Protobuf使用不当导致的程序内存上涨问题-创新互联
protocol buffers[1]是google提供的一种将结构化数据进行序列化和反序列化的方法，其优点是语言中立，平台中立，可扩展性好，目前在google内部大量用于数据存储，通讯协议等方面。PB在功能上类似XML，但是序列化后的数据更小，解析更快，使用上更简单。用户只要按照proto语法在.proto文件中定义好数据的结构，就可以使用PB提供的工具（protoc）自动生成处理数据的代码，使用这些代码就能在程序中方便的通过各种数据流读写数据。PB目前支持Java, C++和Python3种语言。另外，PB还提供了很好的向后兼容，即旧版本的程序可以正常处理新版本的数据，新版本的程序也能正常处理旧版本的数据。
笔者在项目的测试过程中，遇到了一个protocal buffer使用不当倒是的模块内存不断上涨的问题。这里和大家分享一下问题的定位、分析以及解决过程。
1. 问题现象
5月，出现问题的模块（以下成为模块）内存有泄露的嫌疑，表现为程序在启动后内存一直在缓慢的上涨。由于该模块每天都存在重启的操作，因此没有带来较大的影响。
8月，发现线上模块的内存上涨速度加快。
9月，模块线上出现内存报警。内存使用量从启动时的40G，在70小时左右上涨到50G，由于会出现OOM的风险，模块不得不频繁重启。
9月底，模块的某个版本上线后，由于内存使用量稍有增加，导致程序在启动后不到24小时内就出现内存报警，线上程序的稳定受到非常大的影响。线上程序回滚，并且停止该模块的所有功能迭代，直到内存问题解决为止。
模块是整个系统最核心的模块，业务的停止迭代对产品的研发效率影响巨大。问题亟需解决！
2. 问题复现
出现这种问题后，首先要做的就是在线下复现问题，这样才能更好的定位问题，并且能够快速的验证问题修复的效果。但是经过多天的尝试，在QA的测试环境中，模块的内存表现情况均与线上不一致。具体表现为：
1）线上模块的内存一直在上涨，直到机器内存耗尽，模块重启；线下模块的内存在压力持续若干小时后就趋于稳定，不再上涨。
2）线下环境中，模块的内存上涨速度没有线上快。
出现这两种情况的原因后面再解释。线上线下表现的不一致给问题的复现和效果验证带来了一定的困难。但好在在线下环境中内存使用量依然是上涨的，可以用来定位问题。
3. 模块定位
小版本间升级点排查。对于这个内存上涨已存在数月的模块来说，要直接定位问题的难度是非常大的，而且投入会十分巨大。为了使模块的功能迭代尽快开始，最初我们将定位的焦点聚焦于近期模块上线的功能排查。寄希望于通过排查这些数量较少的升级，发现对内存的影响。经过2天的排查，没有任何的发现。
结合该模块内存的历史表现和近期升级功能的排查结果，我们认为模块的内存增长很可能不是泄露，而是某些数据在不断的调用过程中不断的增大，从而导致内存不断的上涨。理论上，经过足够长的时间后程序的内存使用是可以稳定的。但是受限于程序的物理内存，我们无法观察到内存稳定的那一刻。
排除数据热加载导致的内存泄露。在线下环境中，所有的数据文件都没有更新，因此排除了数据热加载导致的内存泄露。
各模块逐步排查。小版本间的升级点排查无果后，我们将排查的方法调整为对程序内的各个子模块（简称module）逐个排除的方法。模块的module共有13个，如果逐个查，那么消耗的时间会特别多。在实施的过程中采用了二分法进行分析。具体的是某个module为中间点，将该module及以后的模块去掉，来观察模块的内存变化情况。在去掉中间module（含）之后的模块后，发现内存的上涨速度下降了30%，说明该module之前的模块存在70%的泄露。通过分析这些模块，发现某个module (简称module A) 的嫌疑大。
通过UT验证内存上涨情况。在之前确定主要泄露module的过程中，我们采用在真实环境中进行验证的方法。这个方法的缺点是时间消耗巨大。启动程序，观察都需要消耗很长的时间，一天只能验证一个版本。为了加快问题的验证速度，并结合模块的特点，我们采用了写UT调用module的方法进行验证。每次验证的时间只需要30分钟，使得问题验证速度大大加快。
部署监控，定位问题。通过写UT，我们排除了module A中的两个子module。并且，我们发现module A单线程的内存上涨速度占线上单线程上涨量的30%，这个地方很可能存在着严重的问题。在UT中，我们对这个module中最主要的数据结构merged_data（存储其包含的子module的特征数据）进行了监控。我们发现，merged_data这个数据结构的内存一直上涨，上涨量与module A整体的量一致。到此，我们确认了merged_data这种类型的结构存在内存上涨。而这种类型的数据结构在模块中还有很多，我们合理的怀疑整个模块的内存上涨都是这种情况导致的。
4. 问题分析
我们先看下module A中merged_data字段的用法。其主要的使用过程如下：
通过上面的代码，我们可以看到_merged_data字段，在run函数中会向里面插入数据，在reset函数中会调用Clear方法对数据进行清理。结果监控中发现的_merged_data占用的内存空间不断的变大。通过查阅protobuf clear函数的介绍，我们发现：protobuf的message在执行clear操作时，是不会对其用到的空间进行回收的，只会对数据进行清理。这就导致线程占用的数据越来越大，直到出现理论上的大数据后，其内存使用量才会保持稳定。
我们可以得到这样一个结论：protobuf的clear操作适合于清理那些数据量变化不大的数据，对于大小变化较大的数据是不适合的，需要定期（或每次）进行delete操作。
图1反映出模块中一些主要protobuf message的变化情况。baseline-old是程序启动后的内存情况。baseline-new是程序启动6小时后的内存情况，可以看到所有的数据结构内存占用量都有增加。并且大部分的数据都有大幅的增加。
5. 问题解决
在了解了问题的原因后，解决方案就比较简单了。代码如下：
优化的代码中，在每次reset的时候，都会调用scoped_ptr的reset操作,reset会delete指针指向的对象，然后用新的地址进行赋值。优化后的效果如图2所示。newversion-old是优化版本启动1小时候的数据，newversion-latest是优化版本启动6小时后的数据。可以看到从绝对值和上涨量上，优化效果都非常明显。
这个优化方法可能存在一个问题：那就是每次进行reset时，都会对数据进行析构，并重新申请内存，这个操作理论上是非常耗时的。内存优化后，可能会导致程序的CPU消耗增加。具体CPU的变化情况还需要在测试环境中验证。
6. 问题验证
优化版本的表现情况如图3。
图4显示的是优化版本与基线版本的CPU IDLE对比情况。可以看到优化版本的CPU IDLE反而更高，CPU占用变少了。一个合理的解释是：当protobuf的messge数据量非常大时，其clear操作消耗的CPU比小message的析构和构造消耗的总的CPU还要多。
下面是Clear操作的代码。
通过上面的代码及图5可以看出，Clear操作采用了递归的方式对Message中的逐个字段都进行了处理。对于基础类型字段，代码会对每个字段都设置默认值。对于一个非常长大的Message来说，消耗的CPU会非常多。相对于这种情况，释放Message的内存并重新申请小的空间，所占用CPU资源反而更少一些。在这个Case中，经常出现Clear操作清理6、7M内存的情况。这样数据量的Clear操作与释放Message，再申请200K Message空间比起来，显然更消耗CPU资源。
7. 总结
protobuf的cache机制
protobuf message的clear()操作是存在cache机制的，它并不会释放申请的空间，这导致占用的空间越来越大。如果程序中protobuf message占用的空间变化很大，那么最好每次或定期进行清理。这样可以避免内存不断的上涨。这也是模块内存一直上涨的核心问题。
内存监控机制
需要对程序的各个模块添加合适的监控机制，这样当某个module的内存占用增加时，我们可以及时发现细节的问题，而不用从头排查。根据这次的排查经验，后面会主导在产品代码中添加线程/module级内存和cpu处理时间的监控，将监控再往”下”做一层。
UT在内存问题定位中的作用
在逐个对module进行排查时，UT验证比在测试环境中更高效，当然前提是这些module的UT能够比较容易的写出来。这也是使用先进框架的一个原因。对于验证环境代价高昂的模块，UT验证的效果更加明显。
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