Linux内存泄露案例分析和内存管理分享
本文作者：李遵举
一、问题
近期我们运维同事接到线上LB（负载均衡）服务内存报警，运维同事反馈说LB集群有部分机器的内存使用率超过80%，有的甚至超过90%，而且内存使用率还再不停的增长。接到内存报警的消息，让整个团队都比较紧张，我们团队负责的LB服务是零售、物流、科技等业务服务的流量入口，承接上万个服务的流量转发，一旦有故障影响业务服务比较多，必须马上着手解决内存暴涨的问题。目前只是内存报警，暂时不影响业务，先将内存使用率90%以上的LB服务下线，防止内存过高导致LB服务崩溃，影响业务，运维同事密切关注相关的内存报警的消息。
二、排查过程
经过开发同学通过cat /proc/meminfo查看Slab的内核内存可能有泄漏。
$ cat /proc/meminfo
MemTotal: 65922868 kB
MemFree: 9001452 kB
...
Slab: 39242216 kB
SReclaimable: 38506072 kB
SUnreclaim: 736144 kB
....通过slabtop命令分析slab发现内核中dentry对象占比高，考虑到dentry对象跟文件有关，Linux中一切皆可以为文件，这个可能跟socket文件有关，通过进一步排查发现LB服务上有个curl发送的HTTPS探测脚本，这个脚本存在dentry对象泄漏，并且在curl论坛上找到一篇文章确认了这个问题，这个文章说明了curl-7.19.7版本在发送HTTPS请求时，curl依赖的NSS库存在dentry泄漏的bug，我查看一下我们curl版本就是7.19.7，问题终于真相大白了！！！
$ curl -V
curl 7.19.7 (x86_64-redhat-linux-gnu) libcurl/7.19.7 NSS/3.15.3 zlib/1.2.3 libidn/1.18 libssh2/1.4.2
Protocols: tftp ftp telnet dict ldap ldaps http file https ftps scp sftp
Features: GSS-Negotiate IDN IPv6 Largefile NTLM SSL libz
$ rpm -aq|grep nss-
nss-util-3.16.1-3.el6.x86_64
nss-sysinit-3.16.1-14.el6.x86_64
nss-softokn-freebl-3.14.3-17.el6.x86_64
nss-softokn-3.14.3-17.el6.x86_64
nss-3.16.1-14.el6.x86_64
nss-tools-3.16.1-14.el6.x86_64文章中介绍可以设置环境变量NSS_SDB_USE_CACHE修复这个bug，我们验证通过了这个解决方案。
三、解决方案
1、目前先将探测脚本停止，在业务流量低峰时将内存使用率超过90%的服务先通过drop_caches清理一下缓存。
2、等大促过后，探测脚本中设置环境变量NSS_SDB_USE_CACHE，彻底修复这个问题。
四、复盘和总结
这次内存暴涨的问题根本原因是curl-7.19.7依赖的NSS库存在dentry泄漏的bug导致的，探测脚本只是将这个问题暴露出来。这次问题由Linux内存泄漏引发的问题，因此以点带面再次系统学习一下Linux内存管理的知识非常有必要，对我们以后排查内存暴涨的问题非常有帮助。
1）Linux内存寻址
Linux内核主要通过虚拟内存管理进程的地址空间，内核进程和用户进程都只会分配虚拟内存，不会分配物理内存，通过内存寻址将虚拟内存与物理内存做映射。Linux内核中有三种地址，
a、逻辑地址，每个逻辑地址都由一段(segment)和偏移量(offset)组成，偏移量指明了从段开始的地方到实际地址之间的距离。
b、线性地址，又称虚拟地址，是一个32个无符号整数，32位机器内存高达4GB，通常用十六进制数字表示，Linux进程的内存一般说的都是这个内存。
c、物理地址，用于内存芯片级内存单元寻址。它们与从CPU的地址引脚发送到内存总线上的电信号对应。
Linux中的内存控制单元(MMU)通过一种称为分段单元(segmentation unit)的硬件电路把一个逻辑地址转换成线性地址，接着，第二个称为分页单元(paging unit)的硬件电路把线性地址转换成一个物理地址。
2）Linux分页机制
分页单元把线性地址转换成物理地址。线性地址被分成以固定长度为单位的组，称为页(page)。页内部连续的线性地址被映射到连续的物理地址中。一般"页"既指一组线性地址，又指包含这组地址中的数据。分页单元把所有的RAM分成固定长度的页框(page frame)，也成物理页。每一页框包含一个页(page)，也就是说一个页框的长度与一个页的长度一致。页框是主存的一部分，因此也是一个存储区域。区分一页和一个页框是很重要的，前者只是一个数据块，可以存放任何页框或者磁盘中。把线性地址映射到物理地址的数据结构称为页表(page table)。页表存放在主存中，并在启用分页单元之前必须有内核对页表进行适当的初始化。
x86_64的Linux内核采用4级分页模型，一般一页4K，4种页表：
a、页全局目录
b、页上级目录
c、页中间目录
d、页表
页全局目录包含若干页上级目录，页上级目录又依次包含若干页中间目录的地址，而页中间目录又包含若干页表的地址。每个页表项指向一个页框。线性地址被分成5部分。
3）NUMA架构
随着CPU进入多核时代，多核CPU通过一条数据总线访问内存延迟很大，因此NUMA架构应运而生，NUMA架构全称为非一致性内存架构 (Non Uniform Memory Architecture)，系统的物理内存被划分为几个节点(node)，每个node绑定不同的CPU核，本地CPU核直接访问本地内存node节点延迟最小。
可以通过lscpu命令查看NUMA与CPU核的关系。
$ lscpu
Architecture: x86_64
CPU op-mode(s): 32-bit, 64-bit
Byte Order: Little Endian
CPU(s): 32
On-line CPU(s) list: 0-31
Thread(s) per core: 2
Core(s) per socket: 8
Socket(s): 2
NUMA node(s): 2
Vendor ID: GenuineIntel
CPU family: 6
Model: 62
Stepping: 4
CPU MHz: 2001.000
BogoMIPS: 3999.43
Virtualization: VT-x
L1d cache: 32K
L1i cache: 32K
L2 cache: 256K
L3 cache: 20480K
NUMA node0 CPU(s): 0-7,16-23 #这些核绑定在numa 0
NUMA node1 CPU(s): 8-15,24-31 #这些核绑定在numa 14）伙伴关系算法
Linux内核通过著名伙伴关系算法为分配一组连续的页框而建立一种健壮、稳定的内存分配策略，是内核中一种内存分配器，并解决了内存管理外碎片的问题，外碎片是指频繁地请求和释放不同大小的一组连续页框，必然导致在已分配的页框的块分散了许多小块的空闲页框。
5）Slab机制
slab机制的核心思想是以对象的观点来管理内存，主要是为了解决内部碎片，内部碎片是由于采用固定大小的内存分区，即以固定的大小块为单位来分配，采用这种方法，进程所分配的内存可能会比所需要的大，这多余的部分便是内部碎片。slab也是内核中一种内存分配器，slab分配器基于对象进行管理的，所谓的对象就是内核中的数据结构（例如：task_struct,file_struct 等）。相同类型的对象归为一类，每当要申请这样一个对象时，slab分配器就从一个slab列表中分配一个这样大小的单元出去，而当要释放时，将其重新保存在该列表中，而不是直接返回给伙伴系统，从而避免内部碎片。上面中说到的dentry对象就是通过slab分配器分配的一种对象。
slab和伙伴系统是上下级的调用关系，伙伴关系按照页管理内存，slab按照字节管理，slab先从伙伴系统获取数个页的内存，然后切成分成固定的小块（称为object），然后再按照声明的对象数据结构分配对象。
6）进程内存分布
所有进程都必须占用一定数量的内存，这些内存用来存放从磁盘载入的程序代码，或存放来自用户输入的数据等。内存可以提前静态分配和统一回收，也可以按需动态分配和回收。对于普通进程对应的内存空间包含5种不同的数据区：
a、代码段(text)：程序代码在内存中的映射，存放函数体的二进制代码，通常用于存放程序执行代码(即CPU执行的机器指令)。
b、数据段(data)：存放程序中已初始化且初值不为0的全局变量和静态局部变量。数据段属于静态内存分配(静态存储区)，可读可写。
c、BSS段(bss)：未初始化的全局变量和静态局部变量。
d、堆(heap)：动态分配的内存段，大小不固定，可动态扩张(malloc等函数分配内存)，或动态缩减(free等函数释放)。
e、栈(stack)：存放临时创建的局部变量。
Linux内核是操作系统中优先级最高的，内核函数申请内存必须及时分配适当的内存，用户态进程申请内存被认为是不紧迫的，内核尽量推迟给用户态的进程动态分配内存。
a、请求调页，推迟到进程要访问的页不在RAM中时为止，引发一个缺页异常。
b、写时复制(COW)，父、子进程共享页框而不是复制页框，但是共享页框不能被修改，只有当父/子进程试图改写共享页框时，内核才将共享页框复制一个新的页框并标记为可写。
7）Linux内存检测工具
a、free命令可以监控系统内存
$ free -h
total used free shared buff/cache available
Mem: 31Gi 13Gi 8.0Gi 747Mi 10Gi 16Gi
Swap: 2.0Gi 321Mi 1.7Gib、top命令查看系统内存以及进程内存
VIRT Virtual Memory Size (KiB)：进程使用的所有虚拟内存，包括代码（code）、数据（data）、共享库（shared libraries），以及被换出（swap out）到交换区和映射了（map）但尚未使用（未载入实体内存）的部分。
RES Resident Memory Size (KiB)：进程所占用的所有实体内存（physical memory），不包括被换出到交换区的部分。
SHR Shared Memory Size (KiB)：进程可读的全部共享内存，并非所有部分都包含在 RES 中。它反映了可能被其他进程共享的内存部分。
c、smaps文件
cat /proc/$pid/smaps查看某进程虚拟内存空间的分布情况
0082f000-00852000 rw-p 0022f000 08:05 4326085 /usr/bin/nginx/sbin/nginx
Size: 140 kB
Rss: 140 kB
Pss: 78 kB
Shared_Clean: 56 kB
Shared_Dirty: 68 kB
Private_Clean: 4 kB
Private_Dirty: 12 kB
Referenced: 120 kB
Anonymous: 80 kB
AnonHugePages: 0 kB
Swap: 0 kB
KernelPageSize: 4 kB
MMUPageSize: 4 kBd、vmstat
vmstat是Virtual Meomory Statistics（虚拟内存统计）的缩写，可实时动态监视操作系统的虚拟内存、进程、CPU活动。
## 每秒统计3次
$ vmstat 1 3
procs -----------memory---------------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0 0 0 233483840 758304 20795596 0 0 0 1 0 0 0 0 100 0 0
0 0 0 233483936 758304 20795596 0 0 0 0 1052 1569 0 0 100 0 0
0 0 0 233483920 758304 20795596 0 0 0 0 966 1558 0 0 100 0 0e、meminfo文件
Linux系统中/proc/meminfo这个文件用来记录了系统内存使用的详细情况。
$ cat /proc/meminfo
MemTotal: 8052444 kB
MemFree: 2754588 kB
MemAvailable: 3934252 kB
Buffers: 137128 kB
Cached: 1948128 kB
SwapCached: 0 kB
Active: 3650920 kB
Inactive: 1343420 kB
Active(anon): 2913304 kB
Inactive(anon): 727808 kB
Active(file): 737616 kB
Inactive(file): 615612 kB
Unevictable: 196 kB
Mlocked: 196 kB
SwapTotal: 8265724 kB
SwapFree: 8265724 kB
Dirty: 104 kB
Writeback: 0 kB
AnonPages: 2909332 kB
Mapped: 815524 kB
Shmem: 732032 kB
Slab: 153096 kB
SReclaimable: 99684 kB
SUnreclaim: 53412 kB
KernelStack: 14288 kB
PageTables: 62192 kB
NFS_Unstable: 0 kB
Bounce: 0 kB
WritebackTmp: 0 kB
CommitLimit: 12291944 kB
Committed_AS: 11398920 kB
VmallocTotal: 34359738367 kB
VmallocUsed: 0 kB
VmallocChunk: 0 kB
HardwareCorrupted: 0 kB
AnonHugePages: 1380352 kB
CmaTotal: 0 kB
CmaFree: 0 kB
HugePages_Total: 0
HugePages_Free: 0
HugePages_Rsvd: 0
HugePages_Surp: 0
Hugepagesize: 2048 kB
DirectMap4k: 201472 kB
DirectMap2M: 5967872 kB
DirectMap1G: 3145728 kB总结部分中一些内容来源于《深入理解Linux内核》，一些内容根据个人理解写出的，有不对地方欢迎指正，部分图片来源于网络
