Go map 竟然也会发生内存泄漏?

Go 程序运行时,有些场景下会导致进程进入某个“高点”,然后就再也下不来了。

比如,多年前曹大写过的一篇文章讲过,在做活动时线上涌入的大流量把 goroutine 数抬升了不少,流量恢复之后 goroutine 数也没降下来,导致 GC 的压力升高,总体的 CPU 消耗也较平时上升了 2 个点左右。

有一个 issue 讨论为什么 allgs(runtime 中存储所有 goroutine 的一个全局 slice) 不收缩,一个好处是:goroutine 复用,让 goroutine 的创建更加得便利,而这也正是 Go 语言的一大优势。

最近在看《100 mistakes》,书里专门有一节讲 map 的内存泄漏。其实这也是另一个在经历大流量后,无法“恢复”的例子:map 占用的内存“只增不减”。

之前写过的一篇《深度解密 Go 语言之 map》里讲到过 map 的内部数据结构,并且分析过创建、遍历、删除的过程。

在 Go runtime 层,map 是一个指向 hmap 结构体的指针,hmap 里有一个字段 B,它决定了 map 能存放的元素个数。

hamp 结构体代码如下:

type hmap struct {
	count     int
	flags     uint8
	B         uint8
	
	// ...
}

若我们想初始化一个长度为 100w 元素的 map,B 是多少呢?

用 B 可以计算 map 的元素个数:loadfactor * 2^B,loadfactor 目前是 6.5,当 B=17 时,可放 851,968 个元素;当 B=18,可放 1,703,936 个元素。因此当我们将 map 的长度初始化为 100w 时,B 的值应是 18。

loadfactor 是装载因子,用来衡量平均一个 bucket 里有多少个 key。

如何查看占用的内存数量呢?用 runtime.MemStats:

package main

import (
	"fmt"
	"runtime"
)

const N = 128

func randBytes() [N]byte {
	return [N]byte{}
}

func printAlloc() {
	var m runtime.MemStats
	runtime.ReadMemStats(&m)
	fmt.Printf("%d MB\n", m.Alloc/1024/1024)
}

func main() {
	n := 1_000_000
	m := make(map[int][N]byte, 0)
	printAlloc()

	for i := 0; i < n; i++ {
		m[i] = randBytes()
	}
	printAlloc()
	
	for i := 0; i < n; i++ {
		delete(m, i)
	}
	
	runtime.GC()
	printAlloc()
	runtime.KeepAlive(m)
}

如果不加最后的 KeepAlive,m 会被回收掉。

当 N = 128 时,运行程序:

$ go run main2.go
0 MB
461 MB
293 MB

可以看到,当删除了所有 kv 后,内存占用依然有 293 MB,这实际上是创建长度为 100w 的 map 所消耗的内存大小。当我们创建一个初始长度为 100w 的 map:

package main

import (
	"fmt"
	"runtime"
)

const N = 128

func printAlloc() {
	var m runtime.MemStats
	runtime.ReadMemStats(&m)
	fmt.Printf("%d MB\n", m.Alloc/1024/1024)
}

func main() {
	n := 1_000_000
	m := make(map[int][N]byte, n)
	printAlloc()

	runtime.KeepAlive(m)
}

运行程序,得到 100w 长度的 map 的消耗的内存为:

$ go run main3.go
293 MB

这时有一个疑惑,为什么在向 map 写入了 100w 个 kv 之后,占用内存变成了 461MB?

我们知道,当 val 大小 <= 128B 时,val 其实是直接放在 bucket 里的,按理说,写入 kv 与否,这些 bucket 占用的内存都在那里。换句话说,写入 kv 之后,占用的内存应该还是 293MB,实际上却是 461MB。

这里的原因其实是在写入 100w kv 期间 map 发生了扩容,buckets 进行了搬迁。我们可以用 hack 的方式打印出 B 值:

func main() {
	//...

	var B uint8
	for i := 0; i < n; i++ {
		curB := *(*uint8)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(*(**int)(unsafe.Pointer(&m)))) + 9))
		if B != curB {
			fmt.Println(curB)
			B = curB
		}

		m[i] = randBytes()
	}

	//...

	runtime.KeepAlive(m)
}

运行程序,B 值从 1 一直变到 18。搬迁的过程可以参考前面提到的那篇 map 文章,这里不再赘述。

而如果我们初始化的时候直接将 map 的长度指定为 100w,那内存变化情况为:

293 MB
293 MB
293 MB

当 val 小于 128B 时,初始化 map 后内存占用量一直不变。原因是 put 操作只是在 bucket 里原地写入 val,而 delete 操作则是将 val 清零,bucket 本身还在。因此,内存占用大小不变。

而当 val 大小超过 128B 后,bucket 不会直接放 val,转而变成一个指针。我们将 N 设为 129,运行程序:

0 MB
197 MB
38 MB

虽然 map 的 bucket 占用内存量依然存在,但 val 改成指针存储后内存占用量大大降低。且 val 被删掉后,内存占用量确实降低了。

总之,map 的 buckets 数只会增,不会降。所以在流量冲击后,map 的 buckets 数增长到一定值,之后即使把元素都删了也无济于事。内存占用还是在,因为 buckets 占用的内存不会少。

对于 map 内存泄漏的解法:

  • 重启;
  • 将 val 类型改成指针;
  • 定期地将 map 里的元素全量拷贝到另一个 map 里。

好在一般有大流量冲击的互联网业务大都是 toC 场景,上线频率非常高。有的公司能一天上线好几次,在问题暴露之前就已经重启恢复了,问题不大。

posted @ 2022-11-13 12:25  Stefno  阅读(2171)  评论(0编辑  收藏  举报