為什麼需要效能監控？聊聊Node.js效能監控

為什麼需要效能監控

Node作為Javascript在服務端的一個執行時（Runtime），極大的豐富了Javascript的應用程式場景。

但是Node.js Runtime本身就是一個黑盒，我們無法感知運行時的狀態，對於線上問題也難以復現。

因此效能監控是Node.js應用程式「正常運作」的基石。不僅可以隨時監控執行時期的各項指標，還可以幫助排除異常場景問題。

組成部分

效能監控可分為兩個部分：

• 效能指標的收集和展示

  • 進程層級的資料：CPU，Memory，Heap，GC等
  • 系統層級的資料：磁碟佔用率，I/O負載，TCP/UDP連線狀態等
  • 應用層的資料：QPS，慢HTTP，業務處理鏈路日誌等

• 效能資料的抓取和分析

  • Heapsnapshot：堆記憶體快照
  • Cpuprofile：CPU快照
  • Coredump：應用崩潰快照

方案對比

從上圖可以看到目前主流的三種Node.js效能監控方案的優缺點，以下是簡單介紹這三種方案的組成：

• Prometheus

  • prom-client是prometheus的nodejs實現，用於採集效能指標
  • grafana是一個視覺化平台，用來展示各種資料圖表，支援prometheus的存取
  • 只支援了效能指標的擷取和展示，排查問題還需要其他快照工具，才能組成閉環

• AliNode

  • alinode是一個相容官方nodejs的拓展運行時，提供了一些額外功能：

    • v8的運行時內存狀態監控
    • libuv的運行時狀態監控
    • 在線故障診斷功能：堆快照、CPU Profile、GC Trace等

  • agenthub是一個常駐進程，用來收集性能指標並上報

    • 整合了agentx + commdx的便利工具

  • 整體從監控，展示，快照，分析形成閉環，接入便捷簡單，但是拓展運行時還是有風險

• Easy-Monitor

  • xprofiler 負責進行實時的運行時狀態採樣，以及輸出性能日誌（也就是性能數據的抓取）
  • xtransit 負責效能日誌的擷取與傳輸
  • 跟AliNode最大的差別在於使用了Node.js Addon來實現採樣器

效能指標

CPU

透過process.cpuUsage()可以取得目前進程的CPU耗時數據，回傳值的單位是微秒

• user：進程執行時本身消耗的CPU時間
• system：進程執行時系統消耗的CPU時間

Memory

透過process.memoryUsage()可以獲取當前進程的內存分配數據，返回值的單位是字節

• rss：常駐內存，node進程分配的總內存大小
• heapTotal：v8申請的堆內存大小
• heapUsed：v8已使用的堆記憶體大小
• external：v8管理的C++所佔用的記憶體大小
• arrayBuffers：分配給ArrayBuffer的記憶體大小

從上圖可以看出， rss包含程式碼段( Code Segment )、堆疊記憶體( Stack )、堆疊記憶體( Heap )

• Code Segment：儲存程式碼段
• Stack：儲存局部變數和管理函數呼叫
• Heap：儲存物件、閉包、或其他一切

Heap

透過v8.getHeapStatistics()和v8.getHeapSpaceStatistics()可以取得v8堆記憶體和堆空間的分析數據，下圖展示了v8的堆記憶體組成分佈：

堆記憶體空間先劃分為空間（space），空間再劃分為頁（page），記憶體依1MB對齊進行分頁。

• New Space：新生代空間，用來存放一些生命週期比較短的物件數據，平分為兩個空間（空間類型為semi space ）： from space ， to space

  • 晉升條件：在New space中經過兩次GC依舊存活

• Old Space：老生代空間，用來存放New Space晉升的物件

• Code Space：存放v8 JIT編譯後的可執行程式碼

• Map Space：存放Object指向的隱藏類別的指針對象，隱藏類別指標是v8根據執行時間記錄下的物件佈局結構，用於快速存取物件成員

• Large Object Space：用於存放大於1MB而無法分配到頁的物件

GC

v8的垃圾回收演算法分為兩類：

• Major GC：使用了Mark-Sweep-Compact演算法，老生代的物件回收
• Minor GC：使用了Scavenge演算法，用於新生代的物件回收

Scavenge

前提： New space分為from和to兩個物件空間

觸發時機：當New space空間滿了

步驟：

• 在from space中，進行寬度優先遍歷

• 發現存活（可達）物件

  • 已經存活過一次（經歷過一次Scavange） ，晉升到Old space
  • 其他的複製到to space中

• 當複製結束時， to space中只有存活的對象， from space就被清空了

• 交換from space和to space ，開始下一輪Scavenge

適用於回收頻繁，內存不大的對象，典型的空間換時間的策略，缺點是浪費了多一倍的空間

Mark-Sweep-Compact

三個步驟：標記、清除、整理

觸發時機：當Old space空間滿了

步驟：

• Marking（三色標記法）

  • 白色：代表可回收對象
  • 黑色：代表不可回收對象，且其所產生的引用都已經掃描完畢
  • 灰色：代表不可回收對象，且其所產生的引用還沒掃描完
  • 將V8根對象直接引用的對象放進一個marking queue （顯式棧）中，並將這些對象標記為灰色
  • 從這些對象開始做深度優先遍歷，每訪問一個對象，將該對象從marking queue pop出來，並標記為黑色
  • 然後將該對象引用下的所有白色對象標記為灰色， push到marking queue上，如此往復
  • 直到棧上所有對像都pop掉為止，老生代的物件只剩下黑色（不可回收）和白色（可以回收）兩種了
  • PS：當一個物件太大，無法push到空間有限的堆疊時，v8會把這個物件保留灰色跳過，將整個堆疊標記為溢位狀態（overflowed），等棧清空後，再次進行遍歷標記，這樣導致需要額外掃描一遍堆

• Sweep

  • 清除白色物件
  • 會造成記憶體空間不連續

• Compact

  • 由於Sweep會造成記憶體空間不連續，不利於新物件進入GC
  • 把黑色（存活）物件移到Old space的一端，這樣清除出來的空間就是連續完整的
  • 雖然可以解決記憶體碎片問題，但是會增加停頓時間（執行速度慢）
  • 在空間不足以對新生代晉升過來的物件進行分配時才使用mark-compact

Stop-The-World

在最開始v8進行垃圾回收時，需要停止程式的運行，掃描完整個堆，回收完內存，才會重新運行程式。這種行為就叫全停頓（ Stop-The-World ）

雖然新生代活動對象較小，回收頻繁，全停頓，影響不大，但是老生代存活對像多且大，標記、清理、整理等造成的停頓就會比較嚴重。

優化策略

• 增量回收（Incremental Marking）：在Marking階段，當堆達到一定大小時，開始增量GC，每次分配了一定量的內存後，​​就暫停運行程序，做幾毫秒到幾十毫秒的marking ，然後恢復程式的運作。

這個理念其實有點像React框架中的Fiber架構，只有在瀏覽器的空閒時間才會去遍歷Fiber Tree執行對應的任務，否則延遲執行，盡可能少地影響主執行緒的任務，避免應用卡頓，提升應用性能。

• 並發清除（Concurrent Sweeping）：讓其他執行緒同時來做sweeping，而不用擔心和執行程式的主執行緒衝突
• 並行清除（Parallel Sweeping）：讓多個Sweeping 執行緒同時工作，提升sweeping 的吞吐量，縮短整個GC 的週期

空間調整

由於v8對於新舊生代的空間預設限制了大小

• New space預設限制：64位元系統為32M，32位元系統為16M
• Old space預設限制：64位元系統為1400M，32位元系統為700M

因此node提供了兩個參數用於調整新老生代的空間上限

• --max-semi-space-size ：設定New Space空間的最大值
• --max-old-space-size ：設定Old Space空間的最大值

查看GC日誌

node也提供了三種查看GC日誌的方式：

• --trace_gc ：一行日誌簡要描述每次GC時的時間、類型、堆大小變化和產生原因
• --trace_gc_verbose ：展示每次GC後每個V8堆空間的詳細狀況
• --trace_gc_nvp ：每次GC的詳細鍵值對信息，包含GC類型，暫停時間，內存變化等

由於GC日誌比較原始，還需要二次處理，可以使用AliNode團隊開發的v8-gc- log-parser

快照工具

Heapsnapshot

對於運行程式的堆記憶體進行快照採樣，可以用來分析記憶體的消耗以及變化

產生方式

產生.heapsnapshot檔案有以下幾種方式：

• 使用heapdump

• 使用v8的heap-profile

• 使用nodejs內建的v8模組提供的api

  • v8.getHeapSnapshot()

  

  • v8.writeHeapSnapshot(fileName)

  

• 使用v8-profiler-next

分析方法

產生的.heapsnapshot文件，可以在Chrome devtools工具列的Memory，選擇上傳後，展示結果如下圖：

預設的視圖是Summary視圖，在這裡我們要專注於最右邊兩欄： Shallow Size和Retained Size

• Shallow Size ：表示該物件本身在v8堆記憶體分配的大小
• Retained Size ：表示該物件所有引用物件的Shallow Size總和

當發現Retained Size特別大時，該物件內部可能存在記憶體洩漏，可以進一步展開去定位問題

還有Comparison視圖是用於比較分析兩個不同時段的堆快照，透過Delta列可以篩選出記憶體變化最大的對象

Cpuprofile

對於運行程式的CPU進行快照採樣，可以用來分析CPU的耗時及佔比

生成方式

生成.cpuprofile檔案有以下幾種方式：

• v8-profiler（node官方提供的工具，不過已經無法支援node v10以上的版本，並不再維護）
• v8-profiler-next（國人維護版本，支援到最新node v18，持續維護中）

這是採集5分鐘的CPU Profile樣本

分析方法

產生的.cpuprofile文件，可以在Chrome devtools工具列的Javascript Profiler （不在預設tab，需要在工具列右側的更多中開啟顯示），選擇上傳文件後，展示結果如下圖：

預設的視圖是Heavy視圖，在這裡我們看到有兩欄： Self Time和Total Time

• Self Time ：代表此函數本身（不包含其他呼叫）的執行耗時
• Total Time ：代表此函數（包含其他呼叫函數）的總執行耗時

當發現Total Time和Self Time偏差較大時，函數可能存在耗時比較多的CPU密集型計算，也可以展開進一步定位排查

Codedump

當應用意外崩潰終止時，系統會自動記錄下進程crash掉那一刻的記憶體分配信息，Program Counter以及堆疊指標等關鍵資訊來產生core檔

產生方式

產生.core檔的三種方法：

• ulimit -c unlimited開啟內核限制
• node --abort-on-uncaught-exception node啟動加入此參數，可在套用出現未擷取的例外狀況時也能產生一份core檔
• gcore <pid>手動產生core檔

分析方法

取得.core檔後，可以透過mdb、gdb、lldb等工具實現解析診斷實際進程crash的原因

• llnode `which node` -c /path/to/core/dump

案例分析

觀察

從監控可以觀察到堆內存在持續上升，因此需要堆快照進行排查

分析

根據heapsnapshot可以分析排查到有一個newThing的物件一直保持著比較大的記憶體

排查

從程式碼中可以看到雖然unused方法沒有調用，但是newThing物件是引用自theThing ，導致其一直存在於replaceThing這個函數的執行上下文中，沒有被釋放，這就是典型的由於閉包產生的內存洩漏案例

小結

常見的記憶體洩漏有以下幾種情況：

• 全域變數
• 閉包
• 定時器
• 事件監聽
• 快取

因此在上述這幾種情況時，一定要謹慎考慮物件在記憶體中是否會被自動回收，不會被自動回收的話，需要手動進行回收，例如手動把物件設定為null 、移除計時器、解綁事件監聽等

總結

至此，本文已經對整個Node.js的效能監控系統進行了詳細的介紹。

首先，介紹了效能監控解決的問題，組成部分以及主流方案的優缺點對比。

然後，針對兩個大部分效能指標和快照工具進行了具體的介紹，

• 效能指標主要關注CPU、記憶體、堆空間、GC幾個指標，同時介紹了v8的GC策略和GC最佳化方案，
• 快照工具主要有堆快照、CPU快照以及崩潰時的Coredump

最後，從觀察、分析、排查再現一個簡單的記憶體洩漏案例，並總結了常見記憶體洩漏的情況和解決方案。

希望這篇文章能幫助大家對整個Node.js的效能監控系統有所了解。