如何排查 Kubernetes 的内存增长问题

某用户生产环境的 kubernetes 节点遇到的一个问题，大概问题是这样的，用户反馈他的业务所在 pod 一在吃内存，内存占用高达 17 G 并且还是持续在增长。接到用户反馈后，我秒登 VPN ，进到用户的环境开始排查问题。

当时想的思路是这样的，既然是内存问题，那先看看这个业务所在 pod 里面到底是哪个进程在吃内存吧。

kubectl exec -it pod -n xxx /bin/bash

执行 top 命令查看下当前 pod 正在运行的进程，发现在容器里面有一个 7 号进程 VSZ 占用 6522m，这里先简单说明下 top 看到的一些和内存指标相关的参数含义：

• RSS是Resident Set Size（常驻内存大小）的缩写，用于表示进程使用了多少内存（RAM中的物理内存），RSS不包含已经被换出的内存。RSS包含了它所链接的动态库并且被加载到物理内存中的内存。RSS还包含栈内存和堆内存。

• VSZ是Virtual Memory Size（虚拟内存大小）的缩写。它包含了进程所能访问的所有内存，包含了被换出的内存，被分配但是还没有被使用的内存，以及动态库中的内存。

但是用户反馈的是占用 17 G之多，那很显然，并不是这个进程在捣鬼，可是整个容器里面确实就只有这个进程在运行着，并且该 Java 进程还设置了分配内存的限制，最大不会超过 4g，可是内存还是一直在涨。

而且不知道大家有没有发现，容器里面执行 top 看到的信息很少，我们对比下实际操作系统的 top 命令执行结果多了很多列，例如RES、 %MEM 等等。

在使用top 查看内存需要注意：

• 虚拟内存通常并不会全部分配给物理内存；

• 共享内存 SHR 并不一定是共享，例如程序的代码段、非共享的动态链接库，也都算在 SHR 里。当然，SHR 也包括了进程间真正共享的内存。所以在计算多个进程的内存使用时，不要把所有进程的 SHR 直接相加得出结果。

所以只从 top 看是不准确的，于是我们直接去查这个进程的内存占用，执行：

cat /proc/7/status

查看当前 pid 的状态，其中有一个字段VmRSS 表示当前进程所使用的内存，然而我们发现用户当前进程所占用的内存才2.3G 左右。

而通过kubectl top pod 查看 pod 的内存占用 确实发现该 pod 占用 17 G ，说明并不是容器内进程内存泄露导致的问题，那这就奇怪了，是什么原因导致占用这么多内存呢？

要继续排查这个问题，我们就需要先看看容器的内存统计是如何计算的了。

众所周知，操作系统系统的内存会有一部分被buffer、cache之类占用，在 Linux 操作系统中会把这部分内存算到已使用，那么对于容器来讲，也会把某容器引发的cache占用算到容器占用的内存上，要验证这个问题，你可以启动一个容器，然后直接使用 dd 去创建一个大文件观察下内存变化。

[root@8e3715641c31 /]# dd if=/dev/zero of=my_new_file count=1024000 bs=3024

1024000+0 records in

1024000+0 records out

3096576000 bytes (3.1 GB, 2.9 GiB) copied, 28.7933 s, 108 MB/s

你会发现，系统的 buff/cache 这一列会不断的增大。

[root@8e3715641c31 /]# free -h

              total        used        free      shared  buff/cache   available

Mem:          3.7Gi       281Mi       347Mi       193Mi       3.1Gi       3.0Gi

Swap:            0B          0B          0B

这里解释一下buff和cache的区别：

我们可以执行 man free 查看解释：

DESCRIPTION

       free displays the total amount of free and used physical and swap memory in the system, as well as the buffers and caches used by the kernel. The information is gathered by parsing /proc/meminfo. The displayed columns are:

       total  Total installed memory (MemTotal and SwapTotal in /proc/meminfo)

       used   Used memory (calculated as total - free - buffers - cache)

       free   Unused memory (MemFree and SwapFree in /proc/meminfo)

       shared Memory used (mostly) by tmpfs (Shmem in /proc/meminfo)

       buffers

              Memory used by kernel buffers (Buffers in /proc/meminfo)

       cache  Memory used by the page cache and slabs (Cached and SReclaimable in /proc/meminfo)

       buff/cache

              Sum of buffers and cache

       available

              Estimation  of  how  much  memory  is  available  for  starting  new  applications, without swapping. Unlike the data provided by the cache or free fields, this field takes into account page cache and also that not all

              reclaimable memory slabs will be reclaimed due to items being in use (MemAvailable in /proc/meminfo, available on kernels 3.14, emulated on kernels 2.6.27+, otherwise the same as free)

可以看到buff和cache 的数据来源都是来自 /proc/meminfo。

• Buffers 是内核缓冲区用到的内存，对应的是 /proc/meminfo 中的 Buffers 值。

• Cache 是内核页缓存和 Slab 用到的内存，对应的是 /proc/meminfo 中的 Cached 与 SReclaimable 之和。

这些数值都来自 /proc/meminfo，关于 Buffers、Cached 和 SReclaimable 的含义如下所示：

• Buffers 是对原始磁盘块的临时存储，也就是用来缓存磁盘的数据，通常不会特别大(20MB左右)。这样，内核就可以把分散的写集中起来,统-优化磁盘的写入，比如可以把多次小的写合并成单次大的写等等。

• Cached是从磁盘读取文件的页缓存，也就是用来缓存从文件读取的数据。这样，下次访问这些文件数据时，就可以直接从内存中快速获取，而不需要再次访问缓慢的磁盘。

• SReclaimable 是Slab的一部分。Slab 包括两部分，其中的可回收部分，用SReclaimable记录;而不可回收部分，用SUnreclaim记录。

简单的说 buff 是对磁盘的缓存，而cache是对文件的缓存。

继续回到我们上面的这个生产环境问题，会不会是 Java 程序在不停的往磁盘写文件，导致 cache 不断的增大呢？

我们执行：

kubectl logs -f pod-name -n namespace-name 

查看，发现整屏幕不断的输出 debug 日志。然后回到开头的图，我们会发现cache 占用了 20g 左右。

我们尝试把 cache 清掉下看看内存是否会下降，执行：

sync; echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches //表示清空所有缓存（pagecache、dentries 和 inodes

proc/sys是一个虚拟文件系统，可以通过对它的读写操作做为与kernel实体间进行通信的一种手段。我们可以通过修改/proc中的文件，来对当前kernel的行为做出调整。通过调整/proc/sys/vm/drop_caches来释放内存。其默认数值为0。

当其值为 1时，表示仅清除页面缓存（PageCache）：

sync; echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches 

当其值未2 时，表示清除目录项和inode：

sync; echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches  

当执行完这条命令后，该 pod 的内存瞬间变小，同时磁盘 I/O 持续飙升，说明正是 cache 问题导致的，于是告诉用户调整日志的级别，把 debug 改成 info，发现内存问题得到解决。

如何解决生产环境内存飙升的问题？

首先，合理的规划资源，对每个 Pod 限制其资源使用，kubernetes 提供了针对 pod 级别的资源限制功能，默认情况下，Pod 运行没有 CPU 和内存的限额。 这意味着系统中的任何 Pod 将能够像执行该 Pod 所在的节点一样，消耗足够多的 CPU 和内存。我们可以非常容易的通过 limits 来限制 Pod 的内存和 CPU ，这样一来一旦内存达到使用限制，pod 会自动重启，而不会影响到其他 pod。

resources:

      requests:

        cpu: "200m"

        memory: "128Mi"

      limits:

        cpu: "500m"

        memory: "512Mi"

再次，针对应用本身也需要加上资源使用限制，例如 Java 程序可以限制堆内存和非堆内存的使用：

堆内存分配：

• JVM 初始分配的内存由-Xms 指定，默认是物理内存的 1/64；

• JVM 最大分配的内存由-Xmx 指定，默认是物理内存的 1/4；

• 默认空余堆内存小于 40% 时，JVM 就会增大堆直到-Xmx 的最大限制；空余堆内存大于 70% 时，JVM 会减少堆直到 -Xms 的最小限制；

• 因此服务器一般设置-Xms、-Xmx 相等以避免在每次 GC 后调整堆的大小。对象的堆内存由称为垃圾回收器的自动内存管理系统回收。

非堆内存分配：

• JVM 使用-XX:PermSize 设置非堆内存初始值，默认是物理内存的 1/64；

• 由 XX:MaxPermSize 设置最大非堆内存的大小，默认是物理内存的 1/4；

• -Xmn2G：设置年轻代大小为 2G；

• -XX:SurvivorRatio，设置年轻代中 Eden 区与 Survivor 区的比值。

再次，应用本身要做好优化，例如本案例中所类似的问题要尽量在生产环境发生，即在生产环境开 debug 模式。因为频繁的写日志会把 cache 打的非常高。可以将日志收集到专业的日志管理工具中，例如 ELK。

最后，加强监控，针对应用本身的资源使用情况和系统的各项监控指标要完善，便于及时发现问题。