java进程内存大于Xmx问题

9 min read,created at 2024-06-19
java jvm rss heap 内存
1 `Rss > Xmx` 现象

生产环境下其实是很常见的， java 进程的内存超过了设置的 Xmx ，这也很容易理解，因为 Xmx 指的是堆内存的上限，而 Rss（Resident set size） 是整个进程的内存，他不仅包括了堆内存，还包括了 jvm 这个c++进程运行所需要的内存。
简单讲 Rss 是总内存 = 堆内存 + 堆外内存， Xmx 只是限制的堆内存大小，接下来用一个简单的 Main.java 为例
Main.java
import java.util.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            int cmd = sc.nextInt();
            switch (cmd) {
                case 1:
                    for (int i = 0; i< 10_000_000; i++) {
                        list.add("i=" + i);
                    System.out.println("add finish, current size " + list.size());
                    break;
                case 0:
                    list.clear();
                    System.out.println("clear finish");
                default:
                    break;
首先使用java 8具体版本为8.0.412-zulu
$ javac Main.java
$ java -Xmx2g -Xms2g -XX:+PrintGC Main
## 此时查看内存占用，空壳程序大概占用32M内存
然后java进程的控制台输入1回车，代码逻辑是在一个list中加入1kw个String，连续输入两个1，日志如下。
此时rss - heap = 200M，这部分是堆外的diff，但是常见的堆外内存metaspace compressedClassSpace codeSpace加起来远远不到200M，是jvm进程自己占用了较多的堆外内存，这部分很难追溯。
此时java进程输入0清理内存，但是因为没有gc所以内存无变化，然后我们使用指令强制GC：jcmd $(jps | grep Main | awk '{print $1}') GC.run，发现rss内存一点都没有减小，而jmap查看堆内存已经只有不到100m了，那gc清理的内存为什么没有从RSS减去呢。
多次创建和清理后，Rss来到2.2G
触发GC后，内存仍是2.2G，堆内存仅79M
2 如何才能归还
这是因为jvm申请到内存后，是不会轻易将内存归还回去OS的。大内存占用有哪些坏处呢？不归还，当然对jvm进程本身是百益无害的，但是较大的rss可能会导致操作系统无法给其他进程分配内存，还有可能导致操作系统OOM，被迫把jvm进程给干掉。
因而如果操作系统内存远大于Xmx堆内存的设置的话，那其实无所谓，如果操作系统内存只比Xmx大一点点，那很有可能会在堆内存被撑大之后，无法归还OS，最后导致总Rss超过了系统内存，最终被kill。
归还的方式有以下几个方向：
UseG1GC并且设置Xms<Xmx，尤其是jdk11之后效果更佳
调整MAX_ARENA_SIZE或使用Jemalloc改善底层libc的内存申请策略。
2.1 g1
修改启动指令-Xms200m -XX:+UseG1GC指定Xms只有200M，并且使用g1gc，重复上面的流程，最后进程RSS只有323M
$ java -Xmx2g -Xms200m -XX:+UseG1GC -XX:+PrintGC Main
从图中左侧看出，堆大小在gc的过程中不断调节，一开始young区200M，然后不够了，不断扩大最终2004M，在最后一次GC的时候大小又缩小到266M，缩小的过程中会把内存归还操作系统。
扩缩的过程是伴随在gc之后的，所以对整体的性能影响不算大，但是肯定也有一点点影响。但是生产环境较少看到Xms < Xmx的情况，一般都设置为相等，这个可能来自较早的流传下来的习惯，因为之前没有g1的时候，是没有这个效果，所以设置为不同对整体没有任何收益，尤其是服务端进程。这个大家可以酌情去设置，做好灰度验证，最终适合自己业务场景，那么就可以使用这种启动参数。
2.2 MAX_ARENA_SIZE
ARENA是linux的libc中的默认malloc实现(ptmalloc)，分配内存时的概念，他是为了解决多线程分配内存的并发问题设置的，在多个（64位系统默认是核心数x8）空间上分配内存，这个空间就是ARENA，较大的ARENA数，会导致内存碎片较多，通过如下指令，改为 1 ，会加剧多线程内存分配的竞争问题，但是带来的好处是，可以在一个ARENA分配，如果之前有用不到的内存，一定程度上可以复用。
$ export MALLOC_ARENA_MAX=1 && java -Xmx2g -Xms2g -XX:+PrintGC Main
这个参数，并不会使得内存可以归还OS，但是多次分配->清理->分配->清理后，的Rss总大小会比原来小一些，例如之前重复操作会导致Rss大于2.1G这里我们同样多次操作，最后只有1.9G。
2.3 Jemalloc
jemalloc是一种有着更好性能表现的malloc实现，可以替换libc的ptmalloc，在内存分配上可以更好的避免内存碎片，提高内存利用率，一定程度上能缓解jvm占用过多内存。
$ wget https://github.com/jemalloc/jemalloc/archive/5.3.0.tar.gz
$ tar zxvf 5.3.0.tar.gz
$ cd jemalloc-5.3.0/
$ ./autogen.sh
$ ./configure --prefix=/usr/local/jemalloc-5.3.0 --enable-prof
$ make
$ make install
指定环境变量LD_PRELOAD MALLOC_CONF的同时，启动java进程，这个shell指令下，环境变量只对java进程生效，如果想要整个OS都替换为jemalloc，也可以直接export LD_PRELOAD=/usr/local/jemalloc-5.3.0/lib/libjemalloc.so.2。
$ LD_PRELOAD=/usr/local/jemalloc-5.3.0/lib/libjemalloc.so.2 MALLOC_CONF="prof:true,lg_prof_interval:20" java Main
pmap查看确实使用了jemalloc.so.2
运行1 1 0 1 1 0，折腾一圈之后发现内存时1834M，比之前的2.2G也要少一点。
可以看到malloc相关的两个策略，对于内存的缩小，表现非常有限，但是你会发现在网上搜索各种资料，最后都会指向这两者，因为他们确实还是有一点效果的，并且可能针对不同的程序环境，效果会有不同，只能说我这个简单场景下表现一般。
2.4 jemalloc的profile
上面构建的时候选了with-prof参数才能进行profiling，同时我们运行java进程的时候指定了MALLOC_CONF="prof:true,lg_prof_interval:20，含义是porf开启，然后lg_prof_interval是采样的频率，每2^20字节，也就是1M内存，所以这时候看当前目录下，其实有几百个文件了。但是没到几千个，说明这个值也是个估值。
修改MALLOC_CONF="prof:true,lg_prof_interval:30可以降低采样频率，30就是1G，也就是每申请1G会有一个文件，但是这个参数在上面2G的内存的时候，没有生成文件。实际的采样过程中，jemalloc 使用的是概率方法来决定是否记录采样信息，而不是严格按每 1 GiB 进行一次采样。
1 Rss > Xmx 现象

2 如何才能归还

2.1 g1

2.2 MAX_ARENA_SIZE

2.3 Jemalloc

2.4 jemalloc的profile

1 `Rss > Xmx` 现象
