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记一次 JAVA 的内存泄露分析

摘要:本文属于原创,欢迎转载,转载请保留出处:https://github.com/jasonGeng88/blog

当前环境

  1. jdk == 1.8
  2. httpasyncclient == 4.1.3

代码地址

git 地址:https://github.com/jasonGeng88/java-network-programming

背景

前不久,上线了一个新项目,这个项目是一个压测系统,可以简单的看做通过回放词表(http请求数据),不断地向服务发送请求,以达到压测服务的目的。在测试过程中,一切还算顺利,修复了几个小bug后,就上线了。在上线后给到第一个业务方使用时,就发现来一个严重的问题,应用大概跑了10多分钟,就收到了大量的 Full GC 的告警。

针对这一问题,我们首先和业务方确认了压测的场景内容,回放的词表数量大概是10万条,回放的速率单机在 100qps 左右,按照我们之前的预估,这远远低于单机能承受的极限。按道理是不会产生内存问题的。

线上排查

首先,我们需要在服务器上进行排查。通过 JDK 自带的 jmap 工具,查看一下 JAVA 应用中具体存在了哪些对象,以及其实例数和所占大小。具体命令如下:

jmap -histo:live `pid of java`

# 为了便于观察,还是将输出写入文件
jmap -histo:live `pid of java` > /tmp/jmap00

经过观察,确实发现有对象被实例化了20多万,根据业务逻辑,实例化最多的也就是词表,那也就10多万,怎么会有20多万呢,我们在代码中也没有找到对此有显示声明实例化的地方。至此,我们需要对 dump 内存,在离线进行进一步分析,dump 命令如下:

jmap -dump:format=b,file=heap.dump `pid of java`

离线分析

从服务器上下载了 dump 的 heap.dump 后,我们需要通过工具进行深入的分析。这里推荐的工具有 mat、visualVM。

我个人比较喜欢使用 visualVM 进行分析,它除了可以分析离线的 dump 文件,还可以与 IDEA 进行集成,通过 IDEA 启动应用,进行实时的分析应用的CPU、内存以及GC情况(GC情况,需要在visualVM中安装visual GC 插件)。工具具体展示如下(这里仅仅为了展示效果,数据不是真的):

当然,mat 也是非常好用的工具,它能帮我们快速的定位到内存泄露的地方,便于我们排查。 展示如下:

场景再现

经过分析,最后我们定位到是使用 httpasyncclient 产生的内存泄露问题。httpasyncclient 是 Apache 提供的一个 HTTP 的工具包,主要提供了 reactor 的 io 非阻塞模型,实现了异步发送 http 请求的功能。

下面通过一个 Demo,来简单讲下具体内存泄露的原因。

httpasyncclient 使用介绍:

  • maven 依赖
<dependency>
    <groupId>org.apache.httpcomponents</groupId>
    <artifactId>httpasyncclient</artifactId>
    <version>4.1.3</version>
</dependency>
  • HttpAsyncClient 客户端
public class HttpAsyncClient {

    private CloseableHttpAsyncClient httpclient;

    public HttpAsyncClient() {
        httpclient = HttpAsyncClients.createDefault();
        httpclient.start();
    }

    public void execute(HttpUriRequest request, FutureCallback<HttpResponse> callback){
        httpclient.execute(request, callback);
    }

    public void close() throws IOException {
        httpclient.close();
    }

}

主要逻辑:

Demo 的主要逻辑是这样的,首先创建一个缓存列表,用来保存需要发送的请求数据。然后,通过循环的方式从缓存列表中取出需要发送的请求,将其交由 httpasyncclient 客户端进行发送。

具体代码如下:

public class ReplayApplication {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

		 //创建有内存泄露的回放客户端
        ReplayWithProblem replay1 = new ReplayWithProblem();
        
		 //加载一万条请求数据放入缓存
        List<HttpUriRequest> cache1 = replay1.loadMockRequest(10000);
        
        //开始循环回放
        replay1.start(cache1);

    }
}

回放客户端实现(内存泄露):

这里以回放百度为例,创建10000条mock数据放入缓存列表。回放时,以 while 循环每100ms 发送一个请求出去。具体代码如下:

public class ReplayWithProblem {

    public List<HttpUriRequest> loadMockRequest(int n){
    
        List<HttpUriRequest> cache = new ArrayList<HttpUriRequest>(n);
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            HttpGet request = new HttpGet("http://www.baidu.com?a="+i);
            cache.add(request);
        }
        return cache;
        
    }

    public void start(List<HttpUriRequest> cache) throws InterruptedException {

        HttpAsyncClient httpClient = new HttpAsyncClient();
        int i = 0;

        while (true){

            final HttpUriRequest request = cache.get(i%cache.size());
            httpClient.execute(request, new FutureCallback<HttpResponse>() {
                public void completed(final HttpResponse response) {
                    System.out.println(request.getRequestLine() + "->" + response.getStatusLine());
                }

                public void failed(final Exception ex) {
                    System.out.println(request.getRequestLine() + "->" + ex);
                }

                public void cancelled() {
                    System.out.println(request.getRequestLine() + " cancelled");
                }

            });
            i++;
            Thread.sleep(100);
        }
    }

}

内存分析:

启动 ReplayApplication 应用(IDEA 中安装 VisualVM Launcher后,可以直接启动visualvm),通过 visualVM 进行观察。

  • 启动情况:

  • visualVM 中前后3分钟的内存对象占比情况:

说明:$0代表的是对象本身,$1代表的是该对象中的第一个内部类。所以ReplayWithProblem$1: 代表的是ReplayWithProblem类中FutureCallback的回调类。

从中,我们可以发现 FutureCallback 类会被不断的创建。因为每次异步发送 http 请求,都是通过创建一个回调类来接收结果,逻辑上看上去也正常。不急,我们接着往下看。

  • visualVM 中前后3分钟的GC情况:

从图中看出,内存的 old 在不断的增长,这就不对了。内存中维持的应该只有缓存列表的http请求体,现在在不断的增长,就有说明了不断的有对象进入old区,结合上面内存对象的情况,说明了 FutureCallback 对象没有被及时的回收。

可是该回调匿名类在 http 回调结束后,引用关系就没了,在下一次 GC 理应被回收才对。我们通过对 httpasyncclient 发送请求的源码进行跟踪了一下后发现,其内部实现是将回调类塞入到了http的请求类中,而请求类是放在在缓存队列中,所以导致回调类的引用关系没有解除,大量的回调类晋升到了old区,最终导致 Full GC 产生。

  • 核心代码分析:

代码优化

找到问题的原因,我们现在来优化代码,验证我们的结论。因为List<HttpUriRequest> cache1中会保存回调对象,所以我们不能缓存请求类,只能缓存基本数据,在使用时进行动态的生成,来保证回调对象的及时回收。

代码如下:

public class ReplayApplication {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ReplayWithoutProblem replay2 = new ReplayWithoutProblem();
        List<String> cache2 = replay2.loadMockRequest(10000);
        replay2.start(cache2);

    }
}
public class ReplayWithoutProblem {

    public List<String> loadMockRequest(int n){
        List<String> cache = new ArrayList<String>(n);
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            cache.add("http://www.baidu.com?a="+i);
        }
        return cache;
    }

    public void start(List<String> cache) throws InterruptedException {

        HttpAsyncClient httpClient = new HttpAsyncClient();
        int i = 0;

        while (true){

            String url = cache.get(i%cache.size());
            final HttpGet request = new HttpGet(url);
            httpClient.execute(request, new FutureCallback<HttpResponse>() {
                public void completed(final HttpResponse response) {
                    System.out.println(request.getRequestLine() + "->" + response.getStatusLine());
                }

                public void failed(final Exception ex) {
                    System.out.println(request.getRequestLine() + "->" + ex);
                }

                public void cancelled() {
                    System.out.println(request.getRequestLine() + " cancelled");
                }

            });
            i++;
            Thread.sleep(100);
        }
    }

}

结果验证

  • 启动情况:

  • visualVM 中前后3分钟的内存对象占比情况:

  • visualVM 中前后3分钟的GC情况:

从图中,可以证明我们得出的结论是正确的。回调类在 Eden 区就会被及时的回收掉。old 区也没有持续的增长情况了。这一次的内存泄露问题算是解决了。

总结

关于内存泄露问题在第一次排查时,往往是有点不知所措的。我们需要有正确的方法和手段,配上好用的工具,这样在解决问题时,才能游刃有余。当然对JAVA内存的基础知识也是必不可少的,这时你定位问题的关键,不然就算工具告诉你这块有错,你也不能定位原因。

最后,关于 httpasyncclient 的使用,工具本身是没有问题的。只是我们得了解它的使用场景,往往产生问题多的,都是使用的不当造成的。所以,在使用工具时,对于它的了解程度,往往决定了出现 bug 的机率。