一次接口超時排查，花費了我兩個星期。。
最近在查一個問題，花費了近兩個星期，我一定要總結(jié)一下，今天繼續(xù)。
Jdk 的 native 方法當然不是終點，雖然發(fā)現(xiàn) Jdk、docker、操作系統(tǒng) Bug 的可能性極小，但再往底層查卻很可能發(fā)現(xiàn)一些常見的配置錯誤。
為了便于復(fù)現(xiàn)，我用 JMH 寫了一個簡單的 demo，控制速度不斷地通過 log4j2 寫入日志。將項目打包成 jar 包，就可以很方便地在各處運行了。
- @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
- @OutputTimeUnit(TimeUnit.MICROSECONDS)
- @State(Scope.Benchmark)
- @Threads(5)
- public class LoggerRunner {
- public static void main(String[] args) throws RunnerException {
- Options options = new OptionsBuilder()
- .include(LoggerRunner.class.getName())
- .warmupIterations(2)
- .forks(1)
- .measurementIterations(1000)
- .build();
- new Runner(options).run();
- }
- }
我比較懷疑是 docker 的原因。
但是在 docker 內(nèi)外運行了 jar 包卻發(fā)現(xiàn)都能很簡單地復(fù)現(xiàn)日志停頓問題。而 jdk 版本眾多，我準備首先排查操作系統(tǒng)配置問題。
系統(tǒng)調(diào)用
strace 命令很早就使用過，不久前還用它分析過 shell 腳本執(zhí)行慢的問題( 解決問題，別擴展問題)，但我還是不太習(xí)慣把 Java 和它聯(lián)系起來，幸好有部門的老司機指點，于是就使用 strace 分析了一波 Java 應(yīng)用。
命令跟分析普通腳本一樣， strace -T -ttt -f -o strace.log java -jar log.jar， -T 選項可以將每一個系統(tǒng)調(diào)用的耗時打印到系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)尾。當然排查時使用 -p pid 附加到 tomcat 上也是可以的，雖然會有很多容易混淆的系統(tǒng)調(diào)用。
對比 jmh 壓測用例輸出的 log4j2.info() 方法耗時，發(fā)現(xiàn)了下圖中的狀況。
一次 write 系統(tǒng)調(diào)用竟然消耗了 147ms，很明顯地，問題出在 write 系統(tǒng)調(diào)用上。最新 Java 核心技術(shù)教程，都在這了，推薦看下。
文件系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)
這時候就要好好回想一下操作系統(tǒng)的知識了。
在 linux 系統(tǒng)中，萬物皆文件，而為了給不同的介質(zhì)提供一種抽象的接口，在應(yīng)用層和系統(tǒng)層之間，抽象了一個虛擬文件系統(tǒng)層（virtual file system, VFS）。上層的應(yīng)用程序通過 系統(tǒng)調(diào)用 system call 操作虛擬文件系統(tǒng)，進而反饋到下層的硬件層。
由于硬盤等介質(zhì)操作速度與內(nèi)存不在同一個數(shù)量級上，為了平衡兩者之間的速度，linux 便把文件映射到內(nèi)存中，將硬盤單位塊(block)對應(yīng)到內(nèi)存中的一個 頁(page)上。這樣，當需要操作文件時，直接操作內(nèi)存就可以了。當緩沖區(qū)操作達到一定量或到達一定的時間后，再將變更統(tǒng)一刷到磁盤上。這樣便有效地減少了磁盤操作，應(yīng)用也不必等待硬盤操作結(jié)束，響應(yīng)速度得到了提升。
而 write 系統(tǒng)調(diào)用會將數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存中的 page cache，將 page 標記為 臟頁(dirty) 后返回。
linux 的 writeback 機制
對于將內(nèi)存緩沖區(qū)的內(nèi)容刷到磁盤上，則有兩種方式：
首先，應(yīng)用程序在調(diào)用 write 系統(tǒng)調(diào)用寫入數(shù)據(jù)時，如果發(fā)現(xiàn) page cache 的使用量大于了設(shè)定的大小，便會主動將內(nèi)存中的臟頁刷到硬盤上。在此期間，所有的 write 系統(tǒng)調(diào)用都會被阻塞。
系統(tǒng)當然不會容忍不定時的 write 阻塞，linux 還會定時啟動 pdflush 線程，判斷內(nèi)存頁達到一定的比例或臟頁存活時間達到設(shè)定的時間，將這些臟頁刷回到磁盤上，以避免被動刷緩沖區(qū)，這種機制就是 linux 的 writeback 機制。
另外，Linux 系列面試題和答案全部整理好了，微信搜索Java技術(shù)棧，在后臺發(fā)送：面試，可以在線閱讀。
猜測
了解了以上基礎(chǔ)知識，那么對于 write 系統(tǒng)調(diào)用為什么會被阻塞，提出了兩種可能：
- page cache 可用空間不足，導(dǎo)致觸發(fā)了主動的 flush，此時會阻塞所有對此 device 的 write。
- 寫入過程被其他事務(wù)阻塞。
首先對于第一種可能：查看系統(tǒng)配置 dirty_ratio 的大?。?0。此值是 page cache 占用系統(tǒng)可用內(nèi)存(real mem + swap)的最大百分比， 我們的內(nèi)存為 32G，沒有啟用 swap，則實際可用的 page cache 大小約為 6G。
另外，與 pdflush 相關(guān)的系統(tǒng)配置：系統(tǒng)會每 vm.dirty_writeback_centisecs (5s) 喚醒一次 pdflush 線程， 發(fā)現(xiàn)臟頁比例超過 vm.dirty_background_ratio (10%) 或 臟頁存活時間超過 vm.dirty_expire_centisecs(30s) 時，會將臟頁刷回硬盤。
查看 /proc/meminfo 內(nèi) Dirty/Writeback 項的變化，并對比服務(wù)的文件寫入速度，結(jié)論是數(shù)據(jù)會被 pdflush 刷回到硬盤，不會觸發(fā)被動 flush 以阻塞 write 系統(tǒng)調(diào)用。
ext4 的 journal 特性
write 被阻塞的原因
繼續(xù)搜索資料，在一篇文章(Why buffered writes are sometimes stalled )中看到 write 系統(tǒng)調(diào)用被阻塞有以下可能：
- 要寫入的數(shù)據(jù)依賴讀取的結(jié)果時。但記錄日志不依賴讀文件；
- wirte page 時有別的線程在調(diào)用 fsync() 等主動 flush 臟頁的方法。但由于鎖的存在，log 在寫入時不會有其他的線程操作；
- 格式為 ext3/4 的文件系統(tǒng)在記錄 journal log 時會阻塞 write。而我們的系統(tǒng)文件格式為 ext4。維基百科上的一個條目（ https://en.wikipedia.org/wiki/Journaling_block_device ） 也描述了這種可能。
journal
journal 是 文件系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)一致性的一種手段，在寫入數(shù)據(jù)前，將即將進行的各個操作步驟記錄下來，一旦系統(tǒng)掉電，恢復(fù)時讀取這些日志繼續(xù)操作就可以了。但批量的 journal commit 是一個事務(wù)，flush 時會阻塞 write 的提交。
我們可以使用 dumpe2fs /dev/disk | grep features 查看磁盤支持的特性，其中有 has_journal 代表文件系統(tǒng)支持 journal 特性。
ext4 格式的文件系統(tǒng)在掛載時可以選擇 (jouranling、ordered、writeback) 三種之一的 journal 記錄模式。
三種模式分別有以下特性：
- journal：在將數(shù)據(jù)寫入文件系統(tǒng)前，必須等待 metadata 和 journal 已經(jīng)落盤了。
- ordered：不記錄數(shù)據(jù)的 journal，只記錄 metadata 的 journal 日志，且需要保證所有數(shù)據(jù)在其 metadata journal 被 commit 之前落盤。ext4 在不添加掛載參數(shù)時使用此模式。
- writeback: 數(shù)據(jù)可能在 metadata journal 被提交之后落盤，可能導(dǎo)致舊數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電后恢復(fù)到磁盤中。
當然，我們也可以選擇直接禁用 journal，使用 tune2fs -O ^has_journal /dev/disk，只能操作未被掛載的磁盤。
猜測因為 journal 觸發(fā)了臟頁落盤，而臟頁落盤導(dǎo)致 write 被阻塞，所以解決 journal 問題就可以解決接口超時問題。
解決方案與壓測結(jié)果
以下是我總結(jié)的幾個接口超時問題的解決方案：
- log4j2 日志模式改異步。但有可能會在系統(tǒng)重啟時丟失日志，另外在異步隊列 ringbuffer 被填滿未消費后，新日志會自動使用同步模式。
- 調(diào)整系統(tǒng)刷臟頁的配置，將檢查臟頁和臟頁過期時間設(shè)置得更短(1s 以內(nèi))。但理論上會略微提升系統(tǒng)負載（未明顯觀察到）。
- 掛載硬盤時使用 data=writeback 選項修改 journal 模式。但可能導(dǎo)致系統(tǒng)重啟后文件包含已刪除的內(nèi)容。
- 禁用 ext4 的 journal 特性。但可能會導(dǎo)致系統(tǒng)文件的不一致。
- 把 ext4 的 journal 日志遷移到更快的磁盤上，如 ssd、閃存等。操作復(fù)雜，不易維護。
- 使用 xfs、fat 等 文件系統(tǒng)格式。特性不了解，影響不可知。
當然，對于這幾種方案，我也做了壓測，以下是壓測的結(jié)果。
| 文件系統(tǒng)特性 | 接口超時比例 |
|---|---|
| ext4（同線上） | 0.202% |
| xfs文件系統(tǒng) | 0.06% |
| page過期時間和pdflush啟動時間都設(shè)置為 0.8s | 0.017% |
| ext4 掛載時 journal 模式為 writeback | 0% |
| 禁用 ext4 的 journal 特性 | 0% |
| log4j2 使用異步日志 | 0% |
小結(jié)
接口超時問題總算是告一段落，查了很久，不過解決它之后也非常有成就感。遺憾的是沒有在 linux 內(nèi)核代碼中找到證據(jù)，160M 的代碼，分層也不熟悉，實在是無從查起，希望以后有機會能慢慢接觸吧。
程序員還是要懂些操作系統(tǒng)知識的，不僅幫我們在應(yīng)對這種詭異的問題時不至于束手無策，也可以在做一些業(yè)務(wù) 。
