圖資料庫 NebulaGraph 的記憶體管理實踐之 Memory Tracker

資料庫的記憶體管理是資料庫核心設計中的重要模組，記憶體的可度量、可管控是資料庫穩定性的重要保障。同樣的，記憶體管理對圖資料庫 NebulaGraph 也至關重要。

圖資料庫的多度關聯查詢特性，往往使圖資料庫執行層對記憶體的需求量巨大。本文主要介紹 NebulaGraph v3.4 版本中引入的新特性 Memory Tracker，希望透過 Memory Tracker 模組的引入，實現細粒度的記憶體使用量管控，降低 graphd 和 storaged 發生被系統 OOM kill 的風險，提升 NebulaGraph 圖資料庫的核心穩定性。

注：為了同程式碼保持對應，本文部分用詞直接使用了英文，e.g. reserve 記憶體 quota。

可用記憶體

在進行 Memory Tracker 的介紹之前，這裡先介紹下相關的背景知識：可用記憶體。

程式可用記憶體

在這裡，我們簡單介紹下各個模式下，系統是如何判斷可用記憶體的。

物理機模式

資料庫核心會讀取系統目錄 /proc/meminfo，來確定當前環境的實際記憶體和剩餘記憶體，Memory Tracker 將“實際實體記憶體”作為“程式可以使用的最大記憶體”；

容器/cgroup 模式

在 nebula-graphd.conf 檔案中有一個配置項 FLAG_containerized 用來判斷是否資料庫跑在容器上。將 FLAG_containerized（預設為 false）設定為 true 之後，核心會讀取相關 cgroup path 下的檔案，確定當前程式可以使用多少記憶體；cgroup 有 v1、v2 兩個版本，這裡以 v2 為例；

舉個例子，在單臺機器上分別控制 graphd 和 storaged 的記憶體額度。你可以透過以下步驟：

step1：設定 FLAG_containerized=true；

step2：建立 /sys/fs/cgroup/graphd/，/sys/fs/cgroup/storaged/，並配置各自目錄下的 memory.max；

step3：在 etc/nebula-graphd.conf，etc/nebula-storaged.conf 新增相關配置

--containerized=true
--cgroup_v2_controllers=/sys/fs/cgroup/graphd/cgroup.controllers
--cgroup_v2_memory_stat_path=/sys/fs/cgroup/graphd/memory.stat
--cgroup_v2_memory_max_path=/sys/fs/cgroup/graphd/memory.max
--cgroup_v2_memory_current_path=/sys/fs/cgroup/graphd/memory.current

Memory Tracker 可用記憶體

在獲取“程式可用記憶體”以後，系統需要將其換算成 Memory Tracker 可 track 的記憶體，“程式可用記憶體”與“Memory Tracker 可用記憶體”有一個換算公式；

memtracker_limit = ( total - FLAGS_memory_tracker_untracked_reserved_memory_mb ) * FLAGS_memory_tracker_limit_ratio

這裡來詳細展開說下 memory_tracker_limit_ratio 的使用：

• 在混合部署環境中，存在多個 graphd 或 storaged 混合部署是需要調小。比如 graphd 只佔用 50% 記憶體，則需在 nebula-graphd.conf 中將其手動改成 0.5；

• 取值範圍：memory_tracker_limit_ratio 除了 (0,1] 取值範圍外，還額外定義了兩個特殊值：

  • 2：透過資料庫核心感知當前系統執行環境的可用記憶體，動態調整可用記憶體。由於此種方式非實時，有一定的機率會感知不精準；
  • 3：limit 將被設成一個極大值，起到關閉 Memory Tracker 的效果；

Memory Tracker 的設計與實現方案

下面，講下 Memory Tracker 的設計與實現。整體的 Memory Tracker 設計，包含 Global new/delete operator、MemoryStats、system malloc、Limiter 等幾個子模組。這個部分著重介紹下 Global new/delete operator 和 MemoryStats 模組。

Global new/delete operator

Memory Tracker 透過 overload 全域性 new/delete operator，接管記憶體的申請和釋放，從而做到在進行真正的記憶體分配之前，進行記憶體額度分配的管理。這個過程分解為兩個步驟：

• 第一步：透過 MemoryStats 進行記憶體申請的彙報；
• 第二步：呼叫 jemalloc 發生真正的記憶體分配行為；

jemalloc：Memory Tracker 不改變底層的 malloc 機制，仍然使用 jemalloc 進行記憶體的申請和釋放；

MemoryStats

全域性的記憶體使用情況統計，透過 GlobalMemoryStats 和 ThreadMemoryStats 分別對全域性記憶體和執行緒內部記憶體進行管理；

ThreadMemoryStats

thread_local 變數，執行引擎執行緒在各自的 ThreadMemoryStats 中維護執行緒的 MemoryStats，包括“記憶體 Reservation 資訊”和“是否允許拋異常的 throwOnMemoryExceeded”；

• Reservation

每個執行緒 reserve 了 1 MB 的記憶體 quota，從而避免頻繁地向 GlobalMemoryStats 索要額度。不管是申請還是返還時，ThreadMemoryStats 都會以一個較大的記憶體塊作為與全域性交換的單位。

alloc：在本地 reserved 1 MB 記憶體用完了，才問全域性要下一個 1 MB。透過此種方式來儘可能降低向全域性 quota 申請記憶體的頻率；

dealloc：返還的記憶體先加到執行緒的 reserved 中，當 reserve quota 超過 1 MB 時，還掉 1 MB，剩下的自己留著；

 // Memory stats for each thread.
 struct ThreadMemoryStats {
   ThreadMemoryStats();
   ~ThreadMemoryStats();
 
   // reserved bytes size in current thread
   int64_t reserved;
   bool throwOnMemoryExceeded{false};
 };

• throwOnMemoryExceeded  

執行緒在遇到超過記憶體額度時，是否 throw 異常。只有在設定 throwOnMemoryExceeded 為 true 時，才會 throw std::bad_alloc。需要關閉 throw std::bad_alloc 場景見 Catch std::bac_alloc 章節。

GlobalMemoryStats

全域性記憶體額度，維護了 limit 和 used 變數。

• limit：透過執行環境和配置資訊，換算得到 Memory Tracker 可管理的最大記憶體。limit 同 Limiter 模組的作用，詳細記憶體換算見上文“Memory Tracker 可用記憶體”章節；
• used：原子變數，彙總所有執行緒彙報上來的已使用記憶體（包括執行緒 reserved 的部分）。如果 used + try_to_alloc > limit，且在 throwOnMemoryExceeded 為 true 時，則會拋異常std::bac_alloc。

Catch std::bac_alloc

由於 Memory Tracker overload new/delete 會影響所有執行緒，包括三方執行緒。此時，throw bad_alloc 在一些第三方執行緒可能出現非預期行為。為了杜絕此類問題發生，我們採用在程式碼路徑上主動開啟記憶體檢測，選擇在運算元、RPC 等模組主動開啟記憶體檢測；

運算元的記憶體檢測

在 graph/storage 的各個運算元中，新增 try...catch (在當前執行緒進行計算/分配記憶體) 和 thenError (透過 folly::Executor 非同步提交的計算任務)，感知 Memory Tracker 丟擲 std::bac_alloc。資料庫再透過 Status 返回錯誤碼，使查詢失敗；

在進行一些記憶體除錯時，可透過開啟 nebula-graphd.conf 檔案中的 FLAGS_memory_tracker_detail_log 配置項，並調小 memory_tracker_detail_log_interval_ms 觀察查詢前後的記憶體使用情況；

folly::future 非同步執行

thenValue([this](StorageRpcResponse<GetNeighborsResponse>&& resp) {
    memory::MemoryCheckGuard guard;
    // memory tracker turned on code scope
    return handleResponse(resp);
})
.thenError(folly::tag_t<std::bad_alloc>{},
    [](const std::bad_alloc&) {
    // handle memory exceed
})

同步執行

memory::MemoryCheckGuard guard; \
try {
    // ...
} catch (std::bad_alloc & e) { \
    // handle memory exceed
}

RPC 的記憶體檢測

RPC 主要解決 Request/Response 物件的序列化/反序列化的記憶體額度控制問題，由於 storaged reponse 返回的資料均封裝在 DataSet 資料結構中，所以問題轉化為：DataSet 的序列化、反序列化過程中的記憶體檢測。

序列化：DataSet 的物件構造在 NebulaGraph 運算元返回結果邏輯中，預設情況下，已經開啟記憶體檢測；

反序列化：透過 MemoryCheckGuard 顯式開啟，在 StorageClientBase::getResponse's onError 可捕獲異常；

錯誤碼

為了便於分辨哪個模組發生問題，NebulaGraph 中還新增了相關錯誤碼，分別表示 graphd 和 storaged 發生 memory exceeded 異常：

E_GRAPH_MEMORY_EXCEEDED = -2600, // Graph memory exceeded
E_STORAGE_MEMORY_EXCEEDED = -3600, // Storage memory exceeded

延伸閱讀

• 什麼是 malloc 以及動態記憶體分配：https://en.wikipedia.org/wiki/C_dynamic_memory_allocation

• jemalloc

  • 原始論文：https://www.bsdcan.org/2006/papers/jemalloc.pdf
  • Facebook 對 jemalloc 的最佳化：https://engineering.fb.com/2011/01/03/core-data/scalable-memory-allocation-using-jemalloc/

謝謝你讀完本文 (///▽///)