Kafka 协议实现中的内存优化

Posted 2020-08-28 尧字节

Kafka 协议实现中的内存优化

 

Jusfr 原创，转载请注明来自博客园

Request 与 Response 的响应格式

Request 与 Response 都是以 长度+内容 形式描述, 见于 A Guide To The Kafka Protocol

Request 除了 Size+ApiKey+ApiVersion+CorrelationId+ClientId 这些固定字段, 额外的 RequestMessage 包含了具体请求数据；

Request => Size ApiKey ApiVersion CorrelationId ClientId RequestMessage
  Size => int32
  ApiKey => int16
  ApiVersion => int16
  CorrelationId => int32
  ClientId => string
  RequestMessage => MetadataRequest | ProduceRequest | FetchRequest | OffsetRequest | OffsetCommitRequest | OffsetFetchRequest

Response 除了 Size+CorrelationId, 额外的 ResponseMessage 包含了具体响应数据；

Response => Size CorrelationId ResponseMessage
Size => int32
CorrelationId => int32
ResponseMessage => MetadataResponse | ProduceResponse | FetchResponse | OffsetResponse | OffsetCommitResponse | OffsetFetchResponse

处理序列化与反序列化需求

使用 MemoryStream

序列化 Request 需要分配内存, 从缓冲区读取 Response 同理.

MemoryStream 是一个可靠方案, 它实现了自动扩容, 但扩容过程离不开字节拷贝, 而频繁分配不小的内存将影响性能, 近似的扩容示例代码如下：

// init
Byte[] buffer = new Byte[4096];
Int32 offset = 0;

//write bytes
Byte[] bytePrepareCopy =  // from outside
if (bytePrepareCopy > buffer.Length - offset) {
    Byte[] newBuffer = new Byte[buffer.Length * 2];
    Array.Copy(buffer, 0, newBuffer, 0, offset);
    buffer = newBuffer;
}
Array.Copy(bytePrepareCopy, 0, buffer, offset, bytePrepareCopy.Length);

数组扩容可以参见 List 的实现， 这里只是示意, 没有处理长度为 (buffer.Length*2 - offset) < bytePrepareCopy.Length 的情况

在数组长度超4k 时，扩容成本非常高。如果约定“请求和响应不得超过4k“, 那么使用可回收(见下文相关内容)的固定长度的数组模拟 MemoryStream 的读取和写入行为, 能够达到极大的性能收益。

KafkaStreamBinary (见于 github) 内部使用 MemoryStream, KafkaFixedBinary (见于 github) 则是基于数组的实现;

使用 BufferManager

使用过 Memcached 的人很容易理解 BufferManager 的思路: 为了降低频繁开辟内存带来的开销，首先“将内存块化”, 申请者获取到“成块的内存”, 被分配出去的内存块标记为“已分配”; 与 Memcached 不同的是 BufferManager 期望申请者归还使用完后的内存块，以重新分配给其他申请操作。

System.ServiceModel.Channels.BufferManager 提供了一个可靠实现, 大致使用方式如下：

const Int32 size = 4096;
BufferManager bm = BufferManager.CreateBufferManager(maxBufferPoolSize: size * 32, maxBufferSize: size);
Byte[] buffer = bm.TakeBuffer(1024);
bm.ReturnBuffer(buffer);

与手动分配内容的性能对比

const Int32 size = 4096;
BufferManager bm = BufferManager.CreateBufferManager(maxBufferPoolSize: size * 10, maxBufferSize: size);

var timer = new FunctionTimer();
timer.Push("BufferManager", () => {
    Byte[] buffer = bm.TakeBuffer(size);
    bm.ReturnBuffer(buffer);
});

timer.Push("new Byte[]", () => {
    Byte[] buffer = new Byte[size];
});

timer.Initialize();
timer.Execute(100000).Print();

测试结果：

BufferManager
    Time Elapsed : 7ms
    CPU Cycles   : 17,055,523
    Memory cost  : 3,388
    Gen 0        : 2
    Gen 1        : 2
    Gen 2        : 2
new Byte[]
    Time Elapsed : 42ms
    CPU Cycles   : 113,437,539
    Memory cost  : 24
    Gen 0        : 263
    Gen 1        : 2
    Gen 2        : 2

• 过小的内容使用没有使用 BufferManager 的必要，但BufferManager分配超过 4k 内存时性能下降明显；
• 最优情况是申请人获取的内存块大小一致，如果设置maxBufferSize = 4k，但 TakeBuffer(Int32 bufferSize) 方法使用的参数大于 4k，测试表明性能还不如手动创建 Byte 数组；
• mono 的实现存在线程安全的问题;

强制要求业务使用的请求不超过4k 貌似做得到，但需求更大内存的场景总是存在，比如合并消息、批量消费等，Chuye.Kafka 作为类库需要提供支持。

KafkaScalableBinary = BufferManager + Byte[][]

KafkaScalableBinary 并没有发明新东西, 在其内部维护了一个 Dictionary<int32, byte[]=""> 保存一系列 Byte数组；

初始化时并未真正分配内存, 除非开始写入;

public KafkaScalableBinary()
    : this(4096) {
}

public KafkaScalableBinary(Int32 size) {
    if (size <= 0) {
        throw new ArgumentOutOfRangeException("size");
    }
    _lengthPerArray = size;
    _buffers = new Dictionary<Int32, Byte[]>(16);
}

写入时先根据当前位置对数组长度取模 _position / _lengthPerArray 找到待写入数组，不存在则分配新数组；

private Byte[] GetBufferForWrite() {
    var index = (Int32)(_position / _lengthPerArray);
    Byte[] buffer;
    if (!_buffers.TryGetValue(index, out buffer)) {
        if (_lengthPerArray >= 128) {
            buffer = ServiceProvider.BufferManager.TakeBuffer(_lengthPerArray);
        }
        else {
            buffer = new Byte[_lengthPerArray];
        }
        _buffers.Add(index, buffer);
    }
    return buffer;
}

然后根据当前位置对数组长度取整 _position % _lengthPerArray 找到目标位置；由于待写入长度可能超过可使用长度，这里使用了 while 循环，一边获取和分配待写入数组, 一边将剩余字节写入其中，直至完成；

public override void WriteByte(Byte[] buffer, int offset, int count) {
    if (buffer == null) {
        throw new ArgumentNullException("buffer");
    }
    if (buffer.Length == 0) {
        return;
    }
    if (buffer.Length < count) {
        throw new ArgumentOutOfRangeException();
    }

    checked {
        var left = count;                                               //标记剩余量
        while (left > 0) {
            var targetBuffer = GetBufferForWrite();                     //查找目标数组
            var targetOffset = (Int32)(_position % _lengthPerArray);    //查找目标位置
            if (targetOffset == _lengthPerArray - 1) {                  //如果位置已经位于数组末尾, 说明位于起始位置；
                targetOffset = 0;
            }

            var prepareCopy = left;                                     //准备写入剩余量
            if (prepareCopy > _lengthPerArray - targetOffset) {         //但数组的剩余长度可能不够，写入较小长度
                prepareCopy = _lengthPerArray - targetOffset;
            }
            Array.Copy(buffer, count - left, targetBuffer, targetOffset, prepareCopy);  //拷贝字节
            _position += prepareCopy;                                   //推进位置
            left -= prepareCopy;                                        //减小剩余量
            if (_position > _length) {                                  //增大总长度
                _length = _position;
            }
        }
    }
}
        

读取过程类似，循环查找待读取数组和拷贝字节直到完成，不同的是分配内存的逻辑以一条异常替代；

public override Int32 ReadBytes(Byte[] buffer, int offset, int count) {
    if (buffer == null) {
        throw new ArgumentNullException("buffer");
    }
    if (buffer.Length == 0) {
        return 0;
    }
    if (buffer.Length < count) {
        throw new ArgumentOutOfRangeException();
    }
    checked {
        var prepareRead = (Int32)(Math.Min(count, _length - _position));    //计算待读取长度
        var left = prepareRead;                                             //标记剩余量
        while (left > 0) {
            var targetBuffer = GetBufferForRead();                          //查找目标数组
            var targetOffset = (Int32)(_position % _lengthPerArray);        //查找目标位置
            var prepareCopy = left;                                         //准备读取剩余量
            if (prepareCopy > _lengthPerArray - targetOffset) {
                prepareCopy = _lengthPerArray - targetOffset;
            }
            Array.Copy(targetBuffer, targetOffset, buffer, prepareRead - left, prepareCopy);  //但数组的剩余长度可能不够，读取较小长度
            _position += prepareCopy;                                       //推进位置
            left -= prepareCopy;                                            //减小剩余量
        }
        return prepareRead;
    }
}

private Byte[] GetBufferForRead() {
    var index = (Int32)(_position / _lengthPerArray);
    Byte[] buffer;
    if (!_buffers.TryGetValue(index, out buffer)) {
        throw new IndexOutOfRangeException();
    }
    return buffer;
}

释放时释放内部维护的的全部字节;

public override void Dispose() {
    foreach (var item in _buffers) {
        if (_lengthPerArray >= 128) {
            ServiceProvider.BufferManager.ReturnBuffer(item.Value);
        }
    }
    _buffers.Clear();
}

写入缓冲区是对内部维护数组列表的直接操作，高度优化

public override void CopyTo(Stream destination) {
    foreach (var item in GetBufferAndSize()) {
        destination.Write(item.Key, 0, item.Value);
    }
}

读取缓冲区时和写入行为类似

public override void ReadFrom(Stream source, int count) {
    var left = count;
    var loop = 0;
    do {
        var targetBuffer = GetBufferForWrite();
        var targetOffset = (Int32)(_position % _lengthPerArray);
        var prepareCopy = left;
        if (prepareCopy > _lengthPerArray - targetOffset) {
            prepareCopy = _lengthPerArray - targetOffset;
        }

        var readed = source.Read(targetBuffer, targetOffset, prepareCopy);
        _position += readed;
        left -= readed;
        if (_position > _length) {
            _length = _position;
        }
        loop++;
    } while (left > 0);
}

实际上可以从 MemoryStream 定义出 ScalableMemoryStream 再改写其行为，KafkaScalableBinary 依赖于 MemoryStream 而不是具体实现，整体就更加"设计模式"了 , 基本逻辑前文已陈述。

测试过程中发现，一来 **mono 的 BufferManager 实现存在线程安全问题*，故 Chuye.Kafka 提供了一个 ObjectPool 模式的 BufferManager 作为替代方案; 二是 KafkaScalableBinary 与 ScalableStreamBinary 的性能对比测试结果非常不稳定，但前者频繁的取横取整及字典开销必然是拖累，我会继续追踪和优化。

KafkaScalableBinary (见于 github)， 序列化部分设计示意：

 

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