檢測(cè)工具

a、free命令可以監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)存

$ free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:           31Gi        13Gi       8.0Gi       747Mi        10Gi        16Gi
Swap:         2.0Gi       321Mi       1.7Gi

b、top命令查看系統(tǒng)內(nèi)存以及進(jìn)程內(nèi)存

?VIRT Virtual Memory Size (KiB)：進(jìn)程使用的所有虛擬內(nèi)存，包括代碼（code）、數(shù)據(jù)（data）、共享庫(kù)（shared libraries），以及被換出（swap out）到交換區(qū)和映射了（map）但尚未使用（未載入實(shí)體內(nèi)存）的部分。

?RES Resident Memory Size (KiB)：進(jìn)程所占用的所有實(shí)體內(nèi)存（physical memory），不包括被換出到交換區(qū)的部分。

?SHR Shared Memory Size (KiB)：進(jìn)程可讀的全部共享內(nèi)存，并非所有部分都包含在 RES 中。它反映了可能被其他進(jìn)程共享的內(nèi)存部分。

c、smaps文件

cat /proc/$pid/smaps查看某進(jìn)程虛擬內(nèi)存空間的分布情況

0082f000-00852000 rw-p 0022f000 08:05 4326085    /usr/bin/nginx/sbin/nginx
Size:                140 kB
Rss:                 140 kB
Pss:                  78 kB
Shared_Clean:         56 kB
Shared_Dirty:         68 kB
Private_Clean:         4 kB
Private_Dirty:        12 kB
Referenced:          120 kB
Anonymous:            80 kB
AnonHugePages:         0 kB
Swap:                  0 kB
KernelPageSize:        4 kB
MMUPageSize:           4 kB

d、vmstat

vmstat是Virtual Meomory Statistics（虛擬內(nèi)存統(tǒng)計(jì)）的縮寫(xiě)，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)視操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存、進(jìn)程、CPU活動(dòng)。

## 每秒統(tǒng)計(jì)3次
$ vmstat 1 3
procs -----------memory---------------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu-----
 r  b    swpd   free   buff  cache       si   so    bi    bo   in   cs us sy id  wa st
 0  0      0 233483840 758304 20795596    0    0     0     1    0    0  0  0 100  0  0
 0  0      0 233483936 758304 20795596    0    0     0     0 1052 1569  0  0 100  0  0
 0  0      0 233483920 758304 20795596    0    0     0     0  966 1558  0  0 100  0  0

e、meminfo文件

Linux系統(tǒng)中/proc/meminfo這個(gè)文件用來(lái)記錄了系統(tǒng)內(nèi)存使用的詳細(xì)情況。

$ cat /proc/meminfo
MemTotal:        8052444 kB
MemFree:         2754588 kB
MemAvailable:    3934252 kB
Buffers:          137128 kB
Cached:          1948128 kB
SwapCached:            0 kB
Active:          3650920 kB
Inactive:        1343420 kB
Active(anon):    2913304 kB
Inactive(anon):   727808 kB
Active(file):     737616 kB
Inactive(file):   615612 kB
Unevictable:         196 kB
Mlocked:             196 kB
SwapTotal:       8265724 kB
SwapFree:        8265724 kB
Dirty:               104 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:       2909332 kB
Mapped:           815524 kB
Shmem:            732032 kB
Slab:             153096 kB
SReclaimable:      99684 kB
SUnreclaim:        53412 kB
KernelStack:       14288 kB
PageTables:        62192 kB
NFS_Unstable:          0 kB
Bounce:                0 kB
WritebackTmp:          0 kB
CommitLimit:    12291944 kB
Committed_AS:   11398920 kB
VmallocTotal:   34359738367 kB
VmallocUsed:           0 kB
VmallocChunk:          0 kB
HardwareCorrupted:     0 kB
AnonHugePages:   1380352 kB
CmaTotal:              0 kB
CmaFree:               0 kB
HugePages_Total:       0
HugePages_Free:        0
HugePages_Rsvd:        0
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:       2048 kB
DirectMap4k:      201472 kB
DirectMap2M:     5967872 kB
DirectMap1G:     3145728 kB

總結(jié)部分中一些內(nèi)容來(lái)源于《深入理解Linux內(nèi)核》，一些內(nèi)容根據(jù)個(gè)人理解寫(xiě)出的，有不對(duì)地方歡迎指正，部分圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

審核編輯 黃宇