線上服務器內存分析及問題排查
平常的工作中，在衡量服務器的性能時，經常會涉及到幾個指標，load、cpu、mem、qps、rt等。每個指標都有其獨特的意義，很多時候在線上出現問題時，往往會伴隨著某些指標的異常。大部分情況下，在問題發生之前，某些指標就會提前有異常顯示。
在第一篇文章中，我們介紹了一個重要的指標就是負載（Load），其中我們提到Linux的負載高，主要是由于CPU使用、內存使用、IO消耗三部分構成。任意一項使用過多，都將導致服務器負載的急劇攀升。本文是該系列的第三篇，來分析一下影響機器負載的幾個原因中的第二項，內存使用。
什么是內存
內存是計算機中重要的部件之一，它是與CPU進行溝通的橋梁。計算機中所有程序的運行都是在內存中進行的，因此內存的性能對計算機的影響非常大。
內存(Memory)也被稱為內存儲器，其作用是用于暫時存放CPU中的運算數據，以及與硬盤等外部存儲器交換的數據。
物理內存
物理內存指通過物理內存條而獲得的內存空間。即隨機存取存儲器（random access memory，RAM），是與CPU直接交換數據的內部存儲器，也叫主存(內存)。
虛擬內存
虛擬內存是計算機系統內存管理的一種技術。它使得應用程序認為它擁有連續可用的內存（一個連續完整的地址空間），而實際上，它通常是被分隔成多個物理內存碎片，還有部分暫時存儲在外部磁盤存儲器上，在需要時進行數據交換（也就是說，當物理內存不足時，可能會借用硬盤空間來充當內存使用）。與沒有使用虛擬內存技術的系統相比，使用這種技術的系統使得大型程序的編寫變得更容易，對真正的物理內存（例如RAM）的使用也更有效率。
Swap分區
Swap分區（即交換區）在系統的物理內存不夠用的時候，把硬盤空間中的一部分空間釋放出來，以供當前運行的程序使用。那些被釋放的空間可能來自一些很長時間沒有什么操作的程序，這些被釋放的空間被臨時保存到Swap分區中，等到那些程序要運行時，再從Swap分區中恢復保存的數據到內存中。
程序運行時的數據加載,線程并發,I/O緩沖等等,都依賴于內存,可用內存的大小,決定了程序是否能正常運行以及運行的性能。
查看內存使用情況
在Linux機器上，有多個命令都可以查看機器的內存信息。其中包括free、top等。
free命令
free命令可以顯示Linux系統中空閑的、已用的物理內存，swap分區以及被內核緩沖區內存。在Linux系統監控的工具中，free命令是最經常使用的命令之一。
- $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列數據，行數據的意義如下： Mem 行是內存的使用情況。 -/+ buffers/cache 行是物理內存的緩存統計情況。 Swap 行是交換空間的使用情況。
前面分別介紹過了物理內存和Swap分區。這里再介紹一下buffers和cache。
buffer與cache的區別
- 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.
簡單點說：
buffers 就是存放要輸出到disk（塊設備）的數據，緩沖滿了一次寫，提高IO性能（內存 -> 磁盤）
cached 就是存放從disk上讀出的數據，常用的緩存起來，減少IO（磁盤 -> 內存）
buffer 和 cache，兩者都是RAM中的數據。簡單來說，buffer是即將要被寫入磁盤的，cache是被從磁盤中讀出來的。
介紹完了buffer和cache的區別，接下來分析下free命令查詢到的數據。
Mem行
- total used free shared buffers cached
- em: 8388608 2926968 5461640 0 0 1654392
這一行展示物理內存的整體情況。
Total：8388608。表示物理內存總大小。
Used ：2926968。表示總計分配給緩存（包含buffers 與cache ）使用的數量，但其中可能部分緩存并未實際使用。
Free ：5461640。表示未被分配的內存。
Shared：0。共享內存，一般系統不會用到。
Buffers：0。系統分配但未被使用的buffers 數量。
Cached：1654392。系統分配但未被使用的cache 數量。
- total（Mem） = used（Mem） + free（Mem）
-/+ buffers/cache 行
- total used free shared buffers cached
- -/+ buffers/cache: 1272576 7116032
Used：1272576。 表示實際使用的buffers 與cache 總量，也是實際使用的內存總量。
Free：7116032。 未被使用的buffers 與cache 和未被分配的內存之和，這就是系統當前實際可用內存。
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。表示未被分配的內存。
接下來，再來整體看一下數據。
- $free
- total used free shared buffers cached
- Mem: 8388608 2926968 5461640 0 0 1654392
- -/+ buffers/cache: 1272576 7116032
- Swap: 16777208 0 16777208
機器上實際可用內存大小：
- Free（-/+ buffers/cache）= Free(Mem)+buffers(Mem)+Cached(Mem);
- 7116032 = 5461640 + 0+ 1654392
已經分配的內存大小：
- Used(Mem) = Used(-/+ buffers/cache)+ buffers(Mem) + Cached(Mem)
- 2926968 = 1272576 + 0 + 1654392
物理內存總大小
- total（Mem） = used(-/+ buffers/cache) + free(-/+ buffers/cache)
- 8388608 = 1272576 + 7116032
總結一下，整個機器的總內存大小8388608，其中已經分配的內存有2926968，還未分配的內存有5461640。而分配的2926968中，有1654392還沒有使用，有1272576已經用掉了。當前機器中還有7116032內存可以使用。
free命令參數
-m 以M為單位顯示內存
- $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持續的觀察內存的狀況，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文件查看操作系統內存的使用狀態，其實，free命令的內容也是來自于/proc/meminfo文件。
top命令
top命令是Linux下常用的性能分析工具，能夠實時顯示系統中各個進程的資源占用狀況，類似于Windows的任務管理器。
在前面兩篇文章中介紹過使用top命令查看Load Avg和CPU利用率。top還會打印的一部分信息就是內存情況。
- 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行展示的就是內存的使用情況。并且也會按照進行展示不同進程的內存占用情況。十分好用。
Java Web應用內存占用飆高排查思路
JVM以一個進程（Process）的身份運行在Linux系統上，對于Linux來說，JVM不過是一個具有自助管理內存的乖孩子而已。
一般在應用啟動時都可以通過JVM參數來設置JVM內存的大小。如果超過這個限制就會拋出異常。所以，我們比較常見的內存占用過高問題，最顯著的現象就是拋出各種OutOfMemoryError。
有一種可能導致直接內存，也就是Linux的物理內存過高的情況，就是NIO的使用。NIO引入了一種基于通道與緩沖區的IO方式，他可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，然后通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內存的引用進行操作。
所以，在使用NIO的時候，要特別小心，避免導致機器內存被擠滿。
導致JVM中內存占用飆高的原因可能有很多。最常見的就是內存泄露。
內存泄露排查思路
1、使用top命令，查看占用內存較高的進程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
發現PID為3331的進程占用內存 90.6%。而且是一個Java進程，基本斷定是程序問題。
2、使用jmap查看內存情況，并分析是否存在內存泄露。
- jmap -heap 3331：查看java 堆（heap）使用情況
- jmap -histo 3331：查看堆內存(histogram)中的對象數量及大小
- jmap -histo:live 3331：JVM會先觸發gc，然后再統計信息
- jmap -dump:format=b,file=heapDump 3331：將內存使用的詳細情況輸出到文件
得到堆dump文件后，可以進行對象分析。如果有大量對象在持續被引用，并沒有被釋放掉，那就產生了內存泄露，就要結合代碼，把不用的對象釋放掉。
【本文是51CTO專欄作者Hollis的原創文章，作者微信公眾號Hollis(ID：hollischuang)】
