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ETCD的内存问题

今天跟大家分享一个etcd的内存大量占用的问题，这是前段时间在我们开源软件Easegress中遇到的问题，问题是比较简单的，但是我还想把前因后果说一下，包括，为什么要用etcd，使用etcd的用户场景，包括etcd的一些导致内存占用比较大的设计，以及最后一些建议。希望这篇文章不仅仅只是让你看到了一个简单的内存问题，还能让你有更多的收获。当然，也欢迎您关注我们的开源软件，给我们一些鼓励。

为什么要用ETCD

先说一下为什么要用etcd。先从一个我们自己做的一个API网关 – Easegress（源码）说起。

Easegress 是我们开发并开源的一个API应用网关产品，这个API应用网关不仅仅只是像nginx那样用来做一个反向代理，这个网关可以做的事很多，比如：API编排、服务发现、弹力设计（熔断、限流、重试等）、认证鉴权（JWT，OAuth2，HMAC等）、同样支持各种Cloud Native的架构如：微服务架构，Service Mesh，Serverless/FaaS的集成，并可以用于扛高并发、灰度发布、全链路压力测试、物联网……等更为高级的企业级的解决方案。所以，为了达到这些目标，在2017年的时候，我们觉得在现有的网关如Nginx上是无法演进出来这样的软件的，必需重新写一个（后来其他人也应该跟我们的想法一样，所以，Lyft写了一个Envoy。只不过，Envoy是用C++写的，而我用了技术门槛更低的Go语言）

另外，Easegress最核心的设计主要有三个：

  • 一是无第三方依赖的自己选主组集群的能力
  • 二是像Linux管道命令行那样pipeline式的插件流式处理（支持Go/WebAssembly）
  • 三是内置一个Data Store用于集群控制和数据共享。

对于任何一个分布式系统，都需要有一个强一制性的基于Paxos/Raft的可以自动选主机制，并且需要在整个集群间同步一些关键的控制/配置和相关的共享数据，以保证整个集群的行为是统一一致的。如果没有这么一个东西的话，就没有办法玩分布式系统的。这就是为什么会有像Zookeeper/etcd这样的组件出现并流行的原因。注意，Zookeeper他们主要不是给你存数据的，而是给你组集群的。

Zookeeper是一个很流行的开源软件，也被用于各大公司的生产线，包括一些开源软件，比如：Kafka。但是，这会让其它软件有一个依赖，并且在运维上带来很大的复杂度。所以，Kafka在最新的版本也通过内置了选主的算法，而抛弃了外挂zookeeper的设计。Etcd是Go语言社区这边的主力，也是kubernetes组建集群的关键组件。Easegress在一开始（5年前）使用了gossip协议同步状态（当时想的过于超前，想做广域网的集群），但是后发现这个协议太过于复杂，而且很难调试，而广域网的API Gateway也没遇到相应的场景。所以，在3年前的时候，为了稳定性的考量，我们把其换成了内嵌版本的etcd，这个设计一直沿用到今天。

Easegress会把所有的配置信息都放到etcd里，还包括一些统计监控数据，以及一些用户的自定义数据（这样用户自己的plugin不但可以在一条pipeline内，还可以在整个集群内共享数据），这对于用户进行扩展来说是非常方便的。软件代码的扩展性一直是我们追求的首要目标，尤其是开源软件更要想方设法降低技术门槛让技术易扩展，这就是为什么Google的很多开源软件都会选使用Go语言的原因，也是为什么Go正在取代C/C++的做PaaS基础组件的原因。

背景问题

好了，在介绍完为什么要用etcd以后，我开始分享一个实际的问题了。我们有个用户在使用 Easegress 的时候，在Easegress内配置了上千条pipeline，导致 Easegress的内存飙升的非常厉害- 10+GB 以上，而且长时间还下不来。

用户报告的问题是——

在Easegress 1.4.1 上创建一个HTTP对象，1000个Pipeline，在Easegres初始化启动完成时的内存占用大概为400M，运行80分钟后2GB，运行200分钟后达到了4GB，这期间什么也没有干，对Easegress没有进行过一次请求。

一般来说，就算是API再多也不应该配置这么多的处理管道pipeline的，通常我们会使用HTTP API的前缀把一组属于一个类别的API配置在一个管道内是比较合理的，就像nginx下的location的配置，一般来说不会太多的。但是，在用户的这个场景下配置了上千个pipeline，我们也是头一次见，应该是用户想做更细粒度的控制。

经过调查后，我们发现内存使用基本全部来自etcd，我们实在没有想到，因为我们往etcd里放的数据也没有多少个key，感觉不会超过10M，但不知道为什么会占用了10GB的内存。这种时候，一般会怀疑etcd有内存泄漏，上etcd上的github上搜了一下，发现etcd在3.2和3.3的版本上都有内存泄露的问题，但都修改了，而 Easegress 使用的是3.5的最新版本，另外，一般来说内存泄漏的问题不会是这么大的，我们开始怀疑是我们哪里误用了etcd。要知道是否误用了etcd，那么只有一条路了，沉下心来，把etcd的设计好好地看一遍。

大概花了两天左右的时间看了一下etcd的设计，我发现了etcd有下面这些消耗内存的设计，老实说，还是非常昂贵的，这里分享出来，避免后面的同学再次掉坑。

首当其冲是——RaftLog。etcd用Raft Log，主要是用于帮助follower同步数据，这个log的底层实现不是文件，而是内存。所以，而且还至少要保留 5000 条最新的请求。如果key的size很大，这 5000条就会产生大量的内存开销。比如，不断更新一个 1M的key，哪怕是同一个key，这 5000 条Log就是 5000MB = 5GB 的内存开销。这个问题在etcd的issue列表中也有人提到过  issue #12548，不过，这个问题不了了之了。这个5000还是一个hardcode，无法改。（参看 DefaultSnapshotCatchUpEntries 相关源码）

// DefaultSnapshotCatchUpEntries is the number of entries for a slow follower
// to catch-up after compacting the raft storage entries.
// We expect the follower has a millisecond level latency with the leader.
// The max throughput is around 10K. Keep a 5K entries is enough for helping
// follower to catch up.
DefaultSnapshotCatchUpEntries uint64 = 5000

另外，我们还发现，这个设计在历史上etcd的官方团队把这个默认值从10000降到了5000，我们估计etcd官方团队也意识到10000有点太耗内存了，所以，降了一半，但是又怕follwer同步不上，所以，保留了 5000条……（在这里，我个人感觉还有更好的方法，至少不用全放在内存里吧……）

另外还有下面几项也会导致etcd的内存会增加

  1. 索引。etcd的每一对 key-value 都会在内存中有一个 B-tree 索引。这个索引的开销跟key的长度有关，etcd还会保存版本。所以B-tree的内存跟key的长度以及历史版本号数量也有关系。
  2. mmap。还有，etcd 使用 mmap 这样上古的unix技术做文件映射，会把他的blotdb的内存map到虚拟内存中，所以，db-size越大，内存越大。
  3. Watcher。watch也会占用很大的内存，如果watch很多，连接数多，都会堆积内存。

（很明显，etcd这么做就是为了一个高性能的考虑）

Easegress中的问题更多的应该是Raft Log 的问题。后面三种问题我们觉得不会是用户这个问题的原因，对于索引和mmap，使用 etcd 的 compact 和 defreg （压缩和碎片整理应该可以降低内存，但用户那边不应该是这个问题的核心原因）。

针对用户的问题，大约有1000多条pipeline，因为Easegress会对每一条pipeline进行数据统计（如：M1, M5, M15， P99, P90, P50等这样的统计数据），统计信息可能会有1KB-2KB左右，但Easegress会把这1000条pipeline的统计数据合并起来写到一个key中，这1000多条的统计数据合并后会导致出现一个平均尺寸为2MB的key，而5000个in-memory的RaftLog导致etcd要消耗了10GB的内存。之前没有这么多的pipeline的场景，所以，这个内存问题没有暴露出来。

于是，我们最终的解决方案也很简单，我们修改我们的策略，不再写这么大的Value的数据了，虽然以前只写在一个key上，但是Key的值太大，现在把这个大Key值拆分成多个小的key来写，这样，实际保存的数据没有发生变化，但是RaftLog的每条数据量就小了，所以，以前是5000条 2M（10GB），现在是5000条 1K（500MB），就这样解决了这个问题。相关的PR在这里 PR#542 。

总结

要用好 etcd，有如下的实践

  • 避免大尺寸的key和value，一方面会通过一个内存级的 Raft Log 占大量内存，另一方面，B-tree的多版本索引也会因为这样耗内存。
  • 避免DB的尺寸太大，并通过 compact和defreg来压缩和碎片整理降低内存。
  • 避免大量的Watch Client 和 Watch数。这个开销也是比较大的。
  • 最后还有一个，就是尽可能使用新的版本，无论是go语言还是etcd，这样会少很多内存问题。比如：golang的这个跟LInux内核心相关的内存问题 —— golang 1.12的版sget的是 MADV_FREE 的内存回收机制，而在1.16的时候，改成了 MADV_DONTNEED ，这两者的差别是，FREE表示，虽然进程标记内存不要了，但是操作系统会保留之，直到需要更多的内存，而 DONTNEED 则是立马回收，你可以看到，在常驻内存RSS 上，前者虽然在golang的进程上回收了内存，但是RSS值不变，而后者会看到RSS直立马变化。Linux下对 MADV_FREE 的实现在某些情况下有一定的问题，所以，在go 1.16的时候，默认值改成了 MADV_DONTNEED 。而 etcd 3.4 是用 来1.12 编译的。

最后，欢迎大家关注我们的开源软件！ https://github.com/megaease/

（全文完）

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