Netty内存池泄漏问题

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所属分类:编程开发

为了提升消息接收和发送性能,Netty针对ByteBuf的申请和释放采用池化技术,通过PooledByteBufAllocator可以创建基于内存池分配的ByteBuf对象,这样就避免了每次消息读写都申请和释放ByteBuf。由于ByteBuf涉及byte[]数组的创建和销毁,对于性能要求苛刻的系统而言,重用ByteBuf带来的性能收益是非常可观的。

内存池是一把双刃剑,如果使用不当,很容易带来内存泄漏和内存非法引用等问题,另外,除了内存池,Netty同时也支持非池化的ByteBuf,多种类型的ByteBuf功能存在一些差异,使用不当很容易带来各种问题。

业务路由分发模块使用Netty作为通信框架,负责协议消息的接入和路由转发,在功能测试时没有发现问题,转性能测试之后,运行一段时间就发现内存分配异常,服务端无法接收请求消息,系统吞吐量降为0。

1 路由转发服务代码

作为案例示例,对业务服务路由转发代码进行简化,以方便分析:

public class RouterServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
 static ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
 PooledByteBufAllocator allocator = new PooledByteBufAllocator(false);
 @Override
 public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
 ByteBuf reqMsg = (ByteBuf)msg;
 byte [] body = new byte[reqMsg.readableBytes()];
 executorService.execute(()->
 {
 //解析请求消息,做路由转发,代码省略
 //转发成功,返回响应给客户端
 ByteBuf respMsg = allocator.heapBuffer(body.length);
 respMsg.writeBytes(body);//作为示例,简化处理,将请求返回
 ctx.writeAndFlush(respMsg);
 });
 }
 //后续代码省略
}

进行一段时间的性能测试之后,日志中出现异常,进程内存不断飙升,怀疑存在内存泄漏问题,如图1所示。

Netty内存池泄漏问题

图1 性能测试异常日志

2 响应消息内存释放玄机

对业务ByteBuf申请相关代码进行排查,发现响应消息由业务线程创建,但是却没有主动释放,因此怀疑是响应消息没有释放导致的内存泄漏。因为响应消息使用的是PooledHeapByteBuf,如果发生内存泄漏,利用堆内存监控就可以找到泄漏点,通过Java VisualVM工具观察堆内存占用趋势,并没有发现堆内存发生泄漏,如图2所示。

Netty内存池泄漏问题

图2 业务堆内存监控数据

对内存做快照,查看在性能压测过程中响应消息PooledUnsafeHeapByteBuf的实例个数,如图3所示,响应消息对象个数和内存占用都很少,排除内存泄漏嫌疑。

Netty内存池泄漏问题

图3 业务堆内存快照

业务从内存池中申请了ByteBuf,但是却没有主动释放它,最后也没有发生内存泄漏,这究竟是什么原因呢?通过对Netty源码的分析,我们破解了其中的玄机。原来调用ctx.writeAndFlush(respMsg)方法时,当消息发送完成,Netty框架会主动帮助应用释放内存,内存的释放分为如下两种场景。

(1)如果是堆内存(PooledHeapByteBuf),则将HeapByteBuffer转换成DirectByteBuffer,并释放PooledHeapByteBuf到内存池,代码如下(AbstractNioChannel类):

protected final ByteBuf newDirectBuffer(ByteBuf buf) { 
 final int readableBytes = buf.readableBytes(); 
 if (readableBytes == 0) { 
 ReferenceCountUtil.safeRelease(buf); 
 return Unpooled.EMPTY_BUFFER; 
 } 
 final ByteBufAllocator alloc = alloc(); 
 if (alloc.isDirectBufferPooled()) { 
 ByteBuf directBuf = alloc.directBuffer(readableBytes); 
 directBuf.writeBytes(buf, buf.readerIndex(), readableBytes); 
 ReferenceCountUtil.safeRelease(buf); 
 return directBuf; 
 } } 
 //后续代码省略 
}

如果消息完整地被写到SocketChannel中,则释放DirectByteBuffer,代码如下(ChannelOutboundBuffer):

public boolean remove() { 
 Entry e = flushedEntry; 
 if (e == null) { 
 clearNioBuffers(); 
 return false; 
 } 
 Object msg = e.msg; 
 ChannelPromise promise = e.promise; 
 int size = e.pendingSize; 
 removeEntry(e); 
 if (!e.cancelled) { 
 ReferenceCountUtil.safeRelease(msg); 
 safeSuccess(promise); 
 decrementPendingOutboundBytes(size, false, true); 
 } 
//后续代码省略 
}

对Netty源码进行断点调试,验证上述分析。

断点1:在响应消息发送处设置断点,获取到的PooledUnsafeHeapByteBuf实例的ID为1506,如图4所示。

Netty内存池泄漏问题

图4 在响应消息发送处设置断点

断点2:在HeapByteBuffer转换成DirectByteBuffer处设置断点,发现实例ID为1506的PooledUnsafeHeapByteBuf被释放,如图5所示。

Netty内存池泄漏问题

图5 在响应消息释放处设置断点

断点3:转换之后待发送的响应消息PooledUnsafeDirectByteBuf实例的ID为1527,如图6所示。

Netty内存池泄漏问题

图6 在响应消息转换处设置断点

断点4:在响应消息发送完成后,实例ID为1527的PooledUnsafeDirectByteBuf被释放到内存池中,如图7所示。

Netty内存池泄漏问题

图7 在转换之后的响应消息释放处设置断点

(2)如果是DirectByteBuffer,则不需要转换,在消息发送完成后,由ChannelOutboundBuffer的remove()负责释放。

通过源码解读、调试及堆内存的监控分析,可以确认不是响应消息没有主动释放导致的内存泄漏,需要Dump内存做进一步定位。

3 采集堆内存快照分析

执行jmap命令,Dump应用内存堆栈,如图8所示。

Netty内存池泄漏问题

图8 Dump应用内存堆栈的命令

通过MemoryAnalyzer工具对内存堆栈进行分析,寻找内存泄漏点,如图9所示。

从图9可以看出,内存泄漏点是Netty内存池对象PoolChunk,由于请求和响应消息内存分配都来自PoolChunk,暂时还不确认是请求还是响应消息导致的问题。进一步对代码进行分析,发现响应消息使用的是堆内存HeapByteBuffer,请求消息使用的是DirectByteBuffer,由于Dump出来的是堆内存,如果是堆内存泄漏,Dump出来的内存文件应该包含大量的PooledHeapByteBuf,实际上并没有,因此可以确认系统发生了堆外内存泄漏,即请求消息没有被释放或者没有被及时释放导致的内存泄漏。

Netty内存池泄漏问题

图9 寻找内存泄漏点

对请求消息的内存分配进行分析,发现在NioByteUnsafe的read方法中申请了内存,代码如下(NioByteUnsafe):

public final void read() { 
 final ChannelConfig config = config(); 
 if (shouldBreakReadReady(config)) { 
 clearReadPending(); 
 return; 
 } 
 final ChannelPipeline pipeline = pipeline(); 
 final ByteBufAllocator allocator = config.getAllocator(); 
 final RecvByteBufAllocator.Handle allocHandle = recvBufAllocHandle(); 
 allocHandle.reset(config); 
 ByteBuf byteBuf = null; 
 boolean close = false; 
 try { 
 do { 
 byteBuf = allocHandle.allocate(allocator); 
//代码省略 

继续对allocate方法进行分析,发现调用的是DefaultMaxMessagesRecvByteBuf- Allocator$MaxMessageHandle的allocate方法,代码如下(DefaultMaxMessagesRecvByteBuf- Allocator):

 public ByteBuf allocate(ByteBufAllocator alloc) { 
 return alloc.ioBuffer(guess()); 
 }

alloc.ioBuffer方法最终会调用PooledByteBufAllocator的newDirectBuffer方法创建PooledDirectByteBuf对象。

请求ByteBuf的创建分析完,继续分析它的释放操作,由于业务的RouterServerHandler继承自ChannelInboundHandlerAdapter,它的channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)方法执行完成,ChannelHandler的执行就结束了,代码示例如下:

@Override 
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) { 
 ByteBuf reqMsg = (ByteBuf)msg; 
 byte [] body = new byte[reqMsg.readableBytes()]; 
 executorService.execute(()-> 
 { 
 //解析请求消息,做路由转发,代码省略 
 //转发成功,返回响应给客户端 
 ByteBuf respMsg = allocator.heapBuffer(body.length); 
 respMsg.writeBytes(body);//作为示例,简化处理,将请求返回 
 ctx.writeAndFlush(respMsg); 
 }); 
//后续代码省略

通过代码分析发现,请求ByteBuf被Netty框架申请后竟然没有被释放,为了验证分析,在业务代码中调用ReferenceCountUtil的release方法进行内存释放操作,代码修改如下:

@Override 
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) { 
 ByteBuf reqMsg = (ByteBuf)msg;byte [] body = new byte[reqMsg.readableBytes()]; 
 ReferenceCountUtil.release(reqMsg); 
//后续代码省略

修改之后继续进行压测,发现系统运行平稳,没有发生OOM异常。对内存活动对象进行排序,没有再发现大量的PoolChunk对象,内存泄漏问题解决,问题修复之后的内存快照如图10所示。

Netty内存池泄漏问题

图10 问题修复之后的内存快照

4 ByteBuf申请和释放的理解误区

有一种说法认为Netty框架分配的ByteBuf框架会自动释放,业务不需要释放;业务创建的ByteBuf则需要自己释放,Netty框架不会释放。

通过前面的案例分析和验证,我们可以看出这个观点是错误的。为了在实际项目中更好地管理ByteBuf,下面我们分4种场景进行说明。

1.基于内存池的请求ByteBuf

这类ByteBuf主要包括PooledDirectByteBuf和PooledHeapByteBuf,它由Netty的NioEventLoop线程在处理Channel的读操作时分配,需要在业务ChannelInboundHandler处理完请求消息之后释放(通常在解码之后),它的释放有两种策略。

策略1 业务ChannelInboundHandler继承自SimpleChannelInboundHandler,实现它的抽象方法channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, I msg),ByteBuf的释放业务不用关心,由SimpleChannelInboundHandler负责释放,相关代码如下(SimpleChannelInboundHandler):

@Override 
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws
Exception { 
 boolean release = true; 
 try { 
 if (acceptInboundMessage(msg)) { 
 I imsg = (I) msg; 
 channelRead0(ctx, imsg); 
 } else { 
 release = false; 
 ctx.fireChannelRead(msg); 
 } 
} finally { 
 if (autoRelease && release) { 
 ReferenceCountUtil.release(msg); 
 } 
} 
}

如果当前业务ChannelInboundHandler需要执行,则调用channelRead0之后执行ReferenceCountUtil.release(msg)释放当前请求消息。如果没有匹配上需要继续执行后续的ChannelInboundHandler,则不释放当前请求消息,调用ctx.fireChannelRead(msg)驱动ChannelPipeline继续执行。

对案例中的问题代码进行修改,继承自SimpleChannelInboundHandler,即便业务不释放请求的ByteBuf对象,依然不会发生内存泄漏,修改之后的代码如下(RouterServerHandlerV2):

public class RouterServerHandlerV2 extends SimpleChannelInboundHandler <ByteBuf> { 
 //代码省略 
 @Override 
 public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg) { 
 byte [] body = new byte[msg.readableBytes()]; 
 executorService.execute(()-> 
 { 
 //解析请求消息,做路由转发,代码省略
 //转发成功,返回响应给客户端 
 ByteBuf respMsg = allocator.heapBuffer(body.length); 
 respMsg.writeBytes(body);//作为示例,简化处理,将请求返回 
 ctx.writeAndFlush(respMsg); 
 }); 
}

对修改之后的代码做性能测试,发现内存占用平稳,无内存泄漏问题,验证了之前的分析结论。

策略2 在业务ChannelInboundHandler中调用ctx.fireChannelRead(msg)方法,让请求消息继续向后执行,直到调用DefaultChannelPipeline的内部类TailContext,由它来负责释放请求消息,代码如下(TailContext):

protected void onUnhandledInboundMessage(Object msg) { 
 try { 
 logger.debug( 
 "Discarded inbound message {} that reached at the tail of the pipeline. " + 
 "Please check your pipeline configuration.", msg); 
 } finally { 
 ReferenceCountUtil.release(msg); 
 } 
 }

2.基于非内存池的请求ByteBuf

如果业务使用非内存池模式覆盖Netty默认的内存池模式创建请求ByteBuf,例如通过如下代码修改内存申请策略为Unpooled:

//代码省略 
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { 
 @Override 
 public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { 
 ChannelPipeline p = ch.pipeline(); 
 ch.config().setAllocator(UnpooledByteBufAllocator.DEFAULT);
 p.addLast(new RouterServerHandler()); 
 } 
 }); 
}

也需要按照内存池的方式释放内存。

3.基于内存池的响应ByteBuf

根据之前的分析,只要调用了writeAndFlush或者flush方法,在消息发送完成后都会由Netty框架进行内存释放,业务不需要主动释放内存。

4.基于非内存池的响应ByteBuf

无论是基于内存池还是非内存池分配的ByteBuf,如果是堆内存,则将堆内存转换成堆外内存,然后释放HeapByteBuffer,待消息发送完成,再释放转换后的DirectByteBuf;如果是DirectByteBuffer,则不需要转换,待消息发送完成之后释放。因此对于需要发送的响应ByteBuf,由业务创建,但是不需要由业务来释放。

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