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支撑百万级并发，Netty如何实现高性能内存管理

分布式系统架构 人气:3

Netty作为一款高性能网络应用程序框架，实现了一套高性能内存管理机制

通过学习其中的实现原理、算法、并发设计，有利于我们写出更优雅、更高性能的代码；当使用Netty时碰到内存方面的问题时，也可以更高效定位排查出来

本文基于Netty4.1.43.Final介绍其中的内存管理机制

ByteBuf分类

Netty使用ByteBuf对象作为数据容器，进行I/O读写操作，Netty的内存管理也是围绕着ByteBuf对象高效地分配和释放

当讨论ByteBuf对象管理，主要从以下方面进行分类：

  • Pooled 和 Unpooled

Unpooled，非池化内存每次分配时直接调用系统 API 向操作系统申请ByteBuf需要的同样大小内存，用完后通过系统调用进行释放
Pooled，池化内存分配时基于预分配的一整块大内存，取其中的部分封装成ByteBuf提供使用，用完后回收到内存池中

tips: Netty4默认使用Pooled的方式，可通过参数-Dio.netty.allocator.type=unpooled或pooled进行设置

  • Heap 和 Direct
    Heap，指ByteBuf关联的内存JVM堆内分配，分配的内存受GC 管理
    Direct，指ByteBuf关联的内存在JVM堆外分配，分配的内存不受GC管理，需要通过系统调用实现申请和释放，底层基于Java NIO的DirectByteBuffer对象

note： 使用堆外内存的优势在于，Java进行I/O操作时，需要传入数据所在缓冲区起始地址和长度，由于GC的存在，对象在堆中的位置往往会发生移动，导致对象地址变化，系统调用出错。为避免这种情况，当基于堆内存进行I/O系统调用时，需要将内存拷贝到堆外，而直接基于堆外内存进行I/O操作的话，可以节省该拷贝成本

池化(Pooled)对象管理

非池化对象(Unpooled)，使用和释放对象仅需要调用底层接口实现，池化对象实现则复杂得多，可以带着以下问题进行研究：

  • 内存池管理算法是如何实现高效内存分配释放，减少内存碎片
  • 高负载下内存池不断申请/释放，如何实现弹性伸缩
  • 内存池作为全局数据，在多线程环境下如何减少锁竞争

1 算法设计

1.1 整体原理

Netty先向系统申请一整块连续内存，称为chunk，默认大小chunkSize = 16Mb，通过PoolChunk对象包装。为了更细粒度的管理，Netty将chunk进一步拆分为page，默认每个chunk包含2048个page(pageSize = 8Kb)

不同大小池化内存对象的分配策略不同，下面首先介绍申请内存大小在(pageSize/2, chunkSize]区间范围内的池化对象的分配原理，其他大对象和小对象的分配原理后面再介绍。在同一个chunk中，Netty将page按照不同粒度进行多层分组管理：

  • 第1层，分组大小size = 1*pageSize，一共有2048个组
  • 第2层，分组大小size = 2*pageSize，一共有1024个组
  • 第3层，分组大小size = 4*pageSize，一共有512个组
    ...

当请求分配内存时，将请求分配的内存数向上取值到最接近的分组大小，在该分组大小的相应层级中从左至右寻找空闲分组
例如请求分配内存对象为1.5 pageSize，向上取值到分组大小2 pageSize，在该层分组中找到完全空闲的一组内存进行分配，如下图：

当分组大小2 * pageSize的内存分配出去后，为了方便下次内存分配，分组被标记为全部已使用(图中红色标记)，向上更粗粒度的内存分组被标记为部分已使用(图中黄色标记)

1.2 算法结构

Netty基于平衡树实现上面提到的不同粒度的多层分组管理

当需要创建一个给定大小的ByteBuf，算法需要在PoolChunk中大小为chunkSize的内存中，找到第一个能够容纳申请分配内存的位置

为了方便快速查找chunk中能容纳请求内存的位置，算法构建一个基于byte数组(memoryMap)存储的完全平衡树，该平衡树的多个层级深度，就是前面介绍的按照不同粒度对chunk进行多层分组：

树的深度depth从0开始计算，各层节点数，每个节点对应的内存大小如下：

depth = 0， 1 node，nodeSize = chunkSize
depth = 1， 2 nodes，nodeSize = chunkSize/2
...
depth = d， 2^d nodes， nodeSize = chunkSize/(2^d)
...
depth = maxOrder， 2^maxOrder nodes， nodeSize = chunkSize/2^{maxOrder} = pageSize

树的最大深度为maxOrder(最大阶，默认值11)，通过这棵树，算法在chunk中的查找就可以转换为：

当申请分配大小为chunkSize/2^k的内存，在平衡树高度为k的层级中，从左到右搜索第一个空闲节点

数组的使用域从index = 1开始，将平衡树按照层次顺序依次存储在数组中，depth = n的第1个节点保存在memoryMap[2^n] 中，第2个节点保存在memoryMap[2^n+1]中，以此类推。

可以根据memoryMap[id]的值得出节点的使用情况，memoryMap[id]值越大，剩余的可用内存越少

  • memoryMap[id] = depth_of_id：id节点空闲， 初始状态，depth_of_id的值代表id节点在树中的深度
  • memoryMap[id] = maxOrder + 1：id节点全部已使用，节点内存已完全分配，没有一个子节点空闲
  • depth_of_id < memoryMap[id] < maxOrder + 1：id节点部分已使用，memoryMap[id] 的值 x，代表id的子节点中，第一个空闲节点位于深度x，在深度[depth_of_id, x)的范围内没有任何空闲节点

1.3 申请/释放内存

当申请分配内存，会首先将请求分配的内存大小归一化(向上取值)，通过PoolArena#normalizeCapacity()方法，取最近的2的幂的值​，例如8000byte归一化为8192byte( chunkSize/2^11 )，8193byte归一化为16384byte(chunkSize/2^10)

处理内存申请的算法在PoolChunk#allocateRun方法中，当分配已归一化处理后大小为chunkSize/2^d的内存，即需要在depth = d的层级中找到第一块空闲内存，算法从根节点开始遍历 (根节点depth = 0， id = 1)，具体步骤如下：

  • 步骤1 判断是否当前节点值memoryMap[id] > d
    如果是，则无法从该chunk分配内存，查找结束

  • 步骤2 判断是否节点值memoryMap[id] == d，且depth_of_id == h
    如果是，当前节点是depth = d的空闲内存，查找结束，更新当前节点值为memoryMap[id] = max_order + 1，代表节点已使用，并遍历当前节点的所有祖先节点，更新节点值为各自的左右子节点值的最小值；如果否，执行步骤3

  • 步骤3 判断是否当前节点值memoryMap[id] <= d，且depth_of_id < h
    如果是，则空闲节点在当前节点的子节点中，则先判断左子节点memoryMap[2 * id] <=d(判断左子节点是否可分配)，如果成立，则当前节点更新为左子节点，否则更新为右子节点，然后重复步骤2

参考示例如下图，申请分配了chunkSize/2的内存

note：图中虽然index = 2的子节点memoryMap[id] = depth_of_id，但实际上节点内存已分配，因为算法是从上往下开始遍历，所以在实际处理中，节点分配内存后仅更新祖先节点的值，并没有更新子节点的值

释放内存时，根据申请内存返回的id，将 memoryMap[id]更新为depth_of_id，同时设置id节点的祖先节点值为各自左右节点的最小值

1.4 巨型对象内存管理

对于申请分配大小超过chunkSize的巨型对象(huge)，Netty采用的是非池化管理策略，在每次请求分配内存时单独创建特殊的非池化PoolChunk对象进行管理，内部memoryMap为null，当对象内存释放时整个Chunk内存释放，相应内存申请逻辑在PoolArena#allocateHuge()方法中，释放逻辑在PoolArena#destroyChunk()方法中

1.5 小对象内存管理

当请求对象的大小reqCapacity <= 496，归一化计算后方式是向上取最近的16的倍数，例如15规整为15、40规整为48、490规整为496，规整后的大小(normalizedCapacity)小于pageSize的小对象可分为2类：
微型对象(tiny)：规整后为16的整倍数，如16、32、48、...、496，一共31种规格
小型对象(small)：规整后为2的幂的，有512、1024、2048、4096，一共4种规格

这些小对象直接分配一个page会造成浪费，在page中进行平衡树的标记又额外消耗更多空间，因此Netty的实现是：先PoolChunk中申请空闲page，同一个page分为相同大小规格的小内存进行存储

这些page用PoolSubpage对象进行封装，PoolSubpage内部有记录内存规格大小(elemSize)、可用内存数量(numAvail)和各个小内存的使用情况，通过long[]类型的bitmap相应bit值0或1，来记录内存是否已使用

note：应该有读者注意到，Netty申请池化内存进行归一化处理后的值更大了，例如1025byte会归一化为2048byte，8193byte归一化为16384byte，这样是不是造成了一些浪费？可以理解为是一种取舍，通过归一化处理，使池化内存分配大小规格化，大大方便内存申请和内存、内存复用，提高效率

2 弹性伸缩

前面的算法原理部分介绍了Netty如何实现内存块的申请和释放，单个chunk比较容量有限，如何管理多个chunk，构建成能够弹性伸缩内存池？

2.1 PoolChunk管理

为了解决单个PoolChunk容量有限的问题，Netty将多个PoolChunk组成链表一起管理，然后用PoolChunkList对象持有链表的head

将所有PoolChunk组成一个链表的话，进行遍历查找管理效率较低，因此Netty设计了PoolArena对象(arena中文是舞台、场所)，实现对多个PoolChunkList、PoolSubpage的管理，线程安全控制、对外提供内存分配、释放的服务

PoolArena内部持有6个PoolChunkList，各个PoolChunkList持有的PoolChunk的使用率区间不同：

// 容纳使用率 (0,25%) 的PoolChunk
private final PoolChunkList<T> qInit;
// [1%,50%) 
private final PoolChunkList<T> q000;
// [25%, 75%) 
private final PoolChunkList<T> q025;
// [50%, 100%) 
private final PoolChunkList<T> q050;
// [75%, 100%) 
private final PoolChunkList<T> q075;
// 100% 
private final PoolChunkList<T> q100;

6个PoolChunkList对象组成双向链表，当PoolChunk内存分配、释放，导致使用率变化，需要判断PoolChunk是否超过所在PoolChunkList的限定使用率范围，如果超出了，需要沿着6个PoolChunkList的双向链表找到新的合适PoolChunkList，成为新的head；同样的，当新建PoolChunk并分配完内存，该PoolChunk也需要按照上面逻辑放入合适的PoolChunkList中

分配归一化内存normCapacity(大小范围在[pageSize, chunkSize]) 具体处理如下：

  • 按顺序依次访问q050、q025、q000、qInit、q075，遍历PoolChunkList内PoolChunk链表判断是否有PoolChunk能分配内存
  • 如果上面5个PoolChunkList有任意一个PoolChunk内存分配成功，PoolChunk使用率发生变更，重新检查并放入合适的PoolChunkList中，结束
  • 否则新建一个PoolChunk，分配内存，放入合适的PoolChunkList中(PoolChunkList扩容)

note：可以看到分配内存依次优先在q050 -> q025 -> q000 -> qInit -> q075的PoolChunkList的内分配，这样做的好处是，使分配后各个区间内存使用率更多处于[75,100)的区间范围内，提高PoolChunk内存使用率的同时也兼顾效率，减少在PoolChunkList中PoolChunk的遍历

当PoolChunk内存释放，同样PoolChunk使用率发生变更，重新检查并放入合适的PoolChunkList中，如果释放后PoolChunk内存使用率为0，则从PoolChunkList中移除，释放掉这部分空间，避免在高峰的时候申请过内存一直缓存在池中(PoolChunkList缩容)

PoolChunkList的额定使用率区间存在交叉，这样设计是因为如果基于一个临界值的话，当PoolChunk内存申请释放后的内存使用率在临界值上下徘徊的话，会导致在PoolChunkList链表前后来回移动

2.2 PoolSubpage管理

PoolArena内部持有2个PoolSubpage数组，分别存储tiny和small规格类型的PoolSubpage：

// 数组长度32，实际使用域从index = 1开始，对应31种tiny规格PoolSubpage
private final PoolSubpage<T>[] tinySubpagePools;
// 数组长度4，对应4种small规格PoolSubpage
private final PoolSubpage<T>[] smallSubpagePools;

相同规格大小(elemSize)的PoolSubpage组成链表，不同规格的PoolSubpage链表的head则分别保存在tinySubpagePools 或者 smallSubpagePools数组中，如下图：

当需要分配小内存对象到PoolSubpage中时，根据归一化后的大小，计算出需要访问的PoolSubpage链表在tinySubpagePools和smallSubpagePools数组的下标，访问链表中的PoolSubpage的申请内存分配，如果访问到的PoolSubpage链表节点数为0，则创建新的PoolSubpage分配内存然后加入链表

PoolSubpage链表存储的PoolSubpage都是已分配部分内存，当内存全部分配完或者内存全部释放完的PoolSubpage会移出链表，减少不必要的链表节点；当PoolSubpage内存全部分配完后再释放部分内存，会重新将加入链表

PoolArean内存池弹性伸缩可用下图总结：

3 并发设计

内存分配释放不可避免地会遇到多线程并发场景，无论是PoolChunk的平衡树标记或者PoolSubpage的bitmap标记都是多线程不安全，如何在线程安全的前提下尽量提升并发性能？

首先，为了减少线程间的竞争，Netty会提前创建多个PoolArena(默认生成数量 = 2 * CPU核心数)，当线程首次请求池化内存分配，会找被最少线程持有的PoolArena，并保存线程局部变量PoolThreadCache中，实现线程与PoolArena的关联绑定(PoolThreadLocalCache#initialValue()方法)

note：Java自带的ThreadLocal实现线程局部变量的原理是：基于Thread的ThreadLocalMap类型成员变量，该变量中map的key为ThreadLocal，value-为需要自定义的线程局部变量值。调用ThreadLocal#get()方法时，会通过Thread.currentThread()获取当前线程访问Thread的ThreadLocalMap中的值

Netty设计了ThreadLocal的更高性能替代类：FastThreadLocal，需要配套继承Thread的类FastThreadLocalThread一起使用，基本原理是将原来Thead的基于ThreadLocalMap存储局部变量，扩展为能更快速访问的数组进行存储(Object[] indexedVariables)，每个FastThreadLocal内部维护了一个全局原子自增的int类型的数组index

此外，Netty还设计了缓存机制提升并发性能：当请求对象内存释放，PoolArena并没有马上释放，而是先尝试将该内存关联的PoolChunk和chunk中的偏移位置(handler变量)等信息存入PoolThreadLocalCache中的固定大小缓存队列中(如果缓存队列满了则马上释放内存)；
当请求内存分配，PoolArena会优先访问PoolThreadLocalCache的缓存队列中是否有缓存内存可用，如果有，则直接分配，提高分配效率

总结

Netty池化内存管理的设计借鉴了Facebook的jemalloc，同时也与Linux内存分配算法Buddy算法和Slab算法也有相似之处，很多分布式系统、框架的设计都可以在操作系统的设计中找到原型，学习底层原理是很有价值的

下一篇，介绍Netty堆外内存泄漏问题的排查

参考

《scalable memory allocation using jemalloc —— Facebook》
https://engineering.fb.com/core-data/scalable-memory-allocation-using-jemalloc/

《Netty入门与实战：仿写微信 IM 即时通讯系统》
https://juejin.im/book/5b4bc28bf265da0f60130116?referrer=598ff735f265da3e1c0f9643

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