如何提高 Ruby On Rails 的性能?

1 简介

大家总是说 Rails 好慢啊,这差不多已经成为 Ruby and Rails 社区里的一个老生常谈的问题了。然而实际上这个说法并不正确。只要正确使用 Rails,把你的应用运行速度提升 10 倍并不困难。那么如何优化你的应用呢,我们来了解下面的内容。

1.1 优化一个 Rails app 的步骤

导致你的 Rails 应用变慢无非以下两个原因:

  1. 在不应该将 Ruby and Rails 作为首选的地方使用 Ruby and Rails。(用 Ruby and Rails 做了不擅长做的工作)
  2. 过度的消耗内存导致需要利用大量的时间进行垃圾回收。

Rails 是个令人愉快的框架,而且 Ruby 也是一个简洁而优雅的语言。但是如果它被滥用,那会相当的影响性能。有很多工作并不适合用 Ruby and Rails,你最好使用其它的工具,比如,数据库在大数据处理上优势明显,R 语言特别适合做统计学相关的工作。

内存问题是导致诸多 Ruby 应用变慢的首要原因。Rails 性能优化的 80-20 法则是这样的:80% 的提速是源自于对内存的优化,剩下的 20% 属于其它因素。为什么内存消耗如此重要呢?因为你分配的内存越多,Ruby GC(Ruby 的垃圾回收机制)需要做的工作也就越多。Rails 就已经占用了很大的内存了,而且平均每个应用刚刚启动后都要占用将近 100M 的内存。如果你不注意内存的控制,你的程序内存增长超过 1G 是很有可能的。需要回收这么多的内存,难怪程序执行的大部分时间都被 GC 占用了。

2 我们如何使一个 Rails 应用运行更快?

有三种方法可以让你的应用更快:扩容、缓存和代码优化。

扩容在如今很容易实现。Heroku 基本上就是为你做这个的,而 Hirefire 则让这一过程更加的自动化。你可以在这个了解到更多有关自动扩容的内容。其它的托管环境提供了类似的解决方案。总之,可以的话你用它就是了。但是请牢记扩容并不是一颗改善性能的银弹。如果你的应用只需在 5 分钟内响应一个请求,扩容就没有什么用。还有就是用 Heroku + Hirefire 几乎很容易导致你的银行账户透支。我已经见识过 Hirefire 把我一个应用的扩容至 36 个实体,让我为此支付了 $3100。我立马就手动吧实例减容到了 2 个, 并且对代码进行了优化.

Rails 缓存也很容易实施。Rails 4 中的块缓存非常不错。Rails 文档 是有关缓存知识的优秀资料。另外还有一篇 Cheyne Wallace 有关 Rails 性能的文章 也值得一读。如今设置 Memcached 也简单。不过同扩容相比,缓存并不能成为性能问题的终极解决方案。如果你的代码无法理想的运行,那么你将发现自己会把越来越多的资源耗费在缓存上,直到缓存再也不能带来速度的提升。

让你的 Rails 应用更快的唯一可靠的方式就是代码优化。在 Rails 的场景中这就是内存优化。而理所当然的是,如果你接受了我的建议,并且避免把 Rails 用于它的设计能力范围之外,你就会有更少的代码要优化。

2.1 避免内存密集型Rails特性

Rails 一些特性花费很多内存导致额外的垃圾收集。列表如下。

2.1.1 序列化程序

序列化程序是从数据库读取的字符串表现为 Ruby 数据类型的实用方法。

它要消耗更多的内存去有效的序列化,你自己看:

这将只要 2 倍的内存开销。有些人,包括我自己,看到 Rails 的 JSON 序列化程序内存泄漏,大约每个请求 10% 的数据量。我不明白这背后的原因。我也不知道是否有一个可复制的情况。如果你有经验,或者知道怎么减少内存,请告诉我。

2.1.2 活动记录

很容易与 ActiveRecord 操纵数据。但是 ActiveRecord 本质是包装了你的数据。如果你有 1g 的表数据,ActiveRecord 表示将要花费 2g,在某些情况下更多。是的,90% 的情况,你获得了额外的便利。但是有的时候你并不需要,比如,批量更新可以减少 ActiveRecord 开销。下面的代码,即不会实例化任何模型,也不会运行验证和回调。

后面的场景它只是执行 SQL 更新语句。

2.1.3 字符串回调

Rails 回调像之前/之后的保存,之前/之后的动作,以及大量的使用。但是你写的这种方式可能影响你的性能。这里有 3 种方式你可以写,比如:在保存之前回调:

前两种方式能够很好的运行,但是第三种不可以。为什么呢?因为执行 Rails 回调需要存储执行上下文(变量,常量,全局实例等等)就是在回调的时候。如果你的应用很大,你最终在内存里复制了大量的数据。因为回调在任何时候都可以执行,内存在你程序结束之前不可以回收。

有象征,回调在每个请求为我节省了 0.6 秒。

2.2 写更少的 Ruby

这是我最喜欢的一步。我的大学计算机科学类教授喜欢说,最好的代码是不存在的。有时候做好手头的任务需要其它的工具。最常用的是数据库。为什么呢?因为 Ruby 不善于处理大数据集。非常非常的糟糕。记住,Ruby 占用非常大的内存。所以举个例子,处理 1G 的数据你可能需要 3G 的或者更多的内存。它将要花费几十秒的时间去垃圾回收这 3G。好的数据库可以一秒处理这些数据。让我来举一些例子。

2.2.1 属性预加载

有时候反规范化模型的属性从另外一个数据库获取。比如,想象我们正在构建一个 TODO 列表,包括任务。每个任务可以有一个或者几个标签标记。规范化数据模型是这样的:

加载任务以及它们的 Rails 标签,你会这样做:

这段代码有问题,它为每个标签创建了对象,花费很多内存。可选择的解决方案,将标签在数据库预加载。

这只需要内存存储额外一列,有一个数组标签。难怪快 3 倍。

2.2.2 数据集合

我所说的数据集合任何代码去总结或者分析数据。这些操作可以简单的总结,或者一些更复杂的。以小组排名为例。假设我们有一个员工,部门,工资的数据集,我们要计算员工的工资在一个部门的排名。

你可以用 Ruby 计算排名:

Empsalary 表里 100K 的数据程序在 4.02 秒内完成。替代 Postgres 查询,使用 window 函数做同样的工作在 1.1 秒内超过 4 倍。

4 倍加速已经令人印象深刻,有时候你得到更多,到 20 倍。从我自己经验举个例子。我有一个三维 OLAP 多维数据集与 600k 数据行。我的程序做了切片和聚合。在 Ruby 中,它花费了 1G 的内存大约 90 秒完成。等价的 SQL 查询在 5 内完成。

2.3 优化 Unicorn

如果你正在使用Unicorn,那么以下的优化技巧将会适用。Unicorn 是 Rails 框架中最快的 web 服务器。但是你仍然可以让它更运行得快一点。

2.3.1 预载入 App 应用

Unicorn 可以在创建新的 worker 进程前,预载入 Rails 应用。这样有两个好处。第一,主线程可以通过写入时复制的友好GC机制(Ruby 2.0以上),共享内存的数据。操作系统会透明的复制这些数据,以防被worker修改。第二,预载入减少了worker进程启动的时间。Rails worker进程重启是很常见的(稍后将进一步阐述),所以worker重启的速度越快,我们就可以得到更好的性能。

若需要开启应用的预载入,只需要在unicorn的配置文件中添加一行:

2.3.2 在 Request 请求间的 GC

请谨记,GC 的处理时间最大会占到应用时间的50%。这个还不是唯一的问题。GC 通常是不可预知的,并且会在你不想它运行的时候触发运行。那么,你该怎么处理?

首先我们会想到,如果完全禁用 GC 会怎么样?这个似乎是个很糟糕的想法。你的应用很可能很快就占满 1G 的内存,而你还未能及时发现。如果你服务器还同时运行着几个 worker,那么你的应用将很快会出现内存不足,即使你的应用是在自托管的服务器。更不用说只有 512M 内存限制的 Heroku。

其实我们有更好的办法。那么如果我们无法回避GC,我们可以尝试让GC运行的时间点尽量的确定,并且在闲时运行。例如,在两个request之间,运行GC。这个很容易通过配置Unicorn实现。

对于Ruby 2.1以前的版本,有一个unicorn模块叫做OobGC:

对于Ruby 2.1及以后的版本,最好使用gctools(https://github.com/tmm1/gctools):

但在request之间运行GC也有一些注意事项。最重要的是,这种优化技术是可感知的。也就是说,用户会明显感觉到性能的提升。但是服务器需要做更多的工作。不同于在需要时才运行GC,这种技术需要服务器频繁的运行GC. 所以,你要确定你的服务器有足够的资源来运行GC,并且在其他worker正在运行GC的过程中,有足够的worker来处理用户的请求。

2.4 有限的增长

我已经给你展示了一些应用会占用1G内存的例子。如果你的内存是足够的,那么占用这么一大块内存并不是个大问题。但是Ruby可能不会把这块内存返还给操作系统。接下来让我来阐述一下为什么。

Ruby通过两个堆来分配内存。所有Ruby的对象在存储在Ruby自己的堆当中。每个对象占用40字节(64位操作系统中)。当对象需要更多内存的时候,它就会在操作系统的堆中分配内存。当对象被垃圾回收并释放后,被占用的操作系统中的堆的内存将会返还给操作系统,但是Ruby自有的堆当中占用的内存只会简单的标记为free可用,并不会返还给操作系统。

这意味着,Ruby的堆只会增加不会减少。想象一下,如果你从数据库读取了1百万行记录,每行10个列。那么你需要至少分配1千万个对象来存储这些数据。通常Ruby worker在启动后占用100M内存。为了适应这么多数据,worker需要额外增加400M的内存(1千万个对象,每个对象占用40个字节)。即使这些对象最后被收回,这个worker仍然使用着500M的内存。

这里需要声明, Ruby GC可以减少这个堆的大小。但是我在实战中还没发现有这个功能。因为在生产环境中,触发堆减少的条件很少会出现。

如果你的worker只能增长,最明显的解决办法就是每当它的内存占用太多的时候,就重启该worker。某些托管的服务会这么做,例如Heroku。让我们来看看其他方法来实现这个功能。

2.4.1 内部内存控制

Trust in God, but lock your car 相信上帝,但别忘了锁车。(寓意:大部分外国人都有宗教信仰,相信上帝是万能的,但是日常生活中,谁能指望上帝能帮助自己呢。信仰是信仰,但是有困难的时候 还是要靠自己。)。有两个途径可以让你的应用实现自我内存限制。我管他们做,Kind(友好)和hard(强制).

Kind 友好内存限制是在每个请求后强制内存大小。如果worker占用的内存过大,那么该worker就会结束,并且unicorn会创建一个新的worker。这就是为什么我管它做“kind”。它不会导致你的应用中断。

获取进程的内存大小,使用 RSS 度量在 Linux 和 MacOS 或者 OS gem 在 windows 上。我来展示下在 Unicorn 配置文件里怎么实现这个限制:

硬盘内存限制是通过询问操作系统去杀你的工作进程,如果它增长很多。在 Unix 上你可以叫 setrlimit 去设置 RSSx 限制。据我所知,这种只在 Linux 上有效。MacOS 实现被打破了。我会感激任何新的信息。

这个片段来自 Unicorn 硬盘限制的配置文件:

2.4.2 外部内存控制

自动控制没有从偶尔的 OMM(内存不足)拯救你。通常你应该设置一些外部工具。在 Heroku 上,没有必要因为它们有自己的监控。但是如果你是自托管,使用 monitgod 是一个很好的主意,或者其它的监视解决方案。

2.5 优化 Ruby GC

在某些情况下,你可以调整 Ruby GC 来改善其性能。我想说,这些 GC 调优变得越来越不重要,Ruby 2.1 的默认设置,后来已经对大多数人有利。

GC 好的调优你需要知道它是怎么工作的。这是一个独立的主题,不属于这编文章。要了解更多,彻底读读 Sam Saffron 的 揭秘 Ruby GC 这篇文章。在我即将到来的 Ruby 性能的一书,我挖到更深的 Ruby GC 细节。订阅这个,当我完成这本书的 beta 版本会给你发送一份邮件。

我的建议是最好不要改变 GC 的设置,除非你明确知道你想要做什么,而且有足够的理论知识知道如何提高性能。对于使用 Ruby 2.1 或之后的版本的用户,这点尤为重要。

我知道只有一种场合 GC 优化确实能带来性能的提升。那就是,当你要一次过载入大量的数据。你可以通过改变如下的环境变量来达到减少GC运行的频率:RUBY_GC_HEAP_GROWTH_FACTOR,RUBY_GC_MALLOC_LIMIT,RUBY_GC_MALLOC_LIMIT_MAX,RUBY_GC_OLDMALLOC_LIMIT,和 RUBY_GC_OLDMALLOC_LIMIT。

请注意,这些变量只适用于 Ruby 2.1 及之后的版本。对于 2.1 之前的版本,可能缺少某一个变量,或者变量不是使用这个名字。

RUBY_GC_HEAP_GROWTH_FACTOR 默认值 1.8,它用于当 Ruby 的堆没有足够的空间来分配内存的时候,每次应该增加多少。当你需要使用大量的对象的时候,你希望堆的内存空间增长的快一点。在这种场合,你需要增加该因子的大小。

内存限制是用于定义当你需要向操作系统的堆申请空间的时候,GC 被触发的频率。Ruby 2.1 及之后的版本,默认的限额为:

让我简要的说明一下这些值的意义。通过设置以上的值,每次新对象分配 16M 到 32M 之间,并且旧对象每占用 16M 到 128M 之间的时候 (“旧对象” 的意思是,该对象至少被垃圾回收调用过一次), Ruby 将运行 GC。Ruby 会根据你的内存模式,动态的调整当前的限额值。

所以,当你只有少数几个对象,却占用了大量的内存(例如读取一个很大的文件到字符串对象中),你可以增加该限额,以减少 GC 被触发的频率。请记住,要同时增加 4 个限额值,而且最好是该默认值的倍数。

我的建议是可能和其他人的建议不一样。对我可能合适,但对于你却未必。这些文章将介绍,哪些对 Twitter 适用,而哪些对 Discourse 适用。

2.6 Profile

有时候,这些建议未必就是通用。你需要弄清楚你的问题。这时候,你就要使用 profiler。Ruby-Prof 是每个 Ruby 用户都会使用的工具。

想知道更多关于 profiling 的知识, 请阅读 Chris Heald’s 和我的关于在 Rails 中 使用ruby-prof 的文章。还有一些也许有点过时的关于 memory profiling 的建议.

2.7 编写性能测试用例

最后,提高 Rails 性能的技巧中,虽然不是最重要的,就是确认应用的性能不会因你修改了代码而导致性能再次下降。Rails 3.x 有一个附带了一个 性能测试和 profiling 框架 的功能。对于 Rails 4, 你可以通过 rails-perftest gem 使用相同的框架。

3 总结感言

对于一篇文章中,对于如何提高 Ruby 和 Rails 的性能,要面面俱到,确实不可能。所以,在这之后,我会通过写一本书来总结我的经验。如果你觉得我的建议有用,请登记 mailinglist ,当我准备好了该书的预览版之后,将会第一时间通知你。现在,让我们一起来动手,让 Rails 应用跑得更快一些吧!

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