内存泄漏的通用排查方法

本文聊一聊如何系统性地分析查找内存泄漏的具体方法，但不会具体到哪种语言和具体业务代码逻辑中，而是会从 Linux 系统上通用的一些分析方法来入手。这样，不论你使用什么开发语言，不论你在开发什么，它总能给你提供一些帮助。

如何定位谁在消耗内存

内存泄漏的外在表现通常是系统内存不够，严重的话可能会引起 OOM (Out of Memory)，甚至系统宕机。那在发生这些现象时，惯用的分析套路是什么呢？

首先，我们需要去找出到底是谁在消耗内存。前文说过，/proc/meminfo 可以帮助我们来快速定位出问题所在。但/proc/meminfo 中的项目很多，我们没必要全部都背下来，不过有些项是相对容易出问题的，也是你在遇到内存相关的问题时，需要重点去排查的。我将这些项列了一张表格，也给出了每一项有异常时的排查思路。

总之，如果进程的内存有问题，那使用 top 就可以观察出来；如果进程的内存没有问题，那你可以从 /proc/meminfo 入手来一步步地去深入分析。

分析进程内存泄漏的原因

接下来，我们分析一个实际的案例，来看看如何分析进程内存泄漏是什么原因导致的。如果你已经使用 top 排查出了业务进程的内存异常，即业务进程的虚拟地址空间（VIRT）被消耗很大，但是物理内存（RES）使用得却很少，所以他怀疑是进程的虚拟地址空间有内存泄漏。

我们在前面几篇文章说过，出现该现象时，可以用 top 命令观察（这是当时保存的生产环境信息，部分信息做了脱敏处理）：

PID    USER   PR  NI  VIRT  RES   SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
31108  app    20   0  285g  4.0g  19m S 60.6 12.7  10986:15 app_server

可以看到 app_server 这个程序的虚拟地址空间（VIRT 这一项）很大，有 285GB。

那该如何追踪 app_server 究竟是哪里存在问题呢？我们可以用 pidstat 命令来追踪下该进程的内存行为，看看能够发现什么现象。

$ pidstat -r -p 31108  1
			    PID    minflt/s  majflt/s     VSZ    RSS     %MEM   Command
04:47:00 PM     31108   353.00       0.00  299029776 4182152  12.73  app_server
...
04:47:59 PM     31108	149.00		0.00  299029776 4181052  12.73  app_server
04:48:00 PM     31108	191.00		0.00  299040020 4181188  12.73  app_server
...
04:48:59 PM     31108	179.00 		0.00  299040020 4181400  12.73  app_server
04:49:00 PM     31108	183.00		0.00  299050264 4181524  12.73  app_server
...
04:49:59 PM     31108	157.00		0.00  299050264 4181456  12.73  app_server
04:50:00 PM     31108	207.00 		0.00  299060508 4181560  12.73  app_server
...
04:50:59 PM	    31108	127.00		0.00  299060508 4180816  12.73  app_server
04:51:00 PM     31108	27.00		0.00  299070752 4180956  12.73  app_server

如上所示，在每个整分钟的时候，VSZ 会增大 244KB，这看起来是一个很有规律的现象。然后，我们再来看下增大的这个内存区域到底是什么，你可以通过 /proc/PID/smaps 来看。

增大的内存区域，具体如下：

$ cat /proc/31108/smaps 
...
7faae0e49000 - 7faae1849000 rw-p 00000000 00:00 0 	#私有地址空间
Size:              10240 kB
Rss:                  80 kB
Pss:                  80 kB
Shared_Clean:          0 kB
Shared_Dirty:          0 kB
Private_Clean:         0 kB
Private_Dirty:        80 kB
Referenced:           60 kB
Anonymous:            80 kB
AnonHugePages:         0 kB
Swap:                  0 kB
KernelPageSize:        4 kB
MMUPageSize:           4 kB
7faae1849000 - 7faae184a000 ---p 00000000 00:00 0 	#保护页(进程无法访问)
Size:                  4 kB
Rss:                   0 kB
Pss:                   0 kB
Shared_Clean:          0 kB
Shared_Dirty:          0 kB
Private_Clean:         0 kB
Private_Dirty:         0 kB
Referenced:            0 kB
Anonymous:             0 kB
AnonHugePages:         0 kB
Swap:                  0 kB
KernelPageSize:        4 kB
MMUPageSize:           4 kB

可以看到，它包括：一个私有地址空间，这从 rw -p 这个属性中的 private 可以看出来；以及一个保护页，这从---p 这个属性可以看出来，即进程无法访问。对于有经验的开发者而言，从这个 4K 的保护页就可以猜测出应该跟线程栈有关了。

然后我们跟踪下进程申请这部分地址空间的目的是什么！

通过 strace 命令来跟踪系统调用就可以了。因为 VIRT 的增加，它的系统调用函数无非是 mmap 或者 brk，那么我们只需要 strace 的结果来看下 mmap 或 brk 就可以了。

用 strace 跟踪如下：

$ strace -t -f -p 31108 -o 31108.strace

线程数较多，如果使用 -f 来跟踪线程，跟踪的信息量也很大，逐个搜索日志里面的 mmap 或者 brk 真是眼花缭乱，所以我们来 grep 一下这个大小 (10489856 即 10244KB)，然后过滤下就好了：

$ cat 31108.strace | grep 10489856    
31152 23:00:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31151 23:01:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31157 23:02:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31158 23:03:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31165 23:04:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31163 23:05:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31153 23:06:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31155 23:07:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31149 23:08:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31147 23:09:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31159 23:10:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31157 23:11:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31148 23:12:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31150 23:13:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31173 23:14:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON

从这个日志我们可以看到，出错的是 mmap() 这个系统调用，那我们再来看下 mmap 这个内存的目的：

31151 23:01:00 mmap(NULL, 10489856, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON
31151 23:01:00 mprotect(0x7fa94bbc0000, 4096, PROT_NONE <unfinished ...>   <<<
31151 23:01:00 clone( <unfinished ...>   <<< 创建线程
31151 23:01:00 <... clone resumed> child_stack=0x7fa94c5afe50, flags=CLONE_VM|
|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID
|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7fa94c5c09d0, tls=0x7fa94c5c0700, child

可以看出，这是在 clone 时申请的线程栈。

到这里你可能会有一个疑问：既然线程栈消耗了这么多的内存，那理应有很多才对啊？但是实际上，系统中并没有很多 app_server 的线程，那这是为什么呢？

答案其实比较简单：线程短暂执行完毕后就退出了，可是 mmap 的线程栈却没有被释放。

我们来写一个简单的程序复现这个现象，问题的复现是很重要的，如果很复杂的问题可以用简单的程序来复现，那就是最好的结果了。如下是一个简单的复现程序：mmap 一个 40K 的线程栈，然后线程简单执行一下就退出。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <bits/sched.h>

#define _SCHED_H 
#define __USE_GNU 
#define STACK_SIZE 40960

int func(void *arg)
{
    printf("thread enter.\n");
    sleep(1);
    printf("thread exit.\n");
    return 0;
}

int main()
{
    int thread_pid;
    int status;
    int w;

    while (1) {
        void *addr = mmap(NULL, STACK_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE);
        if (addr == NULL) {
            perror("mmap");
            goto error;
        }
        
        printf("creat new thread...\n");
        thread_pid = clone(&func, addr + STACK_SIZE, CLONE_SIGHAND|CLONE_FS);
        printf("Done! Thread pid: %d\n", thread_pid);
        
        if (thread_pid != -1) {
            do {
                w = waitpid(-1, NULL, __WCLONE | __WALL);
                if (w == -1) {
                    perror("waitpid");
                    goto error;
                }
            } while (!WIFEXITED(status) && !WIFSIGNALED(status));
        }
        sleep(10);
    }
error:
    return 0;
}

然后我们用 pidstat 观察该进程的执行，可以发现它的现象跟生产环境中的问题是一致的：

$ pidstat -r -p 535 5
11:56:51 PM   UID       PID  minflt/s  majflt/s     VSZ    RSS   %MEM  Command
11:56:56 PM     0       535      0.20      0.00    4364    360   0.00  a.out
11:57:01 PM     0       535      0.00      0.00    4364    360   0.00  a.out
11:57:06 PM     0       535      0.20      0.00    4404    360   0.00  a.out
11:57:11 PM     0       535      0.00      0.00    4404    360   0.00  a.out
11:57:16 PM     0       535      0.20      0.00    4444    360   0.00  a.out
11:57:21 PM     0       535      0.00      0.00    4444    360   0.00  a.out
11:57:26 PM     0       535      0.20      0.00    4484    360   0.00  a.out
11:57:31 PM     0       535      0.00      0.00    4484    360   0.00  a.out
11:57:36 PM     0       535      0.20      0.00    4524    360   0.00  a.out
^C
Average:        0       535      0.11      0.00    4435    360   0.00  a.out

你可以看到，VSZ 每 10s 增大 40K，但是增加的那个线程只存在了 1s 就消失了。至此我们就可以推断出 app_server 的代码哪里有问题了，你只要去修复该代码 Bug，很快就会把该问题给解决。

当然了，应用程序的内存泄漏问题其实是千奇百怪的，分析方法也不尽相同，我们这个案例的目的是为了告诉你一些通用的分析技巧。掌握了这些通用分析技巧，很多时候就可以以不变来应万变了。

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结束语

本文讲述了系统性分析 Linux 上内存泄漏问题的分析方法，要点如下：

top 工具和 /proc/meminfo 文件是分析 Linux 上内存泄漏问题，甚至是所有内存问题的第一步，我们先找出来哪个进程或者哪一项有异常，然后再针对性地分析；
百怪的，分析方法也不尽相同，我们这个案例的目的是为了告诉你一些通用的分析技巧。掌握了这些通用分析技巧，很多时候就可以以不变来应万变了。

结束语

本文讲述了系统性分析 Linux 上内存泄漏问题的分析方法，要点如下：

top 工具和 /proc/meminfo 文件是分析 Linux 上内存泄漏问题，甚至是所有内存问题的第一步，我们先找出来哪个进程或者哪一项有异常，然后再针对性地分析；
应用程序的内存泄漏千奇百怪，所以你需要掌握一些通用的分析技巧，掌握了这些技巧很多时候就可以以不变应万变。但是，这些技巧的掌握，是建立在你的基础知识足够扎实的基础上。你需要熟练掌握我们这个系列课程讲述的这些基础知识，熟才能生巧。