排查 Node.js 服务内存泄漏，没想到竟是它？

楽揚
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  • 背景
  • 排查思路
  • 排查过程
  • 如何避免
  • 根本原因
  • 不止内存泄漏
  • Chrome 也中招了吗？

背景

团队最近将两个项目迁移至 degg 2.0 中，两个项目均出现比较严重的内存泄漏问题，此处以本人维护的 goldenserver 为例进行排查。服务上线后内存增长如下图，其中红框为 degg 2.0 线上运行的时间窗口，在短短 36 小时内，内存已经增长到 50%，而平时内存稳定在 20%-30%，可知十之八九出现了内存泄漏。

image-20200418180508687

排查思路

由于两个接入 degg 2.0 的服务均出现内存泄漏问题，因此初步将排查范围锁定在 degg 2.0 引入或重写的基础组件上，重点怀疑对象为 nodex-logger 组件；同时为了排查内存泄漏，我们需要获取服务运行进程的堆快照（heapsnapshot），获取方式可参看文章：Node 案发现场揭秘 —— 快速定位线上内存泄漏。

排查过程

一、获取堆快照

使用 alinode 获取堆快照，服务启动后，使用小流量预热一两分钟便记录第1份堆快照（2020-4-16-16:52），接着设置 qps 为 125 对服务进行施压，经过大约一个小时（2020-4-16-15:46）获取第2份堆快照。使用 Chrome dev 工具载入两份堆快照，如下图所示，发现服务仅短短运行一小时，其堆快照文件就增大了 45MB，而初始大小也不过 39.7MB；我们按 Retained Size 列进行排序，很快就发现了一个『嫌疑犯』，即 generator；该项占用了 55% 的大小，同时 Shallow Size 却为 0%，一项一项地展开，锁定到了图中高亮的这行，但是继续展开却提示 0%，线索突然断了。

image-20200418183141595

盯着 generator 进入思考，我的服务代码并没有 generator 语法，为什么会出现 generator 对象的内存泄漏呢？此时我把注意力转到 node_modules 目录中，由于最近一直在优化 nodex-kafka 组件，有时直接在 node_modules 目录中修改该组件的代码进行调试，因此几乎每个文件头部都有的一段代码引起了我的注意：

"use strict";
var __awaiter = (this && this.__awaiter) || function (thisArg, _arguments, P, generator) {
    function adopt(value) { return value instanceof P ? value : new P(function (resolve) { resolve(value); }); }
    return new (P || (P = Promise))(function (resolve, reject) {
        function fulfilled(value) { try { step(generator.next(value)); } catch (e) { reject(e); } }
        function rejected(value) { try { step(generator["throw"](value)); } catch (e) { reject(e); } }
        function step(result) { result.done ? resolve(result.value) : adopt(result.value).then(fulfilled, rejected); }
        step((generator = generator.apply(thisArg, _arguments || [])).next());
    });
};

这个代码是 typescript 源码编译后的产出，由于代码使用了 async/await 语法，因此都编译成 __awaiter 的形式，在源码中使用 async 函数的地方，在编译后都使用 __awaiter 进行包裹：

// 编译前
(async function() {
  await Promise.resolve(1);
  await Promise.resolve(2);
})()

// 编译后
(function () {
  return __awaiter(this, void 0, void 0, function* () {
    yield Promise.resolve(1);
    yield Promise.resolve(2);
  });
})();

同时一个关于 generator 内存泄漏的 #30753 generator functions - memory leak 也引起了我的注意，该 issue 遇到的问题无论从 Node.js 的版本和内存泄漏的表现都和我遇到的问题十分相似。所以我在工程的 node_modules 中搜索所有 __awaiter 字符串，发现了 3 个模块编译出了上述代码，分别是：

  1. nodex-logger
  2. nodex-kafka
  3. nodex-apollo

由于模块的 tsconfig.json 的 target 字段将目标产出为 es6，因此才会使用 generator 去模拟 async/await 语法，但是从 Node.js v8.10.0 开始已经 100% 支持了 ES2017 的所有特性，所以本不该编译 async/await 语法，此处遂将这 3 个模块的目标产出配置改为 es2017，这样 tsc 就不会编译 async/await 语法。

二、验证

重复之前获取堆快照的步骤，惊奇地发现即使过了一天，内存也没有增长，而且 generator 也没有持有未释放的内存：

image-20200418202712507

至此，内存泄漏问题已经解决！那么如何避免遇到这个问题呢？

如何避免

一、解决步骤

步骤一

该问题仅在特定的 Node.js 版本中存在，请使用版本区间 v11.0.0 - v12.16.0 之外的 Node.js，从而防止二方 npm 组件、三方 npm 组件的 generator 语法使你的服务出问题

步骤二

将自己的 typescript 的目标环境（target）编译为 es2017 及以上，同时应尽量使用 async/await 语法而不是 generator 语法，从而防止别人使用 v11.0.0 - v12.16.0 版本时，引入你的 npm 组件而导致内存泄漏

二、详细说明

前文说了从 Node.js v8.10.0 开始就已经支持了 async/await 语法，经查该版本于 2018-03-06 发布，由于所有服务也不可能一下全切换到新版本，因此为了兼容 Node.js v6 版本的环境，需要将代码编译到 es6。但是站在现在这个 LTS 版本已经是 v12 的时间节点，完全可以排查现有使用 typescript 的 npm 组件是否都编译到 es2017，甚至探讨编译到 es2019 的可能。

此外这个内存泄漏问题是从哪个版本开始有的，现在是否解决了呢？编写可验证的内存泄漏的代码如下：

// no-leak.js
const heapdump = require('heapdump')

class Async {
  async run() {
      return null;
  }
}
const run = async () => {
  for (let index = 0; index < 10000000; index++) {
      if (index % 1000000 === 0)
          console.log(Math.floor(process.memoryUsage().heapUsed / 10000), index);
      const doer = new Async();
      await doer.run();
  }
  heapdump.writeSnapshot((err, filename) => {
    console.log("Heap dump written to", filename);
  });
};
run();

// leak.js 由 no-leak.js 编译得来
var __awaiter = (this && this.__awaiter) || function (thisArg, _arguments, P, generator) {
    function adopt(value) { return value instanceof P ? value : new P(function (resolve) { resolve(value); }); }
    return new (P || (P = Promise))(function (resolve, reject) {
        function fulfilled(value) { try { step(generator.next(value)); } catch (e) { reject(e); } }
        function rejected(value) { try { step(generator["throw"](value)); } catch (e) { reject(e); } }
        function step(result) { result.done ? resolve(result.value) : adopt(result.value).then(fulfilled, rejected); }
        step((generator = generator.apply(thisArg, _arguments || [])).next());
    });
};
class Async {
    run() {
        return __awaiter(this, void 0, void 0, function* () {
            return null;
        });
    }
}
const run = () => __awaiter(this, void 0, void 0, function* () {
    const now = Date.now();
    console.log('循环总次数: ', 10000000);
    for (let index = 0; index < 10000000; index++) {
        if (index % 1000000 === 0) {
            console.log('第 %d 次循环，此时内存为 %d', index, Math.floor(process.memoryUsage().heapUsed / 1000000));
        }
        const instance = new Async();
        yield instance.run();
    }
    console.log('总耗时: %d 秒', (Date.now() - now) / 1000);
});
run();

经过二分排查，发现该泄漏问题从 v11.0.0 引入，在 v12.16.0 解决；内存泄漏版本执行脚本时，内存占用逐步递增直到 crash，而未泄漏版本则会及时回收内存。

image-20200418212258518

根本原因

根本原因是 v8 的一个 bug，相关链接：

改进后的代码，在分配新增 WeakArrayList 数组时，即使返回没有空闲数组的标记（ kNoEmptySlotsMarker ），仍需要调用 ScanForEmptySlots 方法重新扫描一次数组，因为该数组元素有可能有被 GC 回收，这些被回收的元素是可以重复使用的；仅当返回 kNoEmptySlotsMarker 且数组中没有被 GC 回收的元素，才真正执行新增逻辑：

// https://github.com/targos/node/blob/cceb2a87295724b7aa843363460ffcd10cda05b5/deps/v8/src/objects/objects.cc#L4042
// static
Handle<WeakArrayList> PrototypeUsers::Add(Isolate* isolate,
                                          Handle<WeakArrayList> array,
                                          Handle<Map> value,
                                          int* assigned_index) {
  int length = array->length();
  if (length == 0) {
    // Uninitialized WeakArrayList; need to initialize empty_slot_index.
    array = WeakArrayList::EnsureSpace(isolate, array, kFirstIndex + 1);
    set_empty_slot_index(*array, kNoEmptySlotsMarker);
    array->Set(kFirstIndex, HeapObjectReference::Weak(*value));
    array->set_length(kFirstIndex + 1);
    if (assigned_index != nullptr) *assigned_index = kFirstIndex;
    return array;
  }

  // If the array has unfilled space at the end, use it.
  if (!array->IsFull()) {
    array->Set(length, HeapObjectReference::Weak(*value));
    array->set_length(length + 1);
    if (assigned_index != nullptr) *assigned_index = length;
    return array;
  }

  // If there are empty slots, use one of them.
  int empty_slot = Smi::ToInt(empty_slot_index(*array));

  if (empty_slot == kNoEmptySlotsMarker) {
    // GCs might have cleared some references, rescan the array for empty slots.
    PrototypeUsers::ScanForEmptySlots(*array);
    empty_slot = Smi::ToInt(empty_slot_index(*array));
  }

  if (empty_slot != kNoEmptySlotsMarker) {
    DCHECK_GE(empty_slot, kFirstIndex);
    CHECK_LT(empty_slot, array->length());
    int next_empty_slot = array->Get(empty_slot).ToSmi().value();

    array->Set(empty_slot, HeapObjectReference::Weak(*value));
    if (assigned_index != nullptr) *assigned_index = empty_slot;

    set_empty_slot_index(*array, next_empty_slot);
    return array;
  } else {
    DCHECK_EQ(empty_slot, kNoEmptySlotsMarker);
  }

  // Array full and no empty slots. Grow the array.
  array = WeakArrayList::EnsureSpace(isolate, array, length + 1);
  array->Set(length, HeapObjectReference::Weak(*value));
  array->set_length(length + 1);
  if (assigned_index != nullptr) *assigned_index = length;
  return array;
}

// static
void PrototypeUsers::ScanForEmptySlots(WeakArrayList array) {
  for (int i = kFirstIndex; i < array.length(); i++) {
    if (array.Get(i)->IsCleared()) {
      PrototypeUsers::MarkSlotEmpty(array, i);
    }
  }
}

不止内存泄漏

在我测试内存泄漏时，有一个发现，执行发生内存泄漏时的代码（前文的 leak.js）和未发生内存泄漏时的代码（前文的 no-leak.js）时，即使在已经修复该问题的 Node.js v12.16.2 版本下，generator 语法仍然有两个问题：

  1. 内存回收效率低，导致执行完后，仍有相当大的内存占用；
  2. 执行效率非常慢，async/await 版本仅需要 0.953 秒，而 generator 却需要 17.754 秒；

image-20200418234239068

这说明，相比 generator 语法，async/await 语法无论从执行效率还是内存占用方面都有压倒性优势。那么执行效率对比如何呢？上 benchmark 工具比划比划：

// benchmark.js
const __awaiter = (this && this.__awaiter) || function (thisArg, _arguments, P, generator) {
  function adopt(value) { return value instanceof P ? value : new P(function (resolve) { resolve(value); }); }
  return new (P || (P = Promise))(function (resolve, reject) {
      function fulfilled(value) { try { step(generator.next(value)); } catch (e) { reject(e); } }
      function rejected(value) { try { step(generator["throw"](value)); } catch (e) { reject(e); } }
      function step(result) { result.done ? resolve(result.value) : adopt(result.value).then(fulfilled, rejected); }
      step((generator = generator.apply(thisArg, _arguments || [])).next());
  });
};

const Benchmark = require('benchmark');
const suite = new Benchmark.Suite;

suite
  .add('generator', {
    defer: true,
    fn: function (deferred) {
      (function () {
        return __awaiter(this, void 0, void 0, function* () {
            yield Promise.resolve(1);
            yield Promise.resolve(2);
            // 测试完成
            deferred.resolve();
        });
      })();
    }
  })
  .add('async/await', {
    defer: true,
    fn: function(deferred) {
      (async function() {
        await Promise.resolve(1);
        await Promise.resolve(2);

        // 测试完成
        deferred.resolve();
      })()
    }
  })
  .on('cycle', function(event) {
    console.log(String(event.target));
  })
  .run({
    'async': false
  });

Node.js v12.16.2 的结果：

generator x 443,891 ops/sec ±4.12% (75 runs sampled)
async/await x 4,567,163 ops/sec ±1.96% (79 runs sampled)

generator 每秒执行了 516,178 次操作，而 async/await 每秒执行了 4,531,357 次操作，后者是前者的 10 倍多！我们看看其它 Node.js 版本表现如何：

电脑配置：MacBook Pro (13-inch, 2017, Two Thunderbolt 3 ports)

Node.js 版本generatorasync/await倍数
12.16.2443,8914,567,16310.29
11.15.0424,073680,7951.60
10.20.1427,799669,9101.57
9.11.2275,526500,4871.82
8.17.0281,571535,3171.90

二者执行效率和 Node.js 版本成正比，而 Node.js v12 来了一次大跃进，直接高了一个数量级，这个得益于 v8 7.2 的一个新特性，官网用了整整一篇文章说明，有兴趣的可以看看。

实际服务中使用 async/await 和 generator 的性能对比

Node.js v12

使用 generator（转换为 es6）

image-20200424105023008

使用 async/await（转换为 es2017）

image-20200424105105066

可看出，相同回调函数占比减少了 6%！！！

Chrome 也中招了吗？

目前最新版：版本 81.0.4044.113（正式版本） （64 位） 已经修复这个问题

既然是 v8 的问题，那么 chrome 浏览器也是有这个问题的，打开空白标签页，执行前文给出的 leak.js 代码：

image-20200418232344413

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