Giới thiệu về OffHeap và ZeroCopy

419

Bài viết được sự cho phép của tác giả Trần Văn Dem

Java là một ngôn ngữ dễ học mang lại hiệu năng đủ tốt dành cho hầu hết các sản phẩm hiện nay. Chắc hẳn mọi người biết rằng để xây dựng một hệ thống có thời gian phản hồi trong khoảng vài milliseconds thì việc caching là rất quan trọng. Việc của chúng ta sẽ phải làm là tăng tỉ lệ cache hit và cách đơn giản nhất là cache càng nhiều dữ liệu trên memory một vài ứng dụng sẽ cần cache tất cả lên memory mà không sử dụng thêm một memory database nào khác.

Một trong các hạn chế của Java khi xây dựng hệ thống có tải cao và độ trễ thấp đó là garbage collection (gc). Mặc dù qua các phiên bản khác nhau của Java hệ thống này ngày càng được cải tiến với các thuật toán gc thông minh hơn giúp giảm thời gian stop the world đi nhưng hiện tại với phiên bản Java 11 thì thời gian stop the world vẫn chưa bằng 0. Dữ liệu trên heap càng nhiều thì sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến các thuật toán gc của Java. Nếu các bạn muốn đọc thêm về turning gc trong Java, chọn thuật toán gc nào phù hợp với ứng dụng của mình thì click Garbage Collection Tuning Guide đây là tài liệu của oracle viết giúp turning gc.

Tại bài viết hôm nay mình muốn giới thiệu cho mọi người một kỹ thuật khác trong Java có thể dùng để caching dữ liệu mà không làm nặng tải cho các thuật toán gc giúp giảm thiểu thời gian stop the world. Như đã trình bày bên trên càng nhiều dữ liệu trên heap thì càng làm tăng tải cho các thuật toán gc. Vậy cách cache dữ liệu mà không ảnh hưởng đến gc sẽ là chúng ta sẽ cache một số dữ liệu tại off-heap vùng bộ nhớ này sẽ không chịu tác động của gc nên sẽ giảm tải cho thuật toán gc.

Bộ nhớ Off-Heap trong Java là một khái niệm không mới mặc dù nó đã tồn tại rất lâu nhưng hiện tại mình chỉ sử dụng nó được khoảng gần 1 năm. Tại bài viết này mình sẽ chia sẻ về off heap , zero copy và các ứng dụng thực tế mình đã làm.

Bộ nhớ on-heap trong Java đã quá quen thuộc với mọi người. Mọi lập trình viên Java đều sử dụng nó hằng ngày để cấp phát và lưu các đối tượng trong chương trình.

Bộ nhớ off-heap sẽ sử dụng memory trực tiếp của hệ điều hành nên sẽ không chịu tác động của gc trên Java chúng ta chỉ cấp phát một object nhỏ trong heap để làm việc với bộ nhớ off-heap nên sẽ không ảnh hưởng đến gc.

Vì đây là bộ nhớ của OS nên chúng ta chỉ lưu được dữ liệu dưới dạng binary sequence. Mọi object muốn được lưu trong off heap sẽ phải serialize thành các byte array và khi muốn truy xuất đối tượng trong offheap thì sẽ cần bước deserialize từ byte array sang object.

Để sử dụng được bộ nhó off-heap trong Java cung cấp cho chúng ta class :

  • DirectByteBuffer và
  • MappedByteBuffer.

Hai class không những giúp chúng ta xây dựng caching trên off-heap mà còn có thể tăng hiệu năng của chương trình trong một số trường hợp nhất định.

Các thách thức khi implement offheap caching.

On-Heap OffHeap
Cấu trúc dữ liệu Implement Hashtable bằng array. Array cho phép ramdom accesss vào object Implement Hashtable bằng DirectByteBuffer. DirectByteBuffer cho phép access đến offset của bytes
Trùng mã Hash Implement B-Tree hoặc LinkedList tùy phiên bản của Java Implement B-Tree hay LinkedList trên OffHeap là rất khó khăn
resize HashTable Tạo ra array mới có size lớn hơn (thường là gấp 2) và tính toán lại hết các mã hash và slot lưu dữ liệu Việc tạo mới DirectByteBuffer với size gấp đôi là rất tốn kém chi phí.

Chúng ta có thể lựa chọn giải pháp kết hợp giữa on-heap và off-heap bằng cách sẽ lưu offset của một object trên on heap. Sau khi lấy được offset của object rồi thì sẽ dùng các api có sãn để seek đến offset và lấy dữ liệu ra.

Vì có quá nhiều bài toán cần phải giải quyết khi implement off-heap cache nên hiện tại mình chưa code demo cho mọi người về offheap cache được.

Nhưng trong các project trading của bên mình (caching tất cả lệnh đang được mở của khách hàng) đã làm đều sử dụng thư viện MapDB. Đây là một thư viện rất mạnh đang được hơn 4.5K sao trên github. Mình đã đọc qua source code của thư viện này thì thấy tác giả đã cài đặt off-heap cache lưu cả phần offset và data trên DirectByteBuffer. Thuật toán của anh ta rất tuyệt vời mang lại tốc độ đọc/ghi ngang với các concurrent collection của Java.

Khi đọc/ghi dữ liệu từ off-heap thì chúng ta cần quan tâm một điều nữa là việc serialize dữ liệu. Khi có thuật toán đủ tốt dành cho caching data rồi thì bottleneck của hệ thống chính là phần serialize này. Khi sử dụng Java thì mọi người nên tránh sử dụng serialize có sẵn của nó mà nên dùng một số thư viện như : kryo,proto,… Hoặc tự xây dựng một bộ serialize riêng, tham khảo bài viết ngắn gọn của mình về Serialize, code trong blog đã được mình sửa lại rất nhiều và commit trên github.

Theo hiểu biết của mình hiện tại có 2 mô hình socket server :

  • Blocking IO socket. Một Thread sẽ đọc dữ liệu từ một connection
  • Non Blocking IO socket. Một Thread đọc dữ liệu từ nhiều connection

Tại đây mình sẽ nói đôi chút về Non Blocking IO socket với DirectByteBuffer. Theo các tài liệu viết về mô hình NonBlockingIO này dữ liệu sẽ đọc từ channel vào bytebufferDirectByteBuffer được tối ưu cho việc đọc ghi này. Vì DirectByteBuffer dùng memory của hệ điều hành chứ không dùng heap của Java. Và vẫn như trên DirectByteBuffer không làm tăng tải cho gc.

Khi bạn sử dụng Heap Buffer khi ghi dữ liệu của socket thì sẽ làm các bước sau:

  1. Tạo direct bytebuffer tạm
  2. Ghi dữ liệu từ Heap Buffer vào direct buffer tạm
  3. Thực hiện các quá trình socket I/O khác bằng buffer tạm

Việc tạo mới DirectByteBuffer là rất tốn kém nên nếu sử dụng DirectByteBuffer thì hãy nên tạo và tái sử dụng không nên tạo mới.

Công việc hiện tại của mình mỗi khi code socket thì sẽ sủ dụng netty và netty cũng sử dụng DirectByteBuffer.

  Cách tuần tự hóa dữ liệu trong Java như Protobuf
  Kỹ thuật tối ưu truy vấn SQL

Một ứng dụng rất nổi tiếng đó là Kafka nó sử dụng cơ chế zero copy để khiến dữ liệu từ server chuyển về phía consumer là nhanh nhất. Để an toàn Kafka persist tất cả message của producer xuống file của server và sẽ chuyển dữ liệu từ file này đến phía của consumer.

Mặc dù liên quan rất ít đến nội dung bài blog này nhưng mình vẫn xin phép giải thích một chút về zero copy của Kafka.

Nếu không sử dụng kỹ thuật zero copy thì logic khi code sẽ là như sau.

NormalLogic.png

Chương trình của chúng ta sử dụng rất nhiều API của hệ điều hành, nhất là khi thao tác với các hệ thống File hoặc thao tác với socket. Vậy nên khi muốn đọc File hay muốn gửi nhận dữ liệu thì chúng ta đều phải switching context để sử dụng API của OS

Có một số điểm cần lưu ý tại hình trên:

  • Chúng ta có 4 lần switching context: 2 lần gọi syscall() từ Application, 2 lần OS trả lại kết quả và cho Application chạy tiếp.
  • Có một lần copy data từ OS sang Application, một lần copy data từ Application sang OS.

Bốn lần switching context và hai lần copy data có thể gây chậm cho hệ thống Kafka. Với hầu hết các ứng dụng thì phần code logic rất phức tạp nên ta không thể tránh được 4 lần switching context và 2 lần copy data được, nhưng với các kỹ sư code Kafka thì họ có thể xử lý được.

Sau khi sử dụng kỹ thuật zero copy thì sẽ được như sau.

ZeroCopy.png

Với sự support của OS thì các kỹ sư của Kafka đã sử dụng API transferTo() để gửi thẳng nội dung từ FileChannel sang SocketChannel mà không cần copy lên Application và cũng giảm tải được số lần switching context. Tất nhiên để làm được điều này thì các kỹ sư của Kafka phải có cách thiết kêt File đủ tốt để biết khi gửi sẽ gửi từ byte nào đến byte nào để dưới client có thể hiểu và deserialize được

Đọc code Kafka nòi mắt thì mình tìm thấy code implement zero copy này:

img_1.png

Mình cũng đang tìm hiểu cách ghi xuống File và cách xóa Data của Kafka mà code nó to quá chưa nghiên cứu hết được :((. Hy vọng sau này tìm được mình sẽ trình bày một bài.

Mặc dù Zero Copy mang lại hiệu năng rất cao nhưng mà hầu hết các ứng dụng của chúng ta không phải chỉ dùng để forward dữ liệu mà còn thực hiện nhiều logic khác. Vậy nên chúng ta sẽ không ứng dụng được nhiều phần Zero copy này. Tại đây mình muốn dưới thiệu một kiểu đọc ghi hiệu quả hơn là sủ dụng mmap() của hệ điều hành.

Bình thường đọc ghi của chúng ta sẽ là như sau :

normal_read_write.png

Cũng tương tự như làm việc với socket khi chúng ta read/write thì phải sử dụng API của OS các API này sẽ copy data và switching context. Vậy nên trong hầu hết các ngôn ngữ lập trình đều sử dụng buffer và chỉ thực hiện gọi API của hệ điều hành khi đầy buffer hoặc đã đọc hết data trong buffer.

Khi sử dụng buffer thì khi ghi dữ liệu bằng một cách nào đó chương trình chúng ta bị lỗi thì dữ liệu sẽ không được ghi xuống đĩa của OS.

OS còn hỗ trợ một kiểu đọc ghi nữa là mmap() kiểu này sinh ra dành cho mục đích IPC (Inter-process communication) nên có IO nhanh hơn read/write. Trong Java để làm việc với mmap() thì qua class MappedByteBuffer. Khi sử dụng MappedByteBuffer chúng ta có interface dễ hiểu như làm việc với ByteBuffer vấn đề phức tạp đã được Java giải quyết giúp chúng ta.

Khi sử dụng mmap() thì đọc ghi sẽ như sau:

Mmap_read_write.png

Sự khác biệt khi sử dụng mmap() chúng ta không phải copy dữ liệu lên buffer của Application mà vẫn thực hiện IO. Khi đọc dữ liệu cần lên Application sẽ copy trực tiếp từ main memory lên buffer.

Cách này có các ưu điểm sau:

  • không switching context nhiều như cách đọc bằng buffer. Việc copy hay flush đã được OS quản lý.
  • Không có copy data vì dữ liệu đã được OS map vào main memory
  • Không cần tự flush dữ liệu, khi hệ thống không may bị crash thì dữ liệu sẽ được OS flush xuống ổ đĩa.

Trong hệ thống trading mình đang xây dựng đang sử dụng MappedByteBuffer dùng để CDC (capture data change). Để thiết kế tối ưu nhất về thời gian cũng như tài nguyên dành cho giao tiếp thì bên mình sử dụng mô hình asynchronous trong cả giao tiếp lẫn trong tính toán. Bên mình không trực tiếp làm việc với DB luôn mà mọi request thay đổi dữ liệu trong DB sẽ áp dụng event driven bắn vào msg queue cho service khác thực hiện việc update db.

Để tiết kiệm chi phí bên mình không sử dụng Kafka mặc dù open source nhưng mà deploy lại khá tốn server nên mỗi khi đọc dữ liệu từ msg queue bên mình sẽ dùng MappedByteBuffer ghi dữ liệu đọc được xuống File sau đó sẽ đọc từ File này ghi vào DB. Vì MappedByteBuffer hay mmap() thiết kế cho việc IPC nên rất phù hợp cho quá trình này. Tiếp đến bên mình sử dụng Tcp socket nên nếu mình đọc dữ liệu từ socket ra chậm thì giao thức Tcp sẽ gửi chậm lại và ảnh hưởng rất nhiều đến hệ thống. Vậy nên bước ghi xuống File này rất quan trọng. Tiếp đến nó sẽ không bị mất dữ liệu khi crash app nên rất phù hợp để CDC.

Mô hình xử lý bên mình như sau:

process-service.png

Mình cũng đã chia sẻ communication-way-in-high-traffic-system nếu quan tâm mọi người vào đọc ủng hộ mình nhé. Còn phần processing asynchronous hiện tại mình chưa viết nhưng sẽ viết trong tương lai nếu thời gian rảnh và được ủng hộ bởi mọi người.

Hy vọng qua bài viết này các bạn biết thêm một loại bộ nhớ nữa là off-heap và tùy vào ứng dụng có thể áp dụng trong thực tế.

Theo mình thấy thì nếu các bạn caching quá nhiều trong trường hợp đó ảnh hưởng quá xấu đến gc dẫn đến stop the world quá nhiều thì nên sử dụng vì khi sử dụng off heap tốc độ sẽ không thể nhanh bằng on heap được.

Mình cũng trình bày thêm một số ứng dụng cảu ByteBuffer của Java và zero copy của mô hình Non blocking IO hy vọng giúp ích được mọi người hiểu thêm và ứng dụng được vào Application của mình.

Như mọi lần nếu bài viết có vấn đề gì thì mọi người góp ý nhé vì chia sẻ cũng là học hỏi thêm. Bài viết hay thì mình xin một sao trên repo blog trên github này làm động lực mình thêm bài viết mới.

Bài viết gốc được đăng tải tại demtv.hashnode.dev

Xem thêm:

Đừng bỏ lỡ hàng loạt việc làm IT hấp dẫn trên TopDev!