《中間件性能挑戰賽--分布式統計和過濾的鏈路追蹤》java 選手分享

2020年6月份天池舉辦的《中間件性能挑戰賽》可謂是異常激烈，本人抽業余時間報名參與，感受比賽慘烈的同時，也有諸多感慨哈，總結一個多月的賽程，多少有一些心得與大家分享

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賽題

賽題地址： https://tianchi.aliyun.com/competition/entrance/231790/information

實現一個分布式統計和過濾的鏈路追蹤

• 賽題背景

  本題目是另外一種采樣方式(tail-based Sampling)，只要請求的鏈路追蹤數據中任何節點出現重要數據特征（錯慢請求），這個請求的所有鏈路數據都采集。目前開源的鏈路追蹤產品都沒有實現tail-based Sampling，主要的挑戰是：任何節點出現符合采樣條件的鏈路數據，那就需要把這個請求的所有鏈路數據采集。即使其他鏈路數據在這條鏈路節點數據之前還是之后產生，即使其他鏈路數據在分布式系統的成百上千台機器上產生。

• 整體流程

  用戶需要實現兩個程序，一個是數量流（橙色標記）的處理程序，該機器可以獲取數據源的http地址，拉取數據后進行處理，一個是后端程序（藍色標記），和客戶端數據流處理程序通信，將最終數據結果在后端引擎機器上計算。具體描述可直接打開賽題地址 https://tianchi.aliyun.com/competition/entrance/231790/information。此處不再贅述

  

解題

題目分析

可將整體流程粗略分為三大部分

• 一、front 讀取 http stream 至 front 節點
  • 網絡io
• 二、front 節點處理數據
  • cpu處理
• 三、將 bad traces 同步至 backend，backend 經過匯總計算完成上報
  • 網絡傳輸 + cpu

遵循原則：各部分協調好，可抽象為生成、消費模型，切勿產生數據飢餓；理想效果是stream流完，計算也跟着馬上結束

方案一 （trace粒度）

最先想到的方案是以trace細粒度控制的方案

因題目中明確表明某個 trace 的數據出現的位置前后不超過2萬上，故每2萬行是非常重要的特征

• ① 按行讀取字符流
  • BufferedReader.readLine()
• ② 分析計算
  • 在某個 trace 首次出現時（p），記錄其結束位置 p + 2w，並將其放入待處理隊列（queue）中
  • 如果當前 trace 為 badTrace，將其放入 BadTraceSet 中
  • 每處理一行，均從 queue 隊列中拿出 firstElement，判斷是否與之相等，如果相等，且為 badTrace，那么進入第3步
• ③ 向 backend 發送數據 注：后續所有涉及網絡交互的部門均為 netty 異步交互
  • 將當前 trace 對應的所有數據按照 startTime 排序
  • 將排好序的數據與該 trace 最后結束位置 endPosition 一並發送至 backend 節點
• ④ backend 通知 front2 發送數據
  • backend 接收到從 front1 發送過來的 trace 數據，向 front2 發送通知，要求其發送該 trace 的全部數據
  • 注：此處交互有多種情況，在步驟5時，會具體說明
• ⑤ front2 將數據發送至 backend 此處列舉所有可能發生的情況
  • 
  • 場景 1：front1 主動上報 traceA 后，發現 front2 已經上報該 traceA 數據，結束
  • 場景 2：front1 主動上報 traceA 后，front2 未上報，front2 發現該trace在已就緒集合中，排序、上報，結束
  • 場景 3：front1 主動上報 traceA 后，front2 未上報，且 front2 的已就緒集合沒有該 trace，在錯誤集合中發現該 trace，結束 注：因該 trace 存在於 badTraceSet 中，故將來某個時刻 front2 一定會主動上報該 trace
  • 場景 4：front1 主動上報 traceA 后，front2 未上報，且 front2 的已就緒集合沒有該 trace，那么等待行數超限后，檢查該 trace 是否存在於 badTraceSet 中，如果已存在，結束
  • 場景 5：front1 主動上報 traceA 后，front2 未上報，且 front2 的已就緒集合沒有該 trace，那么等待行數超限后，檢查該 trace 是否存在於 badTraceSet 中，如果不存在，排序、上報，結束 注：即便是 front2 中不存在該trace的信息，也需要上報
• ⑥ 結果計算
  • 在收集到 front1 跟 front2 數據后，對2個有序集合進行 merge sort 后，計算其 MD5

方案分析

此方案的跑分大致在 25s 左右，成績不甚理想，總結原因大致可分為以下幾種

• 交互場景較為復雜
• 需要維護一塊緩存區域
  • 如果該緩存區域通過行數來失效過期數據的話，那么需要額外的分支計算來判斷過期數據，拖慢整體響應時間
  • 如果通過緩存大小來自動失效過期數據的話，那么大小設置很難平衡，如果太小，則可能會失效一些正常數據，導致最終結果不正確，如果太大，又會導致程序反應變慢，帶來一系列不可控的問題

基於上述原因，為了充分利用 2萬行的數據特征，引入方案二

方案二 （batch粒度）

說明：為了更優雅處理數據過期及充分利用2萬行特性，故衍生出此版本

因題目中明確表明某個trace的數據出現的位置前后不超過2萬上，故每2萬行數據可作為一個批次存儲，過期數據自動刪除

• ① 按行讀取字符流

  • BufferedReader.readLine()

• ② 每2萬行數據作為一個batch，並分配唯一的batchId（自增即可），此處涉及大量cpu計算，分為2部分

  • 在每行的 tag 部分尋找error=1或http.status_code!=200的數據並將其暫存
  • 將 traceId 相同的 span 數據放入預先開辟好空間的數據結構List<Map<String, List<String>>>中，方便后續 backend 節點拿取數據
  • 注：此處下載數據與處理數據並行執行，交由2個線程處理，一切為了提速

• ③ 上報 badTraceId

  • 每切割 2萬行，統計所有的 badTraceId，與 batchId 一並上報至 backend
  • 因同一個 span 數據可能分布在2個 front 節點中，所以有可能 front1 存在錯誤數據，front2 卻全部正確，2個 front 又不能直接通信，所以此時需要同步至 backend，由 backend 統計全量的 badTraceIds
  • front 收到 backend 的通知后，進行當前批次錯誤 trace 數據的統計，因當前批次的數據有可能出現在上一個批次跟下一個批次，故一定要等到處理每行數據的線程已經處理完 currentBatchNum+1 個線程后，方能執行操作

• ④ 通知2個 front 節點發送指定 traceIds 的全量數據

  • backend 主動向2個 front 發送獲取指定 traceIds 的全量數據通知
  • front 將 span 數據排好序后上報至 backend
  • backend 執行二路歸並排序后，計算整體 span 的 md5 值，反復循環，直至數據流讀取完畢 注：因2個 front 節點為2核4g，backend 節點為單核2g，為減少 backend 壓力，將部分排序工作下放至 front 節點

• ⑤ 計算結果

  • 歸並排序，計算最終結果

方案總結

當前方案耗時在20s左右，統計發現字符流的讀取耗時15s，其他耗時5s，且監控發現各個緩沖區沒有發現飢餓、過剩的情況，所以當前方案的瓶頸還是卡在字符流的讀取、以及cpu判斷上，所以一套面向字節流處理的方案呼之欲出

• 跟讀BufferedReader源碼，發現其將字節流轉換字符流做了大量的工作，也是耗時的源頭，故需要將當前方案改造為面向字節的操作

方案三 （面向字節）

字符處理是耗時的根源，只能將方案改造為面向字節的方式，倘若如此，java 的大部分數據結構不能再使用

大層面的設計思想與方案二一致，不過面向字節處理的話，從讀取流、截斷行、判斷是否為bad trace、數據組裝等均需為字節操作

• 好處：預分配內存，面向字節，程序性能提高
• 弊端：編碼復雜，需自定義數據協議

• ① 讀取字節流

  • 程序在初始化時，預先分配10個字節數據 byte[]，每個數組存放10M數據
  • io 與 cpu 分離，將讀取數據任務交個某個獨立線程，核心線程處理cpu

• ② 數據處理

  • 用固定內存結構 int[20000] 替換之前動態分配內存的數據結構體 List<Map<String, List<String>>>，只記錄每行開始的 position
  • 同時將 bad trace id 存入預先分配好的數組中

• ③ 上報 badTraceId

  • 同方案二

• ④ 通知2個 front 節點發送指定 traceIds 的全量數據

  • backend 主動向2個 front 發送獲取指定 traceIds 的全量數據通知
  • 因在步驟二時，並沒有針對 trace 進行數據聚合，所以在搜集數據時，需要遍歷int[20000]，將符合要求的 trace 數據放入自定義規范的byte[] 注：剛開始設計的（快排+歸並排序）的方案效果不明顯，且線上的評測環境的2個 front 節點壓力很大，再考慮到某個 trace 對應的 span 數據只有幾十條，故此處將所有的排序操作都下放給 backend 節點，從而減輕 front 壓力
  • 因 span 為變長數據，故自定義規范byte[]存儲數據的設計如下
    • 預先分配10Mbyte[]，來存儲一個批次中的所有 bad trace 對應 span 數據
    • 用2個 byte 存放下一個 span 數據的長度
    • 存儲 span 數據
    • 最后返回byte[]及有效長度

• ⑤ 計算結果

  • 排序，計算最終結果

線程並發

• A-Thread: slot 粒度，讀取 http stream 線程
• B-Thread: block 粒度，處理 slot 中的 block，將 block 數據按行切割、抓取 bad trace id 等
• C-Thread: block 粒度，響應 backend 拉取數據的請求

阻塞場景

• A-Thread 讀取 http stream 中數據后，將其放入下一個緩存區，如果下一個緩沖區還沒有被線程C消費，那么A-Thread 將被阻塞
• B-Thread 處理數據，如果B-Thread下一個要處理的byte[]數據A線程還未下載完畢，那么B-Thread將被阻塞（io阻塞）
• C-Thread 為拼接 bad trace 的線程，需要 previous、current、next 3個 batch 都 ready后，才能組織數據，當B-Thread還未處理完next batch 數據時，C-Thread將被阻塞

解決思路

• A-B 同步：10個 slot 分配10個Semaphore，為 A-Thread 與 B-Thread 同步服務，A-Thread 產生數據后，對應 slot 的信號量+1，B-Thread 消費數據之前，需要semaphore.acquire()
• B-C 同步：通過volatile及納秒級睡眠Thread.sleep(0, 2)實現高效響應。實際測試，某些場景中，該組合性能超過Semaphore；C-Thread 發現 B-Thread 還未產出 next batch 的數據，那么進入等待狀態
• A-C 同步：同樣利用volatile及納秒級睡眠Thread.sleep(0, 2)

JVM調參

打印gc輸出日志時發現，程序會發生3-5次 full gc，導致性能欠佳，分析內存使用場景發現，流式輸出的數據模型，在內存中只會存在很短的一段時間便會失效，真正流入老年代的內存是很小的，故應調大新生代占比

java -Dserver.port=$SERVER_PORT -Xms3900m -Xmx3900m -Xmn3500m -jar tailbaseSampling-1.0-SNAPSHOT.jar &

直接分配約 4g 的空間，其中新生代占 3.5g，通過觀測 full gc 消失；此舉可使評測快2-3s

方案總結

此方案最優成績跑到了5.7s，性能有了較大提升，總結快的原因如下：

• 面向字節
• 內存預分配；避免臨時開辟內存
• 使用輕量級鎖
• 避免程序阻塞或飢餓

奇技淫巧

奇技淫巧，俗稱偷雞，本不打算寫該模塊，不過很多上分的小技巧都源於此，真實的通用化場景中，可能本模塊作用不大，不過比賽就是這樣，無所不用其極。。。

快速讀取字節數組

因java語言設計緣故，凡事讀取比 int 小的數據類型，統一轉為 int 后操作，試想以下代碼

while ((byteNum = input.read(data)) != -1) {
	for (int i = 0; i < byteNum; i++) {
		if (data[i] == 10) {
			count++;
		}
	}
}

大量的字節對比操作，每次對比，均把一個 byte 轉換為 4個 byte，效率可想而知

一個典型的提高字節數組對比效率的例子，采用萬能的Unsafe，一次性獲取8個byte long val = unsafe.getLong(lineByteArr, pos + Unsafe.ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET); 然后比較2個 long 值是否相等，提速是成倍增長的，那么怎么用到本次賽題上呢？

span數據是類似這樣格式的

193081e285d91b5a|1593760002553450|1e86d0a94dab70d|28b74c9f5e05b2af|508|PromotionCenter|DoGetCommercialStatus|192.168.102.13|http.status_code=200&component=java-web-servlet&span.kind=server&bizErr=4-failGetOrder&http.method=GET

用"|"切割后，倒數第二位是ip，且格式固定為192.168.***.***，如果采用Unsafe，每次讀取一個 int 時，勢必會落在192.168.中間，有4種可能192.、92.1、2.16、.168，故可利用此特性，直接進行 int 判斷

int val = unsafe.getInt(data, beginPos + Unsafe.ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET);
if (val == 775043377 || val == 825111097 || val == 909192754 || val == 943075630) {
}

此“技巧”提速1-2秒

大循環遍歷

提供2種遍歷字節數組方式，哪種效率更高

• 方式1

  byte[] data = new byte[1024 * 1024 * 2];
  int byteNum;
  while ((byteNum = input.read(data)) != -1) {
  	for (int i = 0; i < byteNum; i++) {
  		if (data[i] == 10) {
  			count++;
  		}
  	}
  }	
  

• 方式2

  byte[] data = new byte[1024 * 1024 * 2];
  int byteNum;
  int beginIndex;
  int endIndex;
  int beginPos;
  while ((byteNum = input.read(data)) != -1) {
  	beginIndex = 0;
  	endIndex = byteNum;
  	beginPos = 0;
  	while (beginIndex < endIndex) {
  		int i;
  		for (i = beginPos; i < endIndex; i++) {
  			if (data[i] == 124) {
  				beginPos = i + 1;
  				times++;
  				break;
  			} else {
  				if (data[i] == 10) {
  					count++;
  					beginIndex = i + 1;
  					beginPos = i + 1;
  					break;
  				}
  			}
  		}
  		if (i >= byteNum) {
  			break;
  		}
  	}
  }	
  

兩種方式達到的效果一樣，都是尋找換行符。方式2不同的是，每次找到換行符都 break 掉當前循環，然后從之前位置繼續循環。其實這個小點卡了我1個星期，就是將字符流轉換為字節流時，性能幾乎沒有得到提高，換成方式2后，性能至少提高一倍。為什么會呈現這樣一種現象，我還沒找到相關資料，有知道的同學，還望不吝賜教哈

結束

這種cpu密集型的賽題，一向是 c/cpp 大展身手的舞台，前排幾乎被其霸占。作為一名多年 crud 的 javaer，經過無數個通宵達旦，最終拿到了集團第6的成績，雖不算優異，但自己也盡力了哈

最終比賽成績貼上哈