我們最近使用 OpenResty XRay 幫助一個銷售 CDN 和流量網關服務的企業客户優化了他們的 OpenResty/Nginx 服務器的內存使用。這個客户在他們的 OpenResty/Nginx 配置文件中定義了許多虛擬服務器和 URI location。OpenResty XRay 在客户的生產環境中自動進行了大部分分析，基於分析結果給出的方案讓 nginx 進程的內存佔用減少了大約 30%。

和我們的 OpenResty Edge 的 nginx worker 進程相比顯示, 進一步的優化將會繼續減少約 90%。

OpenResty XRay 是一個動態追蹤產品，它可以自動分析正在運行中的應用程序，以排除性能問題、行為問題和安全漏洞，並提供可行的建議。在底層實現上，OpenResty XRay 由我們的 Y 語言驅動，可以在不同環境下支持多種不同的運行時，如 Stap+, eBPF+, GDB 和 ODB。

挑戰

這個 CDN 供應商使用一個超大的“nginx.conf”配置文件來為他們的 OpenResty 服務器中的近萬個虛擬主機服務。每個 nginx 主進程在啓動後佔用了好幾個 G 的內存，在一次或多次 HUP reload 後，內存幾乎翻倍。從下面 OpenResty XRay 生成的圖中可以看出，最大內存佔用約為 4.60GB。

我們可以從 OpenResty XRay 的應用層面內存使用明細表中看到，Glibc 分配器佔用了大部分常駐內存，有 4.55GB。

而 OpenResty XRay 發現 Nginx cycle pool 佔用了大量的內存：

當 Nginx 加載配置文件時，我們都知道它為這個 cycle pool 內的配置數據分配了數據結構。雖然龐大到有 1.62GB，但遠遠小於上面提到的 4.60GB。

RAM 依然是昂貴和稀缺的硬件資源，特別是在 AWS 和 GCP 這樣的公有云上。客户希望通過降級到內存較小的機器來節約成本。

分析

OpenResty XRay 對客户的在線進程進行了深入分析。它不需要客户的應用程序進行任何協作。

• 沒有額外的插件、模塊或庫。
• 沒有代碼注入或補丁。
• 沒有特殊的編譯或啓動選項。
• 甚至不需要重新啓動應用程序進程。

分析完全是以“事後”的方式進行的。多虧了 Openresty XRay 採用的動態跟蹤技術。

太多的空閒區塊

OpenResty XRay 用 Glibc 內存分配器的分析器自動對在線 nginx 進程進行採樣。分析器生成了以下柱狀圖，顯示了分配器管理的空閒塊的大小是如何分佈的。

Glibc 分配器通常不會立即釋放空閒塊給操作系統（OS）。它可能會保留一些空閒塊，以加快後續的分配速度。但有意保留的通常很小，不可能到上 G 字節。這裏我們看到空閒塊的大小累計已經達到 2.3GB。因此，更常見的原因是內存碎片。

查看普通堆中的內存碎片問題

大多數小的內存分配通過 brk Linux 系統調用，發生在“普通堆”中。這個堆就像一個線性的 "堆“，只能通過移動其”頂部"指針來增加或減少。在堆中間的所有空閒塊不能被釋放給操作系統。直到它們上面的所有塊也變成空閒，它們才會被釋放。

OpenResty XRay 的內存分析器可以幫助我們查看這種堆的狀態。請看下面的堆圖，它是在 nginx 主進程響應 HUP 信號加載新配置後的採樣圖。

我們可以看到，堆是向上增長的，也就是説，向高位內存地址增長。注意 brk top 指針，這是唯一可以移動的東西。綠色框屬於 Nginx 的新 “cycle pool“，而粉色框屬於舊 ”cycle pool”。一個有趣的現象是，Nginx 會保留舊的 cycle pool 或舊的配置數據，直到新的 cycle pool 被成功加載。這種行為是由於 Nginx 的保護機制，當新的配置加載失敗時，會優雅地退回到舊的配置。不幸的是，正如我們在上面看到的，舊的配置數據的盒子（綠色）在新的數據（粉色）下面，因此只有當新的配置數據也被釋放後，它們才能釋放到操作系統。

事實上，在 Nginx 釋放了舊的配置數據和舊的 cycle pool 後，它們原來的位置變成了空閒塊，被卡在新的 cycle pool 的塊下面。

這是一個教科書式的內存碎片化的例子。普通堆只能在頂部釋放內存；因此，它比其他內存分配機制，如 mmap 系統調用，更容易受到內存碎片的影響。但是，mmap 會在這裏拯救我們嗎？不一定。

mmap 的世界

Glibc 分配器也可以通過 mmap 系統調用來分配內存。這些系統調用分配離散的內存塊或內存段，這些內存塊或內存段可能位於進程地址空間的幾乎任何地址，並跨越任何數量的內存頁。

這聽起來是一個緩解上述內存碎片問題的好方法。但是當我們有意阻斷普通堆的增長方式時，根據 OpenResty XRay 的分析器所產生的圖表，類似程度的內存碎片仍然發生。

當應用程序（這裏是 Nginx）請求分配較小內存塊的時候，Glibc 傾向於分配相對較大的內存段，這裏是 1MB。因此，內存碎片仍然會發生在這些 1MB 的 mmap 段內。如果一個小內存塊仍在使用，那麼整個內存段就不會被釋放給操作系統。

在上圖中，我們可以看到舊的 cycle pool 塊（粉紅色）和新的 cycle pool 塊（綠色）仍然在許多 mmap 段中交錯。

解決方案

我們為客户提出了幾個解決方案。

簡單方式

最簡單的方式是直接解決內存碎片的問題。根據上面我們使用 OpenResty XRay 做的分析，我們應該做以下一個或多個變動。

1. 避免在“普通堆”中分配 cycle pool 內存（即取消這種分配的 brk 系統調用）。
2. 要求 Glibc 使用適當的 mmap 段內存大小（不要太大！）來滿足 cycle pool 的內存分配請求。
3. 將不同 cycle pool 的內存塊乾淨地分離到不同的 mmap 段中。

我們為 OpenResty XRay 的付費客户提供詳細的優化説明。因此根本就不需要編碼。

更好的方式

是的，還有一個更好的方式。開源的 OpenResty 軟件提供了 Lua APIs 和 Nginx 配置指令，以動態加載（和卸載）Lua 層面的新的配置數據，而不需要通過 Nginx 配置文件機制。這使得使用一個小的恆定大小的內存來處理更多的虛擬 server 和 location 的配置數據成為可能。同時，Nginx 服務器的啓動和重新加載時間也大大縮短（從很多秒到幾乎為零）。事實上，有了動態配置加載，HUP reload 操作本身變得非常罕見。這種方式的一個缺點是，這需要在我們用户側進行一些額外的 Lua 編碼。

我們的 OpenResty Edge 軟件產品以 OpenResty 作者所設想的最佳方式實現了這種動態配置加載和卸載。它不需要用户進行任何編碼。所以這也是一個容易的選項。

結果

這位客户決定先嚐試簡單的方式，結果在幾次 HUP reload 後，總的內存佔用減少了 30%。

仍然有一些剩餘的片段值得進一步關注。但我們的客户已經很滿意了。此外，上面提到的更好的方式可以節省超過 90% 的總內存佔用（就像在我們的 OpenResty Edge 產品中一樣）：

關於作者

章亦春是開源 OpenResty^® 項目創始人兼 OpenResty Inc. 公司 CEO 和創始人。

章亦春（Github ID: agentzh），生於中國江蘇，現定居美國灣區。他是中國早期開源技術和文化的倡導者和領軍人物，曾供職於多家國際知名的高科技企業，如 Cloudflare、雅虎、阿里巴巴, 是 “邊緣計算“、”動態追蹤 “和 “機器編程 “的先驅，擁有超過 22 年的編程及 16 年的開源經驗。作為擁有超過 4000 萬全球域名用户的開源項目的領導者。他基於其 OpenResty^® 開源項目打造的高科技企業 OpenResty Inc. 位於美國硅谷中心。其主打的兩個產品 OpenResty XRay（利用動態追蹤技術的非侵入式的故障剖析和排除工具）和 OpenResty Edge（最適合微服務和分佈式流量的全能型網關軟件），廣受全球眾多上市及大型企業青睞。在 OpenResty 以外，章亦春為多個開源項目貢獻了累計超過百萬行代碼，其中包括，Linux 內核、Nginx、LuaJIT、GDB、SystemTap、LLVM、Perl 等，並編寫過 60 多個開源軟件庫。

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