深入理解netty---从偶现宕机看netty流量控制

小蚂蚁

一、业务背景
目前移动端的使用场景中会用到大量的消息推送，push消息可以帮助运营人员更高效地实现运营目标（比如给用户推送营销活动或者提醒APP新功能）。
对于推送系统来说需要具备以下两个特性：

消息秒级送到用户，无延时，支持每秒百万推送，单机百万长连接。
支持通知、文本、自定义消息透传等展现形式。正是由于以上原因，对于系统的开发和维护带来了挑战。下图是推送系统的简单描述（API->推送模块->手机）。

二、问题背景
推送系统中长连接集群在稳定性测试、压力测试阶运行一段时间后随机会出现一个进程挂掉的情况，概率较小（频率为一个月左右发生一次），这会影响部分客户端消息送到的时效。
推送系统中的长连接节点（Broker系统）是基于Netty开发，此节点维护了服务端和手机终端的长连接，线上问题出现后，添加Netty内存泄露监控参数进行问题排查，观察多天但并未排查出问题。
由于长连接节点是Netty开发，为便于读者理解，下面简单介绍一下Netty。
三、 Netty介绍
Netty是一个高性能、异步事件驱动的NIO框架，基于Java NIO提供的API实现。它提供了对TCP、UDP和文件传输的支持，作为当前最流行的NIO框架，Netty在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用，HBase，Hadoop，Bees，Dubbo等开源组件也基于Netty的NIO框架构建。
四、问题分析
4.1 猜想
最初猜想是长连接数导致的，但经过排查日志、分析代码，发现并不是此原因造成。
长连接数：39万，如下图：

每个channel字节大小1456, 按40万长连接计算，不致于产生内存过大现象。
4.2 查看GC日志
查看GC日志，发现进程挂掉之前频繁full GC（频率5分钟一次），但内存并未降低，怀疑堆外内存泄露。
4.3 分析heap内存情况
ChannelOutboundBuffer对象占将近5G内存，泄露原因基本可以确定：ChannelOutboundBuffer的entry数过多导致，查看ChannelOutboundBuffer的源码可以分析出，是ChannelOutboundBuffer中的数据。
没有写出去，导致一直积压；ChannelOutboundBuffer内部是一个链表结构。

4.4 从上图分析数据未写出去，为什么会出现这种情况？
代码中实际有判断连接是否可用的情况（Channel.isActive），并且会对超时的连接进行关闭。从历史经验来看，这种情况发生在连接半打开（客户端异常关闭）的情况比较多---双方不进行数据通信无问题。
按上述猜想，测试环境进行重现和测试。

1）模拟客户端集群，并与长连接服务器建立连接，设置客户端节点的防火墙，模拟服务器与客户端网络异常的场景（即要模拟Channel.isActive调用成功，但数据实际发送不出去的情况）。 
 2）调小堆外内存，持续发送测试消息给之前的客户端。消息大小（1K左右）。 
 3）按照128M内存来计算，实际上调用9W多次就会出现。

五、问题解决
5.1 启用autoRead机制
当channel不可写时，关闭autoRead；

public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
  if (!ctx.channel().isWritable()) {
    Channel channel = ctx.channel();
    ChannelInfo channelInfo = ChannelManager.CHANNEL_CHANNELINFO.get(channel);
    String clientId = "";
    if (channelInfo != null) {
      clientId = channelInfo.getClientId();
    }
    LOGGER.info("channel is unwritable, turn off autoread, clientId:{}", clientId);
    channel.config().setAutoRead(false);
  }
}

当数据可写时开启autoRead；

@Override
public void channelWritabilityChanged(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception
{
  Channel channel = ctx.channel();
  ChannelInfo channelInfo = ChannelManager.CHANNEL_CHANNELINFO.get(channel);
  String clientId = "";
  if (channelInfo != null) {
    clientId = channelInfo.getClientId();
  }
  if (channel.isWritable()) {
    LOGGER.info("channel is writable again, turn on autoread, clientId:{}", clientId);
    channel.config().setAutoRead(true);
  }
}

说明：

autoRead的作用是更精确的速率控制，如果打开的时候Netty就会帮我们注册读事件。当注册了读事件后，如果网络可读，则Netty就会从channel读取数据。那如果autoread关掉后，则Netty会不注册读事件。
这样即使是对端发送数据过来了也不会触发读事件，从而也不会从channel读取到数据。当recv_buffer满时，也就不会再接收数据。
5.2 设置高低水位

serverBootstrap.option(ChannelOption.WRITE_BUFFER_WATER_MARK, new WriteBufferWaterMark(1024 * 1024, 8 * 1024 * 1024));

注：高低水位配合后面的isWritable使用

5.3 增加channel.isWritable()的判断
channel是否可用除了校验channel.isActive()还需要加上channel.isWrite()的判断，isActive只是保证连接是否激活，而是否可写由isWrite来决定。

private void writeBackMessage(ChannelHandlerContext ctx, MqttMessage message) {
  Channel channel = ctx.channel();
  //增加channel.isWritable()的判断
  if (channel.isActive() && channel.isWritable()) {
    ChannelFuture cf = channel.writeAndFlush(message);
    if (cf.isDone() && cf.cause() != null) {
      LOGGER.error("channelWrite error!", cf.cause());
      ctx.close();
    }
  }
}

注：isWritable可以来控制ChannelOutboundBuffer，不让其无限制膨胀。其机制就是利用设置好的channel高低水位来进行判断。

5.4 问题验证
修改后再进行测试，发送到27W次也并不报错；

六、解决思路分析
一般Netty数据处理流程如下：将读取的数据交由业务线程处理，处理完成再发送出去（整个过程是异步的），Netty为了提高网络的吞吐量，在业务层与socket之间增加了一个ChannelOutboundBuffer。
在调用channel.write的时候，所有写出的数据其实并没有写到socket，而是先写到ChannelOutboundBuffer。当调用channel.flush的时候才真正的向socket写出。因为这中间有一个buffer，就存在速率匹配了，而且这个buffer还是无界的（链表），也就是你如果没有控制channel.write的速度，会有大量的数据在这个buffer里堆积，如果又碰到socket写不出数据的时候（isActive此时判断无效）或者写得慢的情况。
很有可能的结果就是资源耗尽，而且如果ChannelOutboundBuffer存放的是DirectByteBuffer，这会让问题更加难排查。
流程可抽象如下：

从上面的分析可以看出，步骤一写太快（快到处理不过来）或者下游发送不出数据都会造成问题，这实际是一个速率匹配问题。
七、Netty源码说明
超过高水位
当ChannelOutboundBuffer的容量超过高水位设定阈值后，isWritable()返回false，设置channel不可写（setUnwritable），并且触发fireChannelWritabilityChanged()。

private void incrementPendingOutboundBytes(long size, boolean invokeLater) {
  if (size == 0) {
    return;
  }
  long newWriteBufferSize = TOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER.addAndGet(this, size);
  if (newWriteBufferSize > channel.config().getWriteBufferHighWaterMark()) {
    setUnwritable(invokeLater);
  }
}
private void setUnwritable(boolean invokeLater) {
  for (;;) {
    final int oldValue = unwritable;
    final int newValue = oldValue | 1;
    if (UNWRITABLE_UPDATER.compareAndSet(this, oldValue, newValue)) {
      if (oldValue == 0 && newValue != 0) {
        fireChannelWritabilityChanged(invokeLater);
      }
      break;
    }
  }
}

低于低水位
当ChannelOutboundBuffer的容量低于低水位设定阈值后，isWritable()返回true，设置channel可写，并且触发fireChannelWritabilityChanged()。

private void decrementPendingOutboundBytes(long size, boolean invokeLater, boolean notifyWritability) {
  if (size == 0) {
    return;
  }
  long newWriteBufferSize = TOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER.addAndGet(this, -size);
  if (notifyWritability && newWriteBufferSize < channel.config().getWriteBufferLowWaterMark()) {
    setWritable(invokeLater);
  }
}
private void setWritable(boolean invokeLater) {
  for (;;) {
    final int oldValue = unwritable;
    final int newValue = oldValue & ~1;
    if (UNWRITABLE_UPDATER.compareAndSet(this, oldValue, newValue)) {
      if (oldValue != 0 && newValue == 0) {
        fireChannelWritabilityChanged(invokeLater);
      }
      break;
    }
  }
}

八、总结
当ChannelOutboundBuffer的容量超过高水位设定阈值后，isWritable()返回false，表明消息产生堆积，需要降低写入速度。
当ChannelOutboundBuffer的容量低于低水位设定阈值后，isWritable()返回true，表明消息过少，需要提高写入速度。通过以上三个步骤修改后，部署线上观察半年未发生问题出现。

作者：vivo互联网服务器团队-Zhang Lin

[HarmonyOS] 深入理解netty---从偶现宕机看netty流量控制

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