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Tomcat类加载机制触发的Too many open files问题分析

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作者：宋顺，携程框架研发部技术专家。2016年初加入携程，主要负责中间件产品的相关研发工作。毕业于复旦大学软件工程系，曾就职于大众点评，担任后台系统技术负责人。

责编：钱曙光，关注架构和算法领域，寻求报道或者投稿请发邮件qianshg@csdn.net，另有「CSDN 高级架构师群」，内有诸多知名互联网公司的大牛架构师，欢迎架构师加微信qshuguang2008申请入群，备注姓名+公司+职位。

说起Too many open files这个报错，想必大家一定不陌生。在Linux系统下，如果程序打开文件句柄数（包括网络连接、本地文件等）超出系统设置，就会抛出这个错误。

不过最近发现Tomcat的类加载机制在某些情况下也会触发这个问题。今天就来分享下问题的排查过程、问题产生的原因以及一些后续优化的措施。

在正式分享之前，先简单介绍下背景。

Apollo配置中心是携程框架研发部（笔者供职部门）推出的配置管理平台，提供了配置中心化管理、配置修改后实时推送等功能。

有一个Java Web应用接入了Apollo配置中心，所以用户在配置中心修改完配置后，配置中心就会实时地把最新的配置推送给该应用。

一、故障现象

某天，开发在生产环境照常通过配置中心修改了应用配置后，发现应用开始大量报错。

查看日志，发现原来是Redis无法获取到连接了，所以导致接口大量报错。

Caused by: redis.clients.jedis.exceptions.JedisConnectionException: Could not get a resource from the pool
         at redis.clients.util.Pool.getResource(Pool.java:50)
         at redis.clients.jedis.JedisPool.getResource(JedisPool.java:99)
         at credis.java.client.entity.RedisServer.getJedisClient(RedisServer.java:219)
         at credis.java.client.util.ServerHelper.execute(ServerHelper.java:34)
         ... 40 more
Caused by: redis.clients.jedis.exceptions.JedisConnectionException: java.net.SocketException: Too many open files
         at redis.clients.jedis.Connection.connect(Connection.java:164)
         at redis.clients.jedis.BinaryClient.connect(BinaryClient.java:82)
         at redis.clients.jedis.BinaryJedis.connect(BinaryJedis.java:1641)
         at redis.clients.jedis.JedisFactory.makeObject(JedisFactory.java:85)
         at org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPool.create(GenericObjectPool.java:868)
         at org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPool.borrowObject(GenericObjectPool.java:435)
         at org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPool.borrowObject(GenericObjectPool.java:363)
         at redis.clients.util.Pool.getResource(Pool.java:48)
         ... 43 more
Caused by: java.net.SocketException: Too many open files
         at java.net.Socket.createImpl(Socket.java:447)
         at java.net.Socket.getImpl(Socket.java:510)
         at java.net.Socket.setReuseAddress(Socket.java:1396)
         at redis.clients.jedis.Connection.connect(Connection.java:148)
         ... 50 more

由于该应用是基础服务，有很多上层应用依赖它，所以导致了一系列连锁反应。情急之下，只能把所有机器上的Tomcat都重启了一遍，故障恢复。

二、初步分析

由于故障发生的时间和配置中心修改配置十分吻合，所以后来立刻联系我们一起帮忙排查问题（配置中心是我们维护的）。不过我们得到通知时，故障已经恢复，应用也已经重启，所以没了现场。只好依赖于日志和 CAT （实时应用监控平台）来尝试找到一些线索。

从CAT监控上看，该应用集群共20台机器，不过在配置客户端获取到最新配置，准备通知应用该次配置的变化详情时，只有5台通知成功，15台通知失败。

其中15台通知失败机器的JVM似乎有些问题，报了无法加载类的错误（NoClassDefFoundError），错误信息被catch住并记录到了CAT。

5台成功的信息如下：

Tomcat类加载机制触发的Too many open files问题分析

图1

15台失败的如下：

Tomcat类加载机制触发的Too many open files问题分析

图2

报错详情如下：

java.lang.NoClassDefFoundError: com/ctrip/framework/apollo/model/ConfigChange
    ...
Caused by: java.lang.ClassNotFoundException: com.ctrip.framework.apollo.model.ConfigChange
    at org.apache.catalina.loader.WebappClassLoader.loadClass(WebappClassLoader.java:1718)
    at org.apache.catalina.loader.WebappClassLoader.loadClass(WebappClassLoader.java:1569)
    ... 16 more

配置客户端在配置更新后，会计算配置的变化并通知到应用。配置的变化会通过ConfigChange对象存储。

由于是该应用启动后第一次配置变化，所以ConfigChange类是第一次使用到，基于JVM的懒加载机制，这时会触发一次类加载过程。

这里就有一个疑问来了，为何JVM会无法加载类？这个类 com.ctrip.framework.apollo.model.ConfigChange 和配置客户端其它的类是打在同一个jar包里的，不应该出现NoClassDefFoundError的情况。

而且，碰巧的是，后续Redis报无法连接错误的也正是这15台报了NoClassDefFoundError的机器。

联想到前面的报错Too many open files，会不会也是由于文件句柄数不够，所以导致JVM无法从文件系统读取jar包，从而导致NoClassDefFoundError？

三、故障原因

关于该应用出现的问题，种种迹象表明那个时段应该是进程句柄数不够引起的，例如无法从本地加载文件，无法建立Redis连接，无法发起网络请求等。

前一阵我们的一个应用也出现了这个问题，当时发现老机器的Max Open Files设置是65536，但是一批新机器上的Max Open Files都被误设置为4096了。

虽然后来运维帮忙统一修复了这个设置问题，但是需要重启才会生效。所以目前生产环境还有相当一部分机器的Max Open Files是4096。

所以，我们登陆到其中一台出问题的机器上去查看是否存在这个问题。但是出问题的应用已经重启，无法获取到应用当时的情况。不过好在该机器上还部署了另外的应用，pid为16112。通过查看/proc/16112/limits文件，发现里面的Max Open Files是4096。

Tomcat类加载机制触发的Too many open files问题分析

图3

所以有理由相信应用出问题的时候，它的Max Open Files也是4096，一旦当时的句柄数达到4096的话，就会导致后续所有的IO都出现问题。

所以故障原因算是找到了，是由于Max Open Files的设置太小，一旦进程打开的文件句柄数达到4096，后续的所有请求（文件IO，网络IO）都会失败。

由于该应用依赖了Redis，所以一旦一段时间内无法连接Redis，就会导致请求大量超时，造成请求堆积，进入恶性循环。（好在SOA框架有熔断和限流机制，所以问题影响只持续了几分钟）

四、疑团重重

故障原因算是找到了，各方似乎对这个答案还算满意。不过还是有一个疑问一直在心头萦绕，为啥故障发生时间这么凑巧，就发生在用户通过配置中心发布配置后？

为啥在配置发布前，系统打开的文件句柄还小于4096，在配置发布后就超过了？

难道配置客户端在配置发布后会大量打开文件句柄？

4.1 代码分析

通过对配置客户端的代码分析，在配置中心推送配置后，客户端做了以下几件事情：

之前断开的http long polling会重新连接
会有一个异步task去服务器获取最新配置
获取到最新配置后会写入本地文件
写入本地文件成功后，会计算diff并通知到应用

从上面的步骤可以看出，第1步会重新建立之前断开的连接，所以不算新增，第2步和第3步会短暂地各新增一个文件句柄（一次网络请求和一次本地IO），不过执行完后都会释放掉。

4.2 尝试重现

代码看了几遍也没看出问题，于是尝试重现问题，所以在本地起了一个demo应用（命令行程序，非web），尝试操作配置发布来重现，同时通过bash脚本实时记录打开文件信息，以便后续分析。

for i in {1..1000}
do
  lsof -p 91742 > /tmp/20161101/$i.log
  sleep 0.01
done

然而本地多次测试后都没有发现文件句柄数增加的情况，虽然洗清了配置客户端的嫌疑，但是问题的答案却似乎依然在风中飘着，该如何解释观测到的种种现象呢？

五、柳暗花明

尝试自己重现问题无果后，只剩下最后一招了 - 通过应用的程序直接重现问题。

为了不影响应用，我把应用的war包连同使用的Tomcat在测试环境又独立部署了一份。不想竟然很快就发现了导致问题的原因。

原来Tomcat对webapp有一套自己的WebappClassLoader，它在启动的过程中会打开应用依赖的jar包来加载class信息，但是过一段时间就会把打开的jar包全部关闭从而释放资源。

然而如果后面需要加载某个新的class的时候，会把之前所有的jar包全部重新打开一遍，然后再从中找到对应的jar来加载。加载完后过一段时间会再一次全部释放掉。

所以应用依赖的jar包越多，同时打开的文件句柄数也会越多。

同时，我们在Tomcat的源码中也找到了上述WebappClassLoader的逻辑。

之前的重现实验最大的问题就是没有完全复现应用出问题时的场景，如果当时就直接测试了Tomcat，问题原因就能更早的发现。

5.1 重现环境分析

5.1.1 Tomcat刚启动完

刚启动完，进程打开的句柄数是443。

lsof -p 31188 | wc -l
443

5.1.2 Tomcat启动完过了几分钟左右

启动完过了几分钟后，再次查看，发现只剩192个了。仔细比较了一下其中的差异，发现WEB-INF/lib下的jar包句柄全释放了。

lsof -p 31188 | wc -l
192

lsof -p 31188 | grep "WEB-INF/lib" | wc -l
0

5.1.3 配置发布后2秒左右

然后通过配置中心做了一次配置发布，再次查看，发现一下子又涨到422了。其中的差异恰好就是WEB-INF/lib下的jar包句柄数。从下面的命令可以看到，WEB-INF/lib下的jar包文件句柄数有228个之多。

lsof -p 31188 | wc -l
422

lsof -p 31188 | grep "WEB-INF/lib" | wc -l
228

5.1.4 配置发布30秒后

过了约30秒后，WEB-INF/lib下的jar包句柄又全部释放了。

lsof -p 31188 | wc -l
194

lsof -p 31188 | grep "WEB-INF/lib" | wc -l
0

5.2 Tomcat WebappClassLoader逻辑

通过查看Tomcat(7.0.72版本)的 WebappClassLoader 逻辑，也印证了我们的实验结果。

5.2.1 加载类逻辑

Tomcat在加载class时，会首先打开所有的jar文件，然后遍历找到对应的jar去加载：

Tomcat类加载机制触发的Too many open files问题分析

图4

Tomcat类加载机制触发的Too many open files问题分析

图5

5.2.2 关闭jar文件逻辑

同时会有一个后台线程定期执行文件的关闭动作来释放资源：

Tomcat类加载机制触发的Too many open files问题分析

图6

Tomcat类加载机制触发的Too many open files问题分析

图7

5.3 故障场景分析

对于应用出现故障的场景，由于是应用启动后第一次配置变化，所以会使用到一个之前没有引用过的class: com.ctrip.framework.apollo.model.ConfigChange，进而会触发Tomcat类加载，并最终打开所有依赖的jar包，从而导致在很短的时间内进程句柄数升高。（对该应用而言，之前测试下来的数字是228）。

虽然现在无从知晓该应用在出问题前总的文件句柄数，但是从CAT监控可以看到光TCP连接数(Established和TimeWait之和)就在3200+了，再加上一些jdk加载的类库（这部分Tomcat不会释放）和本地文件等，应该离4096的上限相差不多了。所以这时候如果Tomcat再一下子打开本地228个文件，自然就很容易导致Too many open files的问题了。

Tomcat类加载机制触发的Too many open files问题分析