ARM64 CentOS系统下MySQL使用jemalloc时的问题和解决方法

本文主要介绍在ARM64 CentOS系统下，MySQL使用jemalloc作为内存管理器时，内存占用问题的分析过程和解决方法。

Jemalloc 简介

Jemalloc是由Jason Evans在FreeBSD项目中引入的内存分配管理器，它的优势在于减少内存碎片和提升高并发场景下内存的分配效率。

Jemalloc中的基本概念和数据结构

size_class: 每个 size_class 代表 jemalloc 分配的内存大小，共有 NSIZES（232）个小类（如果用户申请的大小位于两个小类之间，会取较大的，比如申请14字节，位于8和16字节之间，按16字节分配），分为2大类：small_class和large_class
Base: 用于分配 jemalloc 元数据内存的结构，通常一个 base 大小为 2mb，所有 base 组成一个链表。
bin: 管理正在使用中的 slab（即用于小内存分配的 extent）的集合，每个 bin 对应一个 size_class
extent: 管理 jemalloc 内存块（即用于用户分配的内存）的结构，每一个内存块大小可以是 N*page_size（N >= 1）。
slab: 当 extent 用于分配 small_class 内存时，称其为 slab。一个 extent 可以被用来处理多个同一size_class 的内存申请。
extents: 管理 extent 的集合。
arena: 用于分配&回收 extent 的结构，每个用户线程会被绑定到一个 arena 上，默认每个逻辑 CPU 会有 4 个 arena 来减少锁的竞争，各个 arena 所管理的内存相互独立。
rtree: 全局唯一的存放每个 extent 信息的 Radix Tree
cache_bin: 每个线程独有的用于分配小内存的缓存
tcache: 每个线程独有的缓存（Thread Cache），大多数内存申请都可以在 tcache 中直接得到，从而避免加锁
tsd: Thread Specific Data，每个线程独有，用于存放与这个线程相关的结构

MySQL使用Jemalloc

鉴于jemalloc的诸多优点，计划使用jemalloc作为内存管理器来优化MySQL，下面是测试环境。

测试环境

CPU: ARM64
Memory: 512GB
OS: CentOS Linux release 8.3.2011
Kernel: 4.18.0-193.28.1.el8_2.aarch64
MySQL: 8.0.25
Test Tool: SysBench 1.0.20
Jemalloc: 5.2.1

jemalloc的安装和使用

# wget https://github.com/jemalloc/jemalloc/archive/refs/tags/5.2.1.tar.gz -O jemalloc-5.2.1.tar.gz
# tar xzvf jemalloc-5.2.1.tar.gz
# cd jemalloc-5.2.1
# ./autogen.sh
//安装到指定目录
# ./configure --prefix=/home/test-user/jemalloc-5.2.1-install
//编译并安装
# make; make install
//配置环境变量
# export LD_PRELOAD=/home/test-user/jemalloc-5.2.1-install/lib/libjemalloc.so

安装好MySQL后，通过如下命令检查jemalloc是否被正常使用（MySQL的安装请参考官方步骤，这里不再赘述）

# lsof -n |grep jemalloc

下图显示MySQL已经正常使用jemalloc
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测试用例

sysbench启动80个线程对MySQL进行读写压测。

异常问题

压测过程中发现内存使用“异常”：MySQL进程占用的物理内存超过了100GB。
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不使用jemalloc切换回默认的glibc后，内存占用降低到了7GB，和以往的测试结果一致。
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从测试结果看，使用jemalloc作为内存管理器时内存使用量激增，需要进一步分析原因。内存使用量是否合理？是否和架构相关？

问题分析

第一阶段分析

1. 复现“问题”

首先需要确定该“问题”是否在x86架构上也存在，是否和操作系统或内核版本相关。

为了快速验证以上疑问，在AWS上分别创建x86实例(m5)和arm64实例(m6g)进行测试, 并没有复现“问题”。这两个实例默认的操作系统是Amazon Linux 2，而本地测试时使用的是CentOS8，在m6g上安装CentOS8重新测试，“问题”复现。测试结果如下：
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2. 对比分析

对比测试环境，分析它们不同点，我们发现该“问题”只有在内核page size是64KB时才会出现。

另外，根据前文介绍，jemalloc中extent会基于page size分配内存。而且，深入分析jemalloc代码后还发现有多个数据结构的内存分配都涉及到page size，比如size_class, bin, extents, arena等等。

页表在操作系统中作为最基础的内存分配结构，ARM64支持4K、16K、64K不同大小的页表，x86只支持4KB。而本地测试使用的ARM64 CentOS的默认page size就是64KB，所以初步判断该“问题”和page size的配置相关。

3. 解决方法

即然ARM64架构支持多种page size，而page size为4KB时没有出现问题，那么可以修改ARM64 CentOS8的内核默认的page size来解决该"问题"。

修改page size方法

由于内核当前页表大小只支持静态配置，不支持动态修改，所以需要重新编译内核。
修改方法如下：

在 https://www.kernel.org/ 获取需要的内核版本
解压并修改内核配置参数
```
# tar xf linux-x.x.x.tar.xz
# cd linux-x.x.x
# cp /boot/config-xxx .config
# make menuconfig
```
在图形菜单中找到“Kernel Features-> Page size”，选择4KB并保存配置

编译并安装新的内核

# make -j
# make modules_install
# make install

重启进入新的内核，参看page size是否修改成功
```
# getconf PAGE_SIZE
4096
```

4. 验证

修改page size为4KB后重新测试，jemalloc内存使用量和glibc接近。测试结果如下：
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5. 潜在问题

至此该“问题”似乎可以通过修改page size来解决。但是，如果用户仍然需要使用64KB的页表，该方法将不再适用。

实际上，jemalloc本身支持编译参数“--with-lg-page=16”，该参数可以使jemalloc在page size为4KB时复用多个页面来达到使用64KB页面的效果。

尝试在4KB page size的系统下加入该编译参数，并没有出现内存使用量激增的现象。

这说明除了page size，还有其他因素影响了jemalloc的内存分配，仍然需要进一步分析。

第二阶段分析

1. micro-benchmark

通过以上测试发现该“问题”和MySQL并没有直接关系。为了简化分析和复现过程，单独开发了一个micro-benchmark https://github.com/machuang1983/jemalloc_micro_benchmark

该程序用于建立多个线程，每个线程分配一定内存，程序运行过程中实时打印进程的内存使用情况。

通过micro-benchmark可以快速复现问题。测试结果显示，每新建一个线程就会消耗1GB左右的内存。测试结果如下：

再次简化测试，直接运行单线程程序，如sleep 100，进程就会占用1GB内存。
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由此看见，jemalloc针对一个线程进行内存初始化分配时就会分配1GB内存。需要深入分析jemalloc具体的分配机制。

2. 深入分析jemalloc代码

按前文所述，jemalloc的内存分配涉及到多个数据结构，我们结合gdb单步执行来分析jemalloc代码，同时实时查看内存占用的变化，由此定位到关键代码。

调试过程中发现，base会基于默认的hugepage size分配内存，分配之后监控到内存使用量突然增大，具体代码在 https://github.com/jemalloc/jemalloc/blob/dev/src/base.c#L46-L49
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继续搜索hugepage size相关代码，还发现另一处使用它来分配内存，代码在https://github.com/jemalloc/jemalloc/blob/master/src/arena.c#L2052
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由此可见除了page size，hugepage size对jemalloc的内存分配也有影响。通常hugepage size比page size大得多，所以hugepage size的影响会更大。

3. hugepage

内存管理采用"分页机制"，但是当运行内存需求量较大时，默认page大小的页面会导致较多的TLB miss和缺页中断，从而大大影响应用程序性能。所以，有些场景希望可以使用更大的内存页作为映射单位，因此引入了hugepage。

不同架构支持的hugepage size不同，见下表：
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4. 解决方法

ARM64 CentOS在page size=64KB时，默认hugepage size是512MB，jemalloc的base会以512MB来分配内存，而当page size=4KB时，默认hugepage size是2MB。所以回顾前面的测试，修改page size后问题消失的主要原因是默认的hugepage size改变导致的。

默认hugepage size修改方法

修改启动参数“default_hugepagesz=2M”
ARM64支持多种hugepage size，可以使用hugepagesz启动参数进行调整，无需重新编译内核。
- 永久修改
  - Centos: Set default_hugepagesz=2M in /boot/grub2/grubenv file
  - Ubuntu: Set default_hugepagesz=2M to GRUB_CMDLINE_LINUX in /etc/default/grub file, then run “update-grub”
- 临时修改
  - 内核启动时，输入"e"进入修改启动选项界面，加入参数“default_hugepagesz=2M”，然后输入"ctrl+x"启动内核。
jemalloc编译参数"--with-lg-hugepage=21"
jemalloc支持编译参数"--with-lg-hugepage=21"，替代系统的默认的hugepage size为2MB。建议使用该方法。

5. 验证

修改默认hugepage size后测试结果(sysbench使用256线程压测)如下：
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测试结果显示，将hugepage size改为2MB以后，jemalloc的内存使用情况和glibc接近。

总结

该"问题"和架构无关，jemalloc作为内存管理器，如果默认hugepage size较大，会导致软件占用较大的内存，jemalloc提供了编译参数"--with-lg-hugepage=21"来降低这个影响。

由于ARM64支持更多类型的page size和hugepage size，用以提升软件的性能。所以用户在ARM64系统上使用jemalloc时，需要关注默认的page size和hugepage size，并根据具体需求做出相应的调整。

参考

https://uncp.github.io/JeMalloc/
https://www.kernel.org/doc/html/latest/arm64/hugetlbpage.html
https://github.com/memkind/memkind/blob/master/jemalloc/INSTALL.md
https://github.com/jemalloc/jemalloc/issues/2178
https://github.com/jemalloc/jemalloc/blob/dev/TUNING.md
http://www.brionas.com/2017/05/25/jemalloc源码解析-核心架构-2/
https://www.kernel.org/doc/html/v4.19/admin-guide/kernel-parameters.html?highlight=hugepagesz