Flink JobManager内存管理机制介绍与调优总结

作者：董伟柯，腾讯云大数据高级工程师

概要

我们知道，旧版本 Flink 的 JobManager 作为管理者，只承担着初始化和协调的任务，内存压力非常小，很少出现 OOM 等问题。

但是，随着 Flink CDC [1] 实时数据捕获技术的广泛应用，以及采用 Flink 新版 Source 接口（FLIP-27: Refactor Source Interface [2]）的 Connector 日渐增加，JobManager 的职责越来越重：它还肩负着定期动态感知和协调数据分片的职责（SplitEnumerator 的设计详见 [3] 文章）。特别是在数据量很大，以及数据倾斜较为严重时，非常容易发生内存不足的故障，导致 JobManager 崩溃退出，后果非常严重。

在上一篇文章 Flink TaskManager 内存管理机制介绍与调优总结 [4] 中，我们系统地讲解了 Flink 新版内存模型的设计动机，并详细描述了 TaskManager 各个内存区域和子区域的技术原理和线上配置经验。本文则侧重于讲解 JobManager 的内存布局和相关经验分享，助力作业跑的更快、更稳定。

JobManager 内存分区总览

同样地，我们从 Flink 官网的 JobManager 内存分区图 [5] 开始说起，

可以看到，相比 TaskManager 的内存分区而言，JobManager 的内存划分显得相当简单：只有 JVM 进程总内存、Flink 总内存、堆内存、堆外内存、JVM 元空间、JVM 运行时开销，不再区分框架区和用户区，也没有托管内存、网络缓存等其他区域。

但这并不意味着 JobManager 的内存更好管理；相反，这表示 Flink 社区对 JobManager 内存控制的还很粗粒度，因此出问题时更隐蔽，更难定位，因此一定要特别重视。

JobManager 各内存区域详解

同样地，我们逐一分析上述各个内存区的用途，以及线上配置和调优经验。

JVM 进程总内存（Total Process Memory）

该区域表示整个 JVM 进程的内存用量，包括了下面要介绍的所有内存区域。它通常用于设定容器环境（YARN、Kubernetes）的资源配额。例如我们设置 Flink 参数 jobmanager.memory.process.size 为 4G，那么，如果 JVM 不慎用超了物理内存（RSS、RES 等），就会面临被强制结束（SIGKILL，相当于 kill -9）的结果。

由于 JobManager 肩负着协调整个作业的重任，还负责与 ZooKeeper 等 HA 服务通讯，如果因为资源超用而被直接中止，后果比 TaskManager 更严重：例如之前的最新快照还没来得及确认，新启动的 JobManager 找不到可用的快照信息，可能造成数据丢失或重复计算的后果。

因此在 有硬性资源配额检查 的容器环境下，请对作业充分压测后，妥善设置该参数，尽可能预留相当多的安全余量。

Flink 总内存（Total Flink Memory）

Flink 总内存指的是 JobManager 可以感知并管理的内存区域，即上述提到的 JVM 进程总内存 再减去 Flink 无法控制的 Metaspace（元空间）和 Overhead（运行时开销）两区域。

我们可以使用 jobmanager.memory.flink.size 参数来控制 Flink 总内存的阈值，对于非容器环境（例如 Standalone 等部署模式），可以设置这个参数来让 Flink 自行计算各个子内存区域的大小。

在实际业务场景中，我们建议 JobManager 的 Flink 总内存不低于 1.5G，以保证作业的稳定性。

JVM 堆内存（JVM Heap Memory）

对于 JobManager 而言，堆内存（JVM 通过 -Xmx 和 -Xms 参数控制的、可供垃圾回收的内存区域）有如下用途：

1. Flink 框架自身的开销，例如 RPC 通讯、Web UI 缓存、高可用相关的线程等

2. 各类新版 Connector 的 SplitEnumerator，用于动态感知和划分数据源的分片

3. Session 或 Application 等部署模式下，用户提交作业时，执行用户程序代码，也可能有内存分配

4. Checkpoint 回调函数中的用户代码（CheckpointListener），用于通知快照完成或失败事件，或执行用户自定义逻辑

堆内存大小的配置参数是 jobmanager.memory.heap.size。需要特别注意的是，如果配置了该参数，请不要再配置上述提到的 JVM 进程总内存 或  Flink 总内存 参数，以免配置无效。

在生产环境，我们经常遇到客户需要通过 MySQL CDC Connector 来访问非常大的表（十亿条数据），而 Flink CDC 默认的分块（chunk）大小是 8096. 这样 SplitEnumerator 就可能产生数十万个分片，导致 JobManager 内存耗尽。

针对这个场景，最简单的方法是调大 CREATE TABLE 语句的 WITH 参数中 scan.incremental.snapshot.chunk.size 的值，例如调大 100000，这样每个分片变大了，总分片数就会大幅减少，JobManager 的堆内存压力也会随之得到释放。但是，当分片变大时，TaskManager 的处理压力又会随之上升，因此 TaskManager 会变的更容易发生 OOM，按下葫芦浮起瓢。

腾讯云流计算 Oceanus 针对上述场景，研发了一个显著缓解超大数据量时 JobManager 堆内存占用的特性，相比开源版可以减少约 70% 的堆内存占用。在后面的文章中，我们会讲解优化原理，也欢迎大家试用。

除了 Connector 对 JobManager 造成堆内存压力外，当用户提交 Flink 作业时，如果有额外的长期线程创建（例如通过 Curator 协调多个作业的数据处理范围），也可能导致提交时的 Classloader 所关联的内存对象无法被回收，最终造成内存泄漏。

JVM 堆外内存（JVM Off-Heap Memory）

JobManager 的堆外内存用量通常不大，通常分为 JVM 管理的直接（Direct）内存以及通过 UNSAFE.allocateMemory 分配的原生（Native）内存块。

堆外内存的配置参数为 jobmanager.memory.off-heap.size，默认是 128M，但只是君子协定，用于计算堆内存大小时的扣除量，并不能限制超用。但如果额外配置 jobmanager.memory.enable-jvm-direct-memory-limit 为 true，则 Flink 会通过 -XX:MaxDirectMemorySize 来严格限制 Direct 区的内存用量。一旦真的超用，会立刻抛出 OutOfMemoryError: Direct buffer memory 异常。

Flink 方面，堆外内存的用户主要有 Flink Akka 框架通讯，以及用户提交作业时代码（通常很少见），或者 Checkpoint 回调函数中的用户代码（通常也很少见）。

正常情况下，堆外内存出问题的情况非常少。但如果堆内常常出现 OOM 却又找不到原因时，可以尝试启用上述的 limit 限制（仍然有局限性，参见 [6]，来判断是否是因为 Direct 区的无限增长，导致的堆内存空间被挤压。

JVM 元空间（JVM Metaspace）

JVM Metaspace 主要保存了加载的类和方法的元数据，Flink 配置参数为 jobmanager.memory.jvm-metaspace.size，默认大小为 256M.

通常无需调整它，除非用户提交 Flink 作业时，用了大量的动态类生成和加载的 “魔法”，造成 JVM 报出 OutOfMemoryError: Metaspace.

JVM 运行时开销（JVM Overhead）

除了上文描述的堆内、堆外、元空间外，JVM 自身运行时也会有一些内存开销，用来存放代码缓存等。Flink 的配置参数为 jobmanager.memory.jvm-overhead.fraction，默认为 0.1 即 10% 的 JVM 进程总内存；同时也受最小阈值（参数为 jobmanager.memory.jvm-overhead.min，默认 192M）和最大阈值（参数为 jobmanager.memory.jvm-overhead.max，默认 1G）的限制。

如果提交 Flink 作业时，有通过 JNI 调用 C/C++ 相关类库，那么也有可能用到这部分内存空间。该区域的内存泄漏定位起来较为繁杂，可能需要例如 jemalloc [7] 和 jeprof [8] 等辅助，这里不再赘述。感兴趣的读者可以阅读我之前写的 Flink 常见问题定位指南 [9] 文章。

参考阅读

[1] https://ververica.github.io/flink-cdc-connectors/

[2] https://cwiki.apache.org/confluence/display/FLINK/FLIP-27%3A+Refactor+Source+Interface

[3] https://cloud.tencent.com/developer/article/1930211

[4] https://cloud.tencent.com/developer/article/2024181

[5] https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-master/zh/docs/deployment/memory/mem_setup_jobmanager/

[6] https://heapdump.cn/article/142660

[7] https://github.com/jemalloc/jemalloc

[8] http://manpages.ubuntu.com/manpages/impish/man1/jeprof.1.html

[9] https://cloud.tencent.com/developer/article/1754719

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