Linux內(nèi)存泄露案例分析

一、問題

近期同事接到線上LB（負(fù)載均衡）服務(wù)內(nèi)存報警，同事反饋說LB集群有部分機(jī)器的內(nèi)存使用率超過80%，有的甚至超過90%，而且內(nèi)存使用率還再不停的增長。接到內(nèi)存報警的消息，讓整個團(tuán)隊都比較緊張，我們團(tuán)隊負(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，承接上萬個服務(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)存暴漲的問題。目前只是內(nèi)存報警，暫時不影響業(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)存報警的消息。

二、排查過程

經(jīng)過開發(fā)同學(xué)通過cat /proc/meminfo查看Slab的內(nèi)核內(nèi)存可能有泄漏。

通過slabtop命令分析slab發(fā)現(xiàn)內(nèi)核中dentry對象占比高，考慮到dentry對象跟文件有關(guān)，Linux中一切皆可以為文件，這個可能跟socket文件有關(guān)，通過進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)LB服務(wù)上有個curl發(fā)送的HTTPS探測腳本，這個腳本存在dentry對象泄漏，并且在curl論壇上找到一篇文章確認(rèn)了這個問題，這個文章說明了curl-7.19.7版本在發(fā)送HTTPS請求時，curl依賴的NSS庫存在dentry泄漏的bug，我查看一下我們curl版本就是7.19.7，問題終于真相大白了?。。?/p>

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

三、解決方案

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

2、等大促過后，探測腳本中設(shè)置環(huán)境變量NSS_SDB_USE_CACHE，徹底修復(fù)這個問題。

四、復(fù)盤和總結(jié)

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

1）Linux內(nèi)存尋址

Linux內(nèi)核主要通過虛擬內(nèi)存管理進(jìn)程的地址空間，內(nèi)核進(jìn)程和用戶進(jìn)程都只會分配虛擬內(nèi)存，不會分配物理內(nèi)存，通過內(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始的地方到實(shí)際地址之間的距離。

b、線性地址，又稱虛擬地址，是一個32個無符號整數(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)存一般說的都是這個內(nèi)存。

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

Linux中的內(nèi)存控制單元(MMU)通過一種稱為分段單元(segmentation unit)的硬件電路把一個邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址，接著，第二個稱為分頁單元(paging unit)的硬件電路把線性地址轉(zhuǎn)換成一個物理地址。

2）Linux分頁機(jī)制

分頁單元把線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址。線性地址被分成以固定長度為單位的組，稱為頁(page)。頁內(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"既指一組線性地址，又指包含這組地址中的數(shù)據(jù)。分頁單元把所有的RAM分成固定長度的頁框(page frame)，也成物理頁。每一頁框包含一個頁(page)，也就是說一個頁框的長度與一個頁的長度一致。頁框是主存的一部分，因此也是一個存儲區(qū)域。區(qū)分一頁和一個頁框是很重要的，前者只是一個數(shù)據(jù)塊，可以存放任何頁框或者磁盤中。把線性地址映射到物理地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為頁表(page table)。頁表存放在主存中，并在啟用分頁單元之前必須有內(nèi)核對頁表進(jìn)行適當(dāng)?shù)某跏蓟?/p>

x86_64的Linux內(nèi)核采用4級分頁模型，一般一頁4K，4種頁表：

a、頁全局目錄

b、頁上級目錄

c、頁中間目錄

d、頁表

頁全局目錄包含若干頁上級目錄，頁上級目錄又依次包含若干頁中間目錄的地址，而頁中間目錄又包含若干頁表的地址。每個頁表項指向一個頁框。線性地址被分成5部分。

3）NUMA架構(gòu)

隨著CPU進(jìn)入多核時代，多核CPU通過一條數(shù)據(jù)總線訪問內(nèi)存延遲很大，因此NUMA架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，NUMA架構(gòu)全稱為非一致性內(nèi)存架構(gòu) (Non Uniform Memory Architecture)，系統(tǒng)的物理內(nèi)存被劃分為幾個節(jié)點(diǎn)(node)，每個node綁定不同的CPU核，本地CPU核直接訪問本地內(nèi)存node節(jié)點(diǎn)延遲最小。

可以通過lscpu命令查看NUMA與CPU核的關(guān)系。

4）伙伴關(guān)系算法

Linux內(nèi)核通過著名伙伴關(guān)系算法為分配一組連續(xù)的頁框而建立一種健壯、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)存管理外碎片的問題，外碎片是指頻繁地請求和釋放不同大小的一組連續(xù)頁框，必然導(dǎo)致在已分配的頁框的塊分散了許多小塊的空閑頁框。

5）Slab機(jī)制

slab機(jī)制的核心思想是以對象的觀點(diǎn)來管理內(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分配，采用這種方法，進(jìn)程所分配的內(nèi)存可能會比所需要的大，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分配器基于對象進(jìn)行管理的，所謂的對象就是內(nèi)核中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（例如：task_struct,file_struct 等）。相同類型的對象歸為一類，每當(dāng)要申請這樣一個對象時，slab分配器就從一個slab列表中分配一個這樣大小的單元出去，而當(dāng)要釋放時，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。上面中說到的dentry對象就是通過slab分配器分配的一種對象。

slab和伙伴系統(tǒng)是上下級的調(diào)用關(guān)系，伙伴關(guān)系按照頁管理內(nèi)存，slab按照字節(jié)管理，slab先從伙伴系統(tǒng)獲取數(shù)個頁的內(nèi)存，然后切成分成固定的小塊（稱為object），然后再按照聲明的對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配對象。

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)存用來存放從磁盤載入的程序代碼，或存放來自用戶輸入的數(shù)據(jù)等。內(nèi)存可以提前靜態(tài)分配和統(tǒng)一回收，也可以按需動態(tài)分配和回收。對于普通進(jìn)程對應(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)存儲區(qū))，可讀可寫。

c、BSS段(bss)：未初始化的全局變量和靜態(tài)局部變量。

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

e、棧(stack)：存放臨時創(chuàng)建的局部變量。

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

a、請求調(diào)頁，推遲到進(jìn)程要訪問的頁不在RAM中時為止，引發(fā)一個缺頁異常。

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

7）Linux內(nèi)存檢測工具

a、free命令可以監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)存

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（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

d、vmstat

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

e、meminfo文件

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