何利用PMC來發(fā)現(xiàn)JVM原生代碼的瓶頸？

本文通過對CPU層面的代碼挖掘，發(fā)現(xiàn)JVM存在的問題，并通過對JVM打補(bǔ)丁的方式解決了大實(shí)例下性能不足的問題。

在前面的文章中，我們概述了可觀測性的三大領(lǐng)域：整體范圍，微服務(wù)和實(shí)例。我們描述了洞察每個領(lǐng)域所使用的工具和技術(shù)。然而，還有一類問題需要深入到CPU微體系架構(gòu)中。本文我們將描述一個此類問題，并使用工具來解決該問題。

問題概述

問題起始于一個常規(guī)遷移。在Netflix，我們會定期對負(fù)載進(jìn)行重新評估來優(yōu)化可用容量的利用率。我們計劃將一個Java微服務(wù)(暫且稱之為GS2)遷移到一個更大的AWS實(shí)例上，規(guī)格從m5.4xl(16 vCPU)變?yōu)閙5.12xl(48 vCPU)。GS2是計算密集型的，因此CPU就成為了受限資源。雖然我們知道，隨著vCPU數(shù)量的增長，吞吐量幾乎不可能實(shí)現(xiàn)線性增長，但可以近線性增長。

在大型實(shí)例上進(jìn)行整合可以分?jǐn)偤笈_任務(wù)產(chǎn)生的開銷，為請求留出更多的資源，并可以抵消亞線性縮放。由于12xl實(shí)例的vCPU數(shù)是4xl實(shí)例的3倍，因此我們預(yù)期每個實(shí)例的吞吐量能夠提升3倍。在快速進(jìn)行了一次金絲雀測試后發(fā)現(xiàn)沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，并展示了更低的延遲，該結(jié)果符合預(yù)期，在我們的標(biāo)準(zhǔn)金絲雀配置中，會將流量平均路由到運(yùn)行在4xl上的基準(zhǔn)以及運(yùn)行在12xl上的金絲雀上。

由于GS2依賴 AWS EC2 Auto Scaling來達(dá)到目標(biāo)CPU利用率，一開始我們認(rèn)為只要將服務(wù)重新部署到大型實(shí)例上，然后等待 ASG (Auto Scaling Group)達(dá)到目標(biāo)CPU即可，但不幸的是，一開始的結(jié)果與我們的預(yù)期相差甚遠(yuǎn)：

第一張圖展示了單節(jié)點(diǎn)吞吐量和CPU利用率之間的關(guān)系，第二張圖展示了平均請求延遲?？梢钥吹疆?dāng)CPU大致達(dá)到50%時，平均吞吐量僅僅增加了約25%，大大低于預(yù)期。更糟糕的是，平均延遲則增加了50%，CPU和延遲的波動也更大。GS2是一個無狀態(tài)服務(wù)，它使用輪詢方式的負(fù)載均衡器來接收流量，因此所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)該接收到幾乎等量的流量。RPS(Requests Per Second)也顯示了，不同節(jié)點(diǎn)的吞吐量變化很少：

但當(dāng)我們查看節(jié)點(diǎn)的CPU和延遲時，發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的模式：

盡管我們確認(rèn)了節(jié)點(diǎn)之間的流量分布相當(dāng)，但CPU和延遲度量卻展示了一種非常不同的雙峰分布模式。"低波段"的節(jié)點(diǎn)展示了很低的CPU和延遲，且?guī)缀鯖]有波動，而"高波段"的節(jié)點(diǎn)則具有相當(dāng)高的CPU和延遲，以及更大的波動。我們發(fā)現(xiàn)大約12%的節(jié)點(diǎn)處于低波段中，隨著時間的推移，這一圖形讓人產(chǎn)生懷疑。兩種波段中，在(節(jié)點(diǎn)上的)JVM的整個運(yùn)行時間內(nèi)，其性能特點(diǎn)保持一致，即節(jié)點(diǎn)不會跳出其所在的波段。我們就此開始進(jìn)行問題定位。

首次嘗試解決

一開始我們嘗試對比快慢兩種節(jié)點(diǎn)的火焰圖。雖然火焰圖清晰地給出了采樣到的CPU利用率之間的差異，但堆棧之間的分布保持不變，因此并沒有獲得有價值的結(jié)論。我們轉(zhuǎn)而使用JVM專用的性能采樣，從基本的hotspot 統(tǒng)計到更詳細(xì)的 JFR (Java Flight Recorder)來比較事件分布，然而還是一無所獲，快慢兩種節(jié)點(diǎn)的事件數(shù)量和分布都沒有出現(xiàn)值得關(guān)注的差異。我們?nèi)匀粦岩蒍IT行為可能有問題，通過對perf-map-agent 采集的符號映射進(jìn)行了一些基本統(tǒng)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了另一個死角。

False Sharing

在確定沒有在app-，OS-和JVM層面有所遺漏之后，我們感覺答案可能隱藏在更低的層次。幸運(yùn)的是，m5.12xl實(shí)例類型暴露了一組PMCs (Performance Monitoring Counters, 即PMU 計數(shù)器)，因此我們可以使用PerfSpect采集一組基線計數(shù)器數(shù)據(jù)：

在上表中，低CPU/延遲的節(jié)點(diǎn)代表"快節(jié)點(diǎn)"，而高CPU/延遲的節(jié)點(diǎn)代表"慢節(jié)點(diǎn)"。除了CPU上的明顯差異外，還看到慢節(jié)點(diǎn)的CPI幾乎是快節(jié)點(diǎn)的3倍。此外，我們還看到了更高的L1緩存活動以及4倍的MACHINE_CLEARS計數(shù)。一種常見的導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因稱為false sharing，即當(dāng)2個core讀/寫恰好共享同一L1 cache line的不相關(guān)的變量的模式。Cache line是一個類似內(nèi)存頁的概念，數(shù)據(jù)塊(x86系統(tǒng)通常為64字節(jié))會進(jìn)出該緩存，過程如下：

圖中的每個core都有自己的私有緩存，由于兩個cores會訪問相同的內(nèi)存空間，因此必須保證緩存一致。這種一致性稱為緩存一致協(xié)議。Thread 0會寫入紅色變量，一致性協(xié)議會將Thread 0中的整個cache line標(biāo)記為"已修改"，并將Thread 1的緩存標(biāo)記為"無效"。

而后，當(dāng)Thread 1讀取藍(lán)色變量時，即使藍(lán)色變量不是"已修改"的，一致性協(xié)議也會強(qiáng)制從緩存中重載上次修改的內(nèi)容(本例中為Thread 0的緩存)到cache line中。解決私有緩存之間的一致性需要花費(fèi)一定時間并導(dǎo)致CPU暫停。此外，還需要通過最后一級共享緩存的控制器來監(jiān)控來回的一致性流量，進(jìn)而導(dǎo)致更多的暫停。我們認(rèn)為CPU緩存一致性是理所當(dāng)然的，但這種false sharing模式表明，如果只讀取與無關(guān)數(shù)據(jù)相鄰的變量時，就會造成巨大的性能損耗。

根據(jù)已掌握的知識，我們使用 Intel vTune 來進(jìn)行微體系架構(gòu)的性能采樣。通過研究熱點(diǎn)方法以及匯編代碼，我們找出了超過100CPI的指令(執(zhí)行非常慢的指標(biāo))，如下：

1到6的編號表示源代碼和vTune匯編視圖中對應(yīng)的相同代碼/變量。紅色箭頭表示的CPI值可能屬于上一條指令，這是由于在沒有PEBS(基于處理器事件的采樣)的情況下進(jìn)行了性能采樣，并且通常是被單條指令關(guān)閉的。(5)中的repne scan是一個相對少見的定義在JVM代碼庫中的操作，我們將這個代碼片段鏈接到用于子類檢查的例程(在撰寫本文時，JDK主線中存在相同的代碼)中。關(guān)于HotSpot中的子類型檢查的細(xì)節(jié)超出了本文的范疇，有興趣的可以參見2002年出版的Fast Subtype Checking in the HotSpot JVM。

基于該工作負(fù)載中使用的類層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，我們不斷更新(6)_secondary_super_cache字段的代碼路徑，它是最后找到的二級父類的單元素緩存，注意該字段與_secondary_supers相鄰。_secondary_supers是所有父類的列表，會在掃描開始時讀取(1)。多線程會對這些字段進(jìn)行讀寫操作，且如果字段(1)和(6)處于相同的cache line，那么就會出現(xiàn)false sharing的情況。在上圖中，我們使用紅色和藍(lán)色高亮了這些導(dǎo)致false sharing的字段。

由于cache line的長度為64字節(jié)，而指針長度為8字節(jié)，因此這些字段有1/8的機(jī)會讓處于不同的cache line中，有7/8的機(jī)會共享相同的cache line。1/8的即12.5%，這與前面觀測到的快節(jié)點(diǎn)的比例相同。

問題的修復(fù)需要設(shè)涉及對JDK的補(bǔ)丁操作，我們在_secondary_super_cache和_secondary_supers字段中間插入padding來保證它們不會使用相同的cache line。注意我們并沒有修改JDK的功能，只是變更了數(shù)據(jù)布局：

部署補(bǔ)丁之后的效果立竿見影。下圖中節(jié)點(diǎn)上的CPU出現(xiàn)了斷崖式下降。在這里，我們可以看到中午進(jìn)行了一次紅黑部署，而新的ASG和修補(bǔ)后的JDK在12:15時生效：

此時CPU和延遲展示了相似的曲線，慢波段節(jié)點(diǎn)消失不見。

True Sharing

隨著自動擴(kuò)容達(dá)到CPU目標(biāo)，但我們注意到單個節(jié)點(diǎn)仍然無法處理超過150RPS，而我們的目標(biāo)是250RPS。針對補(bǔ)丁版本的JDK進(jìn)行的又一輪vTune性能采樣，發(fā)現(xiàn)圍繞二級父類的緩存查找出現(xiàn)了瓶頸。在經(jīng)過補(bǔ)丁之后又出現(xiàn)了相同的問題，一開始讓人感到困惑，但在仔細(xì)研究后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在我們使用的是true sharing，與false sharing不同，兩個獨(dú)立的變量共享了一個cache line，true sharing指相同的變量會被多線程/core讀寫。這種情況下，CPU強(qiáng)制內(nèi)存排序是導(dǎo)致速度減慢的原因。

我們推斷，消除false sharing并提高了總吞吐量會導(dǎo)致增加相同JVM父類緩存代碼路徑的執(zhí)行次數(shù)。本質(zhì)上，我們有更高的執(zhí)行并發(fā)性，但由于CPU強(qiáng)制內(nèi)存排序協(xié)議，導(dǎo)致父類緩存壓力過大。通常的解決方式是避免一起寫入相同的共享變量，這樣就可以有效地繞過JVM的輔助父類緩存。由于此變更改變了JDK的行為，因此我們使用了命令行標(biāo)志，完整的補(bǔ)丁如下：

在禁用父類緩存寫操作之后的結(jié)果如下：

可以看到在CPU達(dá)到目標(biāo)55%的情況下，吞吐量達(dá)到了350 RPS，是我們一開始使用m5.12xl的吞吐量的3.5倍，同時降低了平均和尾部延遲。

后續(xù)工作

在我們的場景下，禁用寫入二級父類緩存工作良好，雖然這并不一定適用于所有場景，但過程中使用到的方法，工具集可能會對遇到類似現(xiàn)象的人有所幫助。在處理該問題時，我們碰到了 JDK-8180450，這是一個5年前的bug，它所描述的問題和我們遇到的一模一樣。諷刺的是，在真正找到答案之前，我們并不能確定是這個bug。

總結(jié)

我們傾向于認(rèn)為現(xiàn)在的JVM是一個高度優(yōu)化的環(huán)境，在很多場景中展示出了類似C+++的性能。雖然對于大多數(shù)負(fù)載來說是正確的，但需要提醒的是，JVM中運(yùn)行的特定負(fù)載可能不僅僅受應(yīng)用代碼的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的影響，還會受到JVM自身的影響，本文中我們描述了如何利用PMC來發(fā)現(xiàn)JVM原生代碼的瓶頸，對其打補(bǔ)丁，并且隨后使負(fù)載的吞吐量提升了3倍以上。當(dāng)遇到這類性能問題時，唯一的解決方案是在CPU微體系結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行挖掘。intel vTune使用PMC提供了有價值的信息(如通過m5.12xl實(shí)例類型暴露出來的信息)。在云環(huán)境中跨所有實(shí)例類型和大小公開一組更全面的PMC和PEBS可以為更深入的性能分析鋪平道路，并可能獲得更大的性能收益。

審核編輯：劉清