踩坑记:Go 服务内存暴涨

踩坑记:Go 服务内存暴涨

这周换换口味,记录一下去年踩的一个大坑。

== 起 ==

大概是去年8月份,那会儿我们还在用着64GB的“小内存”机器。

由于升级一次版本需要较长的时间(1~2小时),因此我们每天只发一次车,由值班的同学负责,发布所有已merge的commit。

当天负责值班的我正开着车,突然收到 Bytedance-System 的夺命连环call,打开Lark一看:

[ 规则 ]:机器资源报警

[ 报警上下文 ]:

host: 10.x.x.x

内存使用率: 0.944

[ 报警方式 ]:电话&Lark

打开ganglia一看,更令人害怕:

踩坑记:Go 服务内存暴涨

踩坑记:Go 服务内存暴涨

== 承 ==

这看起来像是典型的内存泄漏case,那就按正常套路排查:

一方面,通知车上的同学review自己的commit,看看是否有代码疑似内存泄漏,或者新增大量内存占用的逻辑;

另一方面,我们的go服务都默认开启了pprof,于是找了一台机器恢复到原版本,用来对比内存占用情况:

$ go tool pprof http://$IP:$PORT/debug/pprof/heap

(pprof) top 10

Showing top 10 nodes out of 125

flat flat% sum% cum cum%

2925.01MB 17.93% 17.93% 3262.03MB 19.99% **[此处打码]**

2384.37MB 14.61% 32.54% 4817.78MB 29.52% **[此处打码]**

2142.40MB 13.13% 45.67% 2142.40MB 13.13% **[此处打码]**

...

就这样,一顿操作猛如虎, 涨跌全靠特朗普 ,最终结果是,一方面没看出啥问题,另一方面也没看出啥问题。

踩坑记:Go 服务内存暴涨

正在一筹莫展、准备回滚之际,内存它自己稳了:

虽然占用率仍然很高,但是没有继续上升,也没有出现OOM的情况。

踩坑记:Go 服务内存暴涨

== 转 ==

排查过程中,我们还发现一个现象:并不是所有机器的内存都涨。

踩坑记:Go 服务内存暴涨

(确实有点“灵”……)

这些机器的硬件都是一致的,但是用 uname -a 可以看到,内存异常的机器版本是 4.14,比内存正常机器的 3.16 高很多:

<异常机器>$ uname -a #

Linux 4.14.81.xxx ...

<正常机器>$ uname -a

Linux 3.16.104.xxx ...

说明两个 kernel 版本的某些差别是原因之一,但 并不足以解释前述问题:毕竟发车之前也是这些机器。

此外,Y同学提到,他把编译服务指定的 go 版本从 1.10 升级到了 1.12。

当时 go 1.12 已经发布半年, Y 同学在开发环境编译和运行正常,在线上灰度机器也运行了一段时间,看着没毛病,所以就决定升级了。

既然其他可能性都排查过了,那就先降回来看看吧。

我们用 go 1.10 重新编译了master,发布到几台内存异常的机器上。

于是问题解决了。

踩坑记:Go 服务内存暴涨

踩坑记:Go 服务内存暴涨

== 合 ==

为什么 go 1.12 会导致内存异常上涨呢?

查查  Go 1.12 Release Notes,可以找到一点线索:

Runtime

Go 1.12 significantly improves the performance of sweeping when a large fraction of the heap remains live. This reduces allocation latency immediately following a garbage collection.

(中间省略2段不太相关的内容)

On Linux, the runtime now uses MADV_FREE to release unused memory. This is more efficient but may result in higher reported RSS. The kernel will reclaim the unused data when it is needed.

golang.org/doc/go1.12

翻译一下:

在堆内存大部分活跃的情况下,go 1.12 可以显著提高清理性能,降低 [紧随某次gc的内存分配] 的延迟。

在Linux上,Go Runtime现在使用 MADV_FREE 来释放未使用的内存。这样效率更高,但是 可能导致更高的 RSS ;内核会在需要时回收这些内存。

这两段话每个字都认识,合到一起就

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不过都写到这了, 我还是试着解释下,借用 C 语言的 malloc 和 free (Go的内存分配逻辑也类似):

  • 内存分配

在Linux下,malloc 需要在其管理的内存不够用时,调用 brk 或 mmap 系统调用(syscall)找内核扩充其可用地址空间,这些地址空间对应前述的堆内存(heap)。

注意,是“ 扩充地址空间 ”:因为有些地址空间可能不会立即用到,甚至可能永远不会用到,为了提高效率,内核并不会立刻给进程分配这些内存,而只是在进程的 页表 中做好标记(可用、但未分配)。

注:OS用页表来管理进程的地址空间,其中记录了页的状态、对应的物理页地址等信息;一页通常是 4KB。

当进程读/写尚未分配的页面时,会触发一个缺页中断(page fault),这时内核才会分配页面,在页表中标记为已分配,然后再恢复进程的执行(在进程看来似乎什么都没发生)。

注:类似的策略还用在很多其他地方,包括被swap到磁盘的页面(“虚拟内存”),以及 fork 后的 cow 机制。

  • 内存回收

当我们不用内存时,调用 free(ptr) 释放内存。

对应的,当 free 觉得有必要的时候,会调用 sbrk 或 munmap 缩小地址空间:这是针对一整段地址空间都空出来的情况。

但更多的时候,free 可能只释放了其中一部分内容(例如连续的 ABCDE 5个页面中只释放了C和D),并不需要(也不能)把地址空间缩小

这时最简单的策略是:什么也不干。

但这种占着茅坑不拉屎的行为,会导致内核无法将空闲页面分配给其他进程。

所以 free 可以通过 madvise 告诉内存“这一段我不用了”。

  • madvise

通过 madvise(addr, length, advise) 这个系统调用,告诉内核可以如何处理从 addr 开始的 length 字节。

在 Linux Kernel 4.5 之前,只支持 MADV_DONTNEED(上面提到 go 1.11 及以前的默认advise),内核会在进程的页表中将这些页标记为“未分配”,从而进程的 RSS 就会变小。OS后续可以将对应的物理页分配给其他进程。

注:RSS 是 Resident Set Size(常驻内存集)的缩写,是进程在物理内存中实际占用的内存大小(也就是页表中实际分配、且未被换出到swap的内存页总大小)。我们在 ps 命令中会看到它,在 top 命令里对应的是 REZ(man top有更多惊喜) 。

被 madvise 标记的这段地址空间,该进程仍然可以访问(不会segment fault),但是当读/写其中某一页时(例如malloc分配新的内存,或 Go 创建新的对象),内核会 重新分配  一个 用全0填充   的新页面。

如果进程大量读写这段地址空间(即 release notes 说的 “a large fraction of the heap remains live”,堆空间大部分活跃),内核需要频繁分配页面、并且将页面内容清零,这会导致分配的延迟变高。

  • go 1.12 的改进

从 kernel 4.5 开始,Linux 支持了 MADV_FREE (go 1.12 默认使用的advise),内核只会在页表中将这些进程页面标记为可回收,在需要的时候才回收这些页面。

如果赶在内核回收前,进程读写了这段空间,就可以继续使用原页面,相比 DONTNEED 模式,减少了重新分配内存、数据清零所需的时间,这对应 Release Notes 里写的 "reduces allocation latency immediately following a garbage collection",因为在 gc 以后立即分配内存,对应的页面大概率还没有被 OS 回收。

但其代价是 "may result in higher reported RSS",由于页面没有被OS回收,仍被计入进程的 RSS ,因此看起来进程的内存占用会比较大。

差不多就解释到这里吧,建议再重读一遍:

在堆内存大部分活跃的情况下,go 1.12 可以显著提高清理性能,降低 [紧随某次gc的内存分配] 的延迟。

在Linux上,Go Runtime现在使用 MADV_FREE 来释放未使用的内存。这样效率更高,但是 可能导致更高的 RSS ;内核会在需要时回收这些内存。

如果仍然有不理解的地方,可以留言探讨。

对更多细节感兴趣的同学,推荐阅读《What Every Programmer Should Know About Memory》(TL; DR),或者它的精简版《What a C programmer should know about memory》(文末参考链接)。

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==  转² ==

至此前述内存暴涨问题也算是收尾了,但 Y 同学仍然有点不放心:是不是有可能某个bug在 Go 1.12 才会出现、导致内存泄漏?

这问题有点轴,但是好像很有道理,毕竟前面那么一大段,光说不练,像假把式。

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但这要如何才能实锤呢?

前面提到 go 1.12 用 MADV_FREE ,内核会 在需要的时候 才回收这些页面。

如果我们能想办法让内核觉得需要、去回收这些可回收的页面,就能实锤了。

熟悉虚拟化(如xen、kvm)的同学,可能会觉得这个问题很眼熟:如果宿主机(准确地说是hypervisor)能够回收客户机不再使用的内存,那就可以 超卖更多VPS赚更多钱   大幅提高内存的利用率。

他们是怎么做的呢?

xen的解决方案是:在客户机里植入一段程序,其主要工作是申请新的内存。能被它申请到的内存,就是客户机可以不用的内存(当然也不能申请得太过分,否则会导致客户机使用swap,或其他进程OOM)。然后宿主机就可以放心将这些内存对应的物理页挪作他用了。

这个过程就像在吹气球,把客户机里能占用的空间都占住。

所以这段程序的名字叫做: balloon driver。

那么实锤方案就呼之欲出了:

如果我们也弄个不断膨胀的气球(申请内存),内核就会觉得需要去找其他进程回收那些被FREE标记的内存。

说干就干:

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>


int main() {

char *p = NULL;

const int MB = 1024 * 1024;

while (1) {

p = malloc(100 * MB);

memset(p, 0, 100 * MB);

sleep(1);

}

return 0;

}

注意memset,否则内存不会实际分配

效果如下:

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可以看到,虽然打码进程的 VIRT(地址空间大小)还是52G,但是实际占用的内存已经下降到 35G,气球生效了。

踩坑记:Go 服务内存暴涨

== 合² ==

简单汇总一下前面的内容:

  1. Go 1.12 升级能降低内存分配的延迟,但会导致进程RSS变高

  2. 因为 Go 1.12 用 MADV_FREE ,会让内核延迟回收内存

  3. 通过在页表中做标记的方式,延迟内存的分配和回收,可以提高内存管理的效率

  4. 可以通过气球来让 OS/Hypervisor 挤占内存,另作他用

顺便一提,本文涉及的部分知识点,我在面试时偶尔会问到。

有些候选人就觉得我是在刁难他,反问我:

“你问的这些,工作中都用得到吗?”

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在字节跳动真用得上,不信你来试试?

~ 投递链接 ~

网盟广告(穿山甲)-后端开发(上海)

https://job.toutiao.com/s/sBAvKe

网盟广告(穿山甲)-后端开发(北京)

https://job.toutiao.com/s/sBMyxk

其他地区、其他职能线

https://job.toutiao.com/s/sB9Jqk

关于字节跳动面试的详情,可参考我之前写的:

《 程序员面试指北:面试官视角 》

参考链接:

[1] Go 1.12 关于内存释放的一个改进

https://ms2008.github.io/2019/06/30/golang-madvfree/

[2] What a C programmer should know about memory

https://marek.vavrusa.com/memory/

[3] tcmalloc2.1 浅析

https://wertherzhang.com/tcmalloc2.1%E6%B5%85%E6%9E%90/

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