nodejs V8 Persistent句柄与GC

在nodejs中，常常会遇到ObjectWrap的C++ Module，即用一个Persistent句柄引用一个携带C/C++指针的对象，并设定该Persistent句柄的WeakCallback，当Persistent被孤立时，删除指针，并Dispose句柄。一般来说凡是C++/Native的Module（如PostgreSQL，Memcache等等)的都会有Persistent释放问题。

测试发现，因为GC的延迟常常会使得有效的指针堆积如山，由heap.cc可以得知V8的在台式机上的GC策略为

      reserved_semispace_size_(16*MB),
      max_semispace_size_(16*MB), //GC最大阈值为16M
      initial_semispace_size_(1*MB), //初使的GC的阈值为1M
      max_old_generation_size_(1*GB), //最大内存消耗
      max_executable_size_(256*MB),
      code_range_size_(512*MB),

1. 测试代码1

对于如下C++0x测试代码 1

#include <v8.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>

using namespace v8;
class Foo
{
    public:
	static int total;
	static int number;
	static int last;

	Foo();
	~Foo();
};

int Foo::total  = 1;
int Foo::number = 1;
int Foo::last = 1;

Foo::Foo()
{
	if (last > number) {
		printf("creating from id %d\n", number);
	}
	last = number;
	++number;
	++total;
	// 加上下面这条似乎更合理，不过对于没有成员变量的类来说有没有都无感觉。
	// 2011-08-13 补充，使用sizeof(Foo) 1字节，并不正确，详见文尾补充
	V8::AdjustAmountOfExternalAllocatedMemory(sizeof(Foo));  
}

Foo::~Foo()
{
	if (last<number) {
		printf("sweeping from id %d\n", number);
	}
	last = number;
	--number;
	V8::AdjustAmountOfExternalAllocatedMemory(-sizeof(Foo));  
}

long long microtime()
{
	timeval tv;
	gettimeofday(&tv, NULL);
	return (long long)tv.tv_sec * 1000 + tv.tv_usec / 1000;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	V8::SetFlagsFromCommandLine(&argc, argv, true);

	HandleScope scope;
	auto context = Context::New();
	Context::Scope context_scope(context);

	auto object_template = ObjectTemplate::New();
	object_template->SetInternalFieldCount(1);

	auto start = microtime();
	int times = 2e8;
	for (int i=0; i<times; ++i) {
		HandleScope scope;
		auto object = object_template->NewInstance();
		auto foo = new Foo();

		// 把foo可入到object，使得在任何时候都可能通过对象object得到foo的指针。
		// 这句也可简写成object->SetPointerInInternalField(0, foo);
		object->SetInternalField(0, External::New(foo));

		// 创建一个Persistent句柄监视object的引用状况，
		// 当object不被任何对象引用时，删除foo与该句柄。
		Persistent<Object>::New(object).MakeWeak(foo, [](Persistent<Value> value, void *data) {
			delete (Foo*)data;
			value.Dispose();
		});
		if (i%(int)1e6 == 0) {
			int speed = i / (microtime() - start);
			printf("Speed: %d\n", speed);
		}
	}


	context.Dispose();
	return 0;
}

编译

$ g++ -std=c++0x -O3 gc_test.cc -lv8

2. 使用默认策略

max-semispace-size 16M
max-old-generation-size 1G
如果使用默认策略，输出结果

$ ./a.out  --trace-gc
Speed: 0
Scavenge 0.9 -> 0.8 MB, 5 ms.
Scavenge 1.2 -> 1.2 MB, 6 ms. 
Scavenge 1.6 -> 1.6 MB, 6 ms.
Scavenge 2.3 -> 2.3 MB, 13 ms.
sweeping from id 114428
Mark-sweep 3.1 -> 3.0 MB, 35 / 74 ms.
creating from id 1
Scavenge 5.0 -> 5.0 MB, 25 ms.
...
...
Scavenge 46.4 -> 46.4 MB, 89 ms.
Speed: 186
Scavenge 52.4 -> 52.4 MB, 103 ms.
Scavenge 58.4 -> 58.4 MB, 112 ms.
...
...
Scavenge 106.4 -> 106.4 MB, 170 ms.
sweeping from id 3233110
Mark-sweep 112.4 -> 74.4 MB, 998 / 1999 ms.
creating from id 1
Speed: 182
Scavenge 82.4 -> 82.4 MB, 89 ms.
Scavenge 88.4 -> 88.4 MB, 94 ms.
Scavenge 94.4 -> 94.4 MB, 104 ms.

可以发现，运行不多时，需积压了323万个Persistent才进行一次Mark-sweep，耗时2s，如果对于服务器让其挂起2S进行GC，显然是不行的。而且会不断的消耗内存，直到默认的1GB为止，但奇怪的是在1GB后Mark sweep释放也不会使物理占用内存下降。

3. 限制max-old-generation-size为20

max-old-generation-size的参数在命令行下为max-old-space-size，单位M
加入参数 --max-old-space-size=20 限制space的大小为20M

$ ./a.out --trace-gc --max-old-space-size=20
Speed: 0
Scavenge 0.9 -> 0.8 MB, 5 ms.
Scavenge 1.2 -> 1.2 MB, 6 ms.
Scavenge 1.6 -> 1.6 MB, 6 ms.
Scavenge 2.3 -> 2.3 MB, 13 ms.
sweeping from id 114428
Mark-sweep 3.1 -> 3.0 MB, 35 / 75 ms.
creating from id 1
Scavenge 5.0 -> 5.0 MB, 26 ms.
Scavenge 6.5 -> 6.5 MB, 24 ms.
Scavenge 9.5 -> 9.5 MB, 52 ms.
Scavenge 12.5 -> 12.5 MB, 54 ms.
sweeping from id 677206
Mark-sweep 18.5 -> 15.9 MB, 213 / 458 ms.
creating from id 1
Speed: 190
sweeping from id 349526
Mark-sweep 23.9 -> 8.4 MB, 111 / 304 ms.
creating from id 1
sweeping from id 349526
Mark-sweep 16.4 -> 8.4 MB, 116 / 284 ms.
creating from id 1
sweeping from id 349526
Mark-sweep 16.4 -> 8.4 MB, 111 / 277 ms.
creating from id 1
Speed: 190
sweeping from id 349526
Mark-sweep 16.4 -> 8.4 MB, 108 / 273 ms.
creating from id 1

发现当使用超过20M后就进行了global GC模式。每次sweep 200ms也到了可接受范围。

4. 设置--gc-global强制MarkSweep与max-semispace-size为2048K

max-semispace-size对应的命令行设置参数为--max-new-space-size，单位K
测试2、通过设置参数--gc-global 强制每次都执行Mark-sweep 与 --max-new-space-size 缩小最大阈值

$ ./a.out --trace-gc --max-new-space-size=2048 --gc-global
Speed: 0
sweeping from id 16124
Mark-sweep 0.7 -> 0.7 MB, 6 / 15 ms.
creating from id 1
sweeping from id 21846
Mark-sweep 1.2 -> 0.8 MB, 8 / 20 ms.
creating from id 1
sweeping from id 21846
Mark-sweep 1.3 -> 0.8 MB, 8 / 20 ms.
creating from id 1
sweeping from id 43692
Mark-sweep 1.8 -> 1.3 MB, 17 / 39 ms.
creating from id 2
sweeping from id 43692
Mark-sweep 2.3 -> 1.3 MB, 17 / 39 ms.
creating from id 1
sweeping from id 43692
Speed: 186

从配合--gc-global情况来看，内存和GC时间都控制在一个很不错的水平，但尚不清楚，低semispace-size会有何影响，

但对于C/C++程序员来说，对于Persistent对象不交给GC而手动进行及时释放是最好的选择，避免了这样那样的GC问题。可惜nodejs缺少标准，而且不规范的native module过份依赖GC，与C++对象关联的ObjectWrap无法得到很好的释放，如果光占用内存还好，要是还占用描述符等系统资源，那等积压了数十万个才到GC时释放就晚了。

5. 其它测试

另外打算测试下小窥nodejs 一文中的md5代码，竟发现代码在0.4.9中卡壳。升到git最新的0.5.3-pre也一样，

var crypto = require('crypto');
var mymd5 = function(str, encoding){
  return crypto
  .createHash('md5')
  .update(str)
  .digest(encoding || 'hex');
};

while(1){
  console.info(mymd5("" + parseInt(Math.random() * 100000)));
}

但用d8代替nodejs运行，一切正常。
对于代码

if(typeof(print)=='undefined') {
  print = console.info

}

i = 0;
while(true){
  ++i;
  print(i);
}

也会卡壳，似乎是过由快的输出函数调用导致。
修改代码至

if(typeof(print)=='undefined') {
  print = console.info

}

i = 0;
while(true){
  ++i;
  if (i%100 ==0)
    print(i);
}

就不再卡壳了。
原代码修改为

if(typeof(print)=='undefined') {
  print = console.info

}

var crypto = require('crypto');
var mymd5 = function(str, encoding){
  return crypto
  .createHash('md5')
  .update(str)
  .digest(encoding || 'hex');
};

i=0;
while(1){
  mymd5("" + parseInt(Math.random() * 100000));
  ++i;
  if (i%100000 == 0) {
    print(i);
  }
}

若用max-new-space-size配gc-global参数，的确能把内存控制在一个合理的范围。

$ node --trace-gc --max-new-space-size=2048 --gc-global md5.js
Mark-sweep 1.5 -> 1.2 MB, 7 ms.
Mark-sweep 1.9 -> 1.5 MB, 1 / 11 ms.
...
...
Mark-sweep 2.9 -> 1.9 MB, 4 / 20 ms.
100000
Mark-sweep 2.9 -> 1.9 MB, 4 / 20 ms.
...
...
Mark-sweep 2.9 -> 1.9 MB, 4 / 19 ms.
200000
Mark-sweep 2.9 -> 1.9 MB, 4 / 19 ms.
Mark-sweep 2.9 -> 1.9 MB, 4 / 18 ms.
Mark-sweep 2.9 -> 1.9 MB, 4 / 18 ms.
Mark-sweep 2.9 -> 1.9 MB, 4 / 20 ms.
Mark-sweep 2.9 -> 1.9 MB, 4 / 19 ms.

再对照没有Persistent句柄的脚本

if(typeof(print)=='undefined') {
  print = console.info
}

i=0;
while(1){
  str = "hello world" + i
  ++i;
  if (i%1000000 == 0) {
    print(i);
  }
}

虽然同样产生了大量的string对象，但因为对象都是Local对象，因此内存很好的得到了回收。

$ node --trace-gc md5.js 
Scavenge 1.5 -> 1.3 MB, 2 ms.
Scavenge 1.8 -> 1.6 MB, 2 ms.
Scavenge 2.0 -> 1.8 MB, 2 ms.
...
...
Scavenge 5.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
Scavenge 5.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
Scavenge 5.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
1000000
Scavenge 5.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
Scavenge 5.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
...
...
Scavenge 5.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
Scavenge 9.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
2000000
Scavenge 9.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
Scavenge 9.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
...
...
Scavenge 9.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
3000000
Scavenge 9.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
...
...
Scavenge 9.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
5000000
Scavenge 9.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
Scavenge 9.8 -> 2.1 MB, 2 ms.
Scavenge 9.8 -> 2.1 MB, 2 ms.

对比string很明显，crypto制造的大量Persistent句柄，且没有手动释放，要等到GC Mark-sweep才能回收，就如测试代码一一样产生了越来越多的对象，V8又看到对象多多，不断的加大内存需求，直到默认的1G。
另外，新版的crypto似乎修正了不断侵食内存的问题。

6. 小结

要解决Persistent问题，方法有3
1、如本文所述，限制阈值，强制global gc
2、规范nodejs module，及时释放Persistent相关对象。
3、改进V8 GC策略

方法1,2可行性比较高。
如果遇到不断侵食内存的问题module，那只能使用方法1了。

7. 其它问题：

暂时不知道原因的问题，等路过的高人指点：
问题：使用默认策略测试代码1 Mark Sweep为什么物理内存还是占有950M以上。是V8内存策略还是Persistent的MakeWeak调用方法不正确？

===2011-08-13 补充==
知道了，即使是空对象也是有大小的，包括一些内存分配信息等，如果像文中例子使用sizeof(Foo) 1字节，是不正确的。分配new一个对象将占多少内存，不用深究具体数值，一定不大，用最大可能占用额然内存128字节限定，就能把内存控制在一个合理的范围。

	// 加上下面这条似乎更合理，不过对于没有成员变量的类来说有没有都无感觉。
-	V8::AdjustAmountOfExternalAllocatedMemory(sizeof(Foo));  
+	V8::AdjustAmountOfExternalAllocatedMemory(128);  

-	V8::AdjustAmountOfExternalAllocatedMemory(-sizeof(Foo));  
+	V8::AdjustAmountOfExternalAllocatedMemory(-128);

输出

sweeping from id 124978
Mark-sweep 11.2 -> 3.2 MB, 85 / 149 ms.
creating from id 2
Speed: 167
sweeping from id 349436
Mark-sweep 11.2 -> 8.4 MB, 235 / 474 ms.
creating from id 1
sweeping from id 124985
Mark-sweep 11.2 -> 3.2 MB, 84 / 147 ms.
creating from id 2

锁定到了 11.2M

== 2011-08-16 补充 ==
在程序中可以通过函数 V8::LowMemoryNotification 进行强行GC

Re: node.js成也异步，败也异步，评node.js的异步特性
现在cluster并到Node中，从文档中也可以读到对Nod e单线程的描述 http://nodejs.org/docs/v0.6......(JiangMiao)
Re: node.js成也异步，败也异步，评node.js的异步特性
Node是否多线程参见上面对于libuv的描述。实际上不需要任何异步理论知识，也可从种种迹象看出Node的单线程特性。 1.......(JiangMiao)
Re: node.js成也异步，败也异步，评node.js的异步特性
没看到正确的技术论点，看到更多的是两个人相互吹捧。不过可惜了，Node不是单线程的.......(Heron Huang)
Re: [WP插件]WP Cleaner v1.1.5
Alex介绍这款名为 WP Cleaner 的插件，能清除冗余数据，彻底解决日志草稿和修订版的问题。...(色落De Alex)
Re: [WP插件]WP Cleaner v1.1.5
没设置过。。不清楚。。...(JiangMiao)

共4条评论

alvayang @ 2011-07-27 16:05:29 回复

看到你的测试,灰常高兴.对于GC的Stop-The-World带来的困扰一致让我纠结.我会在你工作的基础上再次进行测试的.

JiangMiao @ 2011-07-28 00:00:48

握手

likai3g @ 2011-08-19 19:15:26 回复

mark sweep用在非胶水语言中如java, 一般没什么问题, 因为它不存在宿主层;
但胶水语言中就会有很大问题.
比如: 宿主程序其实内存资源很紧张了, 但虚拟机中因为new出来的宿主对象(可能是100k)仅是对宿主对象指针的引用(大概几十个字节?),这样的话虚拟机内存回收时间就会非常不及时;
因此很多虚拟机不得不采用引用计数与mark sweep相结合的方法来避免这个问题(如flash)
nodejs用persist来封装c++对象应该是无奈之举, 否则没办法在gc回收object前通知宿主,
如果是仿照google v8文档上给出的Point例子来封装,是会产生内存泄漏的;
我最近也在考虑用v8作脚本,以上说法未必准确,仅供参考

JiangMiao @ 2011-08-19 21:12:38

回复中提到的两个问题在V8中都有相应的解决方法，V8可以通过V8::AdjustAmountOfExternalAllocatedMemory来通知GC C++对象实际占用尺寸，通过MakeWeak在GC回收object前进行处理，通过LowMemoryNotification进行强制GC。比起内存更值得考虑的是描述符等相关系统资源，比如socket，文件fd，这些东西全部手动释放才是最明智之举，如果这些东西等到了GC才能释放，那一定是设计和编写上的问题了。

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