祖传代码如何优化性能?

发布于 2022-5-10 17:48
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hello大家好呀,我是小楼~

 

今天又带来一次性能优化的分享,这是我刚进公司时接手的祖传(坏笑)项目,这个项目在我的文章中屡次被提及,我在它上面做了很多的性能优化,比如《记一次提升18倍的性能优化》这篇文章,比较偏向某个细节的优化,本文更偏向宏观上的性能优化,可以说是个老演员了。

 
背景

为了新朋友能快速进入场景,再描述一遍这个项目的背景,这个项目是一个自研的Dubbo注册中心,上一张架构图

祖传代码如何优化性能?-开源基础软件社区

 ◆  Consumer 和 Provider 的服务发现请求(注册、注销、订阅)都发给 Agent,由它全权代理
 ◆  Registry 和 Agent 保持 Grpc 长链接,长链接的目的主要是 Provider 方有变更时,能及时推送给相应的 Consumer。为了保证数据的正确性,做了推拉结合的机制, Agent 会每隔一段时间去 Registry 拉取订阅的服务列表
 ◆  Agent 和业务服务部署在同一台机器上,类似 Service Mesh 的思路,尽量减少对业务的入侵,这样就能快速的迭代了

 

这里的Registry就是今天的主角,熟悉Dubbo的朋友可以把它当做是一个zookeeper,不熟悉的朋友可以就把它当做是一个Web应用,提供了注册、注销、订阅接口,虽然它是用Go写的,但本文和Go本身关系不大,也会用一些伪代码来示意,所以也可以放心大胆地看下去。

 

一定要做性能优化吗


在做性能优化之前,我们得回答几个问题,性能优化带来的收益是什么?为什么一定要做优化性能?不优化行不行?

 

性能优化无非有两个目的:

 

 ◆减少资源消耗,降低成本
 ◆提高系统稳定性


如果只是为了降低成本,最好做之前估算一下大概能降低多少成本,如果吭哧吭哧干了大半个月,结果只省下了一丁点的资源,那是得不偿失的。

 

回到这个注册中心,为什么要做性能优化呢?

 

Dubbo应用启动时,会向注册中心发起注册,如果注册失败,则会阻塞应用的启动。

 

起初这个项目问题并不大,因为接入的应用并不多,而当我接手项目时,接入的应用越来越多。

 

话分两头,另一边集团也在逐渐使用容器替代虚拟机和物理机,在高峰期会用扩容的方式来抗住流量高峰,快速扩容就要求服务能在短时间内大量启动,无疑对注册中心是一个大的考验。

 

而导致这次优化的直接导火索是集团内的一次演练,他们发现一个配置中心的启动依赖,性能达不到标准而导致扩容失败,于是复盘下来,所有的启动依赖必须达到一定的性能要求,而这个标准被定为1000qps。

 

于是就有了本文。

 

指标度量


如果不能度量,就没法优化。

 

首先是把几个核心接口加上metric,主要是请求量、耗时(p99 / p95 / p90)、错误请求量,无论是哪个项目,这点算是基本的了,如果没加,得好好反思了。

 

其次对项目进行一次压测,不知道现在的性能,后面的优化也无法证明其效果了。

 

以注册接口为例,当时注册的性能大概是40qps,记住这个值,看我们是如何一步一步达到1000qps的。

 

压测成功的请求标准是:p99耗时在1秒以内,且无报错。

 

瓶颈在哪里


性能优化的最关键之处在于找到瓶颈在哪,否则就是无头苍蝇,到处瞎碰。

 

注册接口到底干了什么呢?我这里画个简图

 祖传代码如何优化性能?-开源基础软件社区 ◆  整个流程加锁,防止并发操作
 ◆  Create App和Create Cluster是创建应用和集群,只会在应用第一次创建,如果创建过就直接跳过
 ◆  Insert Endpoint是插入注册数据,即ip和port
 ◆  系统的底层存储是基于MySQL,Lock和UnLock也是基于MySQL实现的悲观锁

 

从这个流程图就能看出来,瓶颈大概率在锁上,这是个悲观锁,而且粒度是App,把整个流程锁住,同一时刻相同应用的请只允许一个通过,可想而知性能有多差。

 

至于MySQL如何实现一个悲观锁,我相信你会的,所以我就不展开。

 

为了证明猜想,我用了一个非常笨但很有效的方法,在每一个关键节点执行之后,记录下耗时,最后打印到日志里,这样就能一眼看出到底哪里慢,果然最慢的就是加锁。

 

锁优化


在优化锁之前,我们先搞清楚为什么要加锁,在我反复测试,读代码,看文档之后,发现事情其实很简单,这个锁是为了防止App、Cluster、Endpoint重复写入。

 

为什么防止重复写入要这么折腾呢?一个数据库的唯一索引不就搞定了?这无法考证,但现状就是这样,如何破解呢?

 

 ◆首先是看这些表能否加唯一索引,有则尽量加上

 ◆其次数据库悲观锁能否换成Redis的乐观锁?

 

这个其实是可以的,原因在于客户端具有重试机制,如果并发冲突了,则发起重试,我们堵这个概率很小。

 

上面两条优化下来只解决了部分问题,还有的表实在无法添加唯一索引,比如这里App、Cluster由于一些特殊原因无法添加唯一索引,他们发生冲突的概率很高,同一个集群发布时,很可能是100台机器同时拉起,只有一台成功,剩余99台在创建App或者Cluster时被锁挡住了,发起重试,重试又可能冲突,大家都陷入了无限重试,最终超时,我们的服务也可能被重试流量打垮。

 

这该怎么办?这时我想起了刚学Java时练习写单例模式中,有个叫「双重校验锁」的东西,我们看代码

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance = null;
    private Singleton() {
    }
    private static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        
        return instance;
    }
}

再结合我们的场景,App和Cluster只在创建时需要保证唯一性,后续都是先查询,如果存在就不需要再执行插入,我们写出伪代码

app = DB.get("app_name")
if app == null {
    redis.lock()
    app = DB.get("app_name")
    if app == null {
        app = DB.instert("app_name")
    }
    redis.unlock()
}

是不是和双重校验锁一模一样?为什么这样会性能更高呢?因为App和Cluster的特性是只在第一次时插入,真正需要锁住的概率很小,就拿扩容的场景来说,必然不会走到锁的逻辑,只有应用初次创建时才会真正被Lock。

 

性能优化有一点是很重要的,就是我们要去优化执行频率非常高的场景,这样收益才高,如果执行的频率很低,那么我们是可以选择性放弃的。

 

经过这轮优化,注册的性能从40qps提升到了430qps,10倍的提升。

 

读走缓存


经过上一轮的优化,我们还有个结论能得出来,一个应用或集群的基本信息基本不会变化,于是我在想,是否可以读取这些信息时直接走Redis缓存呢?

 

于是将信息基本不变的对象加上了缓存,再测试,发现qps从430提升到了440,提升不是很多,但苍蝇再小,好歹是块肉。

 

CPU优化


上一轮的优化效果不理想,但在压测时注意到了一个问题,我发现Registry的CPU降低的很厉害,感觉瓶颈从锁转移到了CPU。说到CPU,这好办啊,上火焰图,Go自带的pprof就能干。

 祖传代码如何优化性能?-开源基础软件社区
可以清楚地看到是ParseUrl占用了太多的CPU,这里简单科普下,Dubbo传参很多是靠URL传参的,注册中心拿到Dubbo的URL,需要去解析其中的参数,比如ip、port等信息就存在于URL之中。

 

一开始拿到这个CPU profile的结果是有点难受的,因为ParseUrl是封装的标准包里的URL解析方法,想要写一个比它还高效的,基本可以劝退。

 

但还是顺腾摸瓜,看看哪里调用了这个方法。不看不知道,一看吓一跳,原来一个请求里的URL,会执行过程中多次解析URL,为啥代码会这么写?可能是其中逻辑太复杂,一层一层的嵌套,但各个方法之间的传参又不统一,所以带来了这么糟糕的写法,

 

这种情况怎么办呢?

 

 ◆重构,把URL的解析统一放在一个地方,后续传参就传解析后的结果,不需要重复解析
 ◆对URL解析的方法,以每次请求的会话为粒度加一层缓存,保证只解析一次

 

我选择了第二种方式,因为这样对代码的改动小,毕竟我刚接手这么庞大、混乱的代码,最好能不动就不动,能少动就少动。

 

而且这种方式我很熟悉,在Dubbo的源码中就有这样的处理,Dubbo在反序列化时,如果是重复的对象,则直接走缓存而不是再去构造一遍,代码位于org.apache.dubbo.common.utils.PojoUtils#generalize

 

截取一点感受下

private static Object generalize(Object pojo, Map<Object, Object> history) {
    ...
    Object o = history.get(pojo);
    if (o != null) {
        return o;
    }
    history.put(pojo, pojo);
    ...
}

根据这个思路,把ParseUrl改成带cache的模式

func parseUrl(url, cache) {
    if cache.get(url) != null {
        return cache.get(url)
    }
    u = parseUrl0(url)
    cache.put(url, u)
    return u
}

因为是会话级别的缓存,所以每个会话会new一个cache,这样能保证一个会话中对相同的url只解析一次。

可以看下这次优化的成果,qps直接到1100,达到目标~

 祖传代码如何优化性能?-开源基础软件社区最后说两句


可能有人看完就要喷了,这哪是性能优化?这分明是填坑!对,你说的没错,只不过这坑是别人挖的。

 

本文就以一种最小的代价来搞定对祖传代码的性能优化,当然并不是鼓励大家都去取巧,这项目我也正在重构,只是每个阶段都有不同的解法,比如老板要求你2周内接手一个新项目,并完成性能优化上线,重构是不可能的。

 

希望通过本文你能学到一些性能优化的基本知识,从为什么要做的拷问出发,建立度量体系,找出瓶颈,一步一步进行优化,根据数据反馈及时调整优化方向。

 

今天到此为止,我们下期再见。

已于2022-5-10 17:48:04修改
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