Java 进程占用 VIRT 虚拟内存超高的问题研究

1. 现象

最近发现线上机器 java 8 进程的 VIRT 虚拟内存使用达到了 50G+，如下图所示：

2. 不管用的 -Xmx

首先第一想到的当然使用 java 的 -Xmx 去限制堆的使用。但是无论怎样设置，都没有什么效果。没办法，只好开始苦逼的研究。

3. 什么是 VIRT

现代操作系统里面分配虚拟地址空间操作不同于分配物理内存。在64位操作系统上，可用的最大虚拟地址空间有16EB，即大概180亿GB。那么在一台只有16G的物理内存的机器上，我也能要求获得4TB的地址空间以备将来使用。例如：

    void *mem = mmap(0, 4ul * 1024ul * 1024ul * 1024ul * 1024ul,
                     PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS | MAP_NORESERVE,
                     -1, 0);

当使用 mmap 并设置 MAP_NORESERVE 标志时，并不会要求实际的物理内存和swap空间存在。所以上述代码可以在top中看到使用了 4096g 的 VIRT 虚拟内存，这当然是不可能的，它只是表示使用了 4096GB 的地址空间而已。

4. 为什么会用这么多地址空间

那 Java 程序为什么会使用这么多的地址空间呢？使用“pmap -x”来查看一下:

…

00007ff638021000   65404       0       0 -----    [ anon ]
00007ff63c000000     132      36      36 rw---    [ anon ]
00007ff63c021000   65404       0       0 -----    [ anon ]
00007ff640000000     132      28      28 rw---    [ anon ]
00007ff640021000   65404       0       0 -----    [ anon ]
00007ff644000000     132       8       8 rw---    [ anon ]
00007ff644021000   65404       0       0 -----    [ anon ]
00007ff648000000     184     184     184 rw---    [ anon ]
00007ff64802e000   65352       0       0 -----    [ anon ]
00007ff64c000000     132     100     100 rw---    [ anon ]
00007ff64c021000   65404       0       0 -----    [ anon ]
00007ff650000000     132      56      56 rw---    [ anon ]
00007ff650021000   65404       0       0 -----    [ anon ]
00007ff654000000     132      16      16 rw---    [ anon ]
00007ff654021000   65404       0       0 -----    [ anon ]

…

发现有很多奇怪的64MB的内存映射，查资料发现这是 glibc 在版本 2.10 引入的 arena 新功能导致。CentOS 6/7 的 glibc 大都是 2.12/ 2.17 了，所以都会有这个问题。这个功能对每个线程都分配一个分配一个本地arena来加速多线程的执行。

在 glibc 的 arena.c 中使用的 mmap() 调用就和之前的示例代码类似：

    p2 = (char *)mmap(aligned_heap_area, HEAP_MAX_SIZE, PROT_NONE,
                          MAP_NORESERVE | MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, -1, 0)

之后，只有很小的一部分地址被映射到了物理内存中：

    mprotect(p2, size, PROT_READ | PROT_WRITE)

因此在一个多线程程序中，会有相当多的 64MB 的 arena 被分配。这个可以用环境变量 MALLOC_ARENA_MAX 来控制。在64位系统中的默认值为 128。

5. Java 的特殊性

Java 程序由于自己维护堆的使用，导致调用 glibc 去管理内存的次数较少。更糟的是 Java 8 开始使用 metaspace 原空间取代永久代，而元空间是存放在操作系统本地内存中，那线程一多，每个线程都要使用一点元空间，每个线程都分配一个 arena，每个都64MB，就会导致巨大的虚拟地址被分配。

6. 结束语

总结一下：

• VIRT高是因为分配了太多地址空间导致。
• 一般来说不用太在意VIRT太高，因为你有16EB的空间可以使用。
• 如果你实在需要控制VIRT的使用，设置环境变量MALLOC_ARENA_MAX，例如hadoop推荐值为4，因为YARN使用VIRT值监控资源使用。