关于golang:微服务治理之如何优雅应对突发流量洪峰

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为什么须要降载

微服务集群中，调用链路盘根错节，作为服务提供者须要有一种爱护本人的机制，避免调用方无脑调用压垮本人，保障本身服务的高可用。

最常见的爱护机制莫过于限流机制，应用限流器的前提是必须晓得本身的可能解决的最大并发数，个别在上线前通过压测来失去最大并发数，而且日常申请过程中每个接口的限流参数都不一样，同时零碎始终在一直的迭代其解决能力往往也会随之变动，每次上线前都须要进行压测而后调整限流参数变得十分繁琐。

那么有没有一种更加简洁的限流机制能实现最大限度的自我爱护呢？

什么是自适应降载

自适应降载能十分智能的爱护服务本身，依据服务本身的零碎负载动静判断是否须要降载。

设计指标：

  1. 保证系统不被拖垮。
  2. 在零碎稳固的前提下，放弃零碎的吞吐量。

那么要害就在于如何掂量服务本身的负载呢？

判断高负载次要取决于两个指标：

  1. cpu 是否过载。
  2. 最大并发数是否过载。

以上两点同时满足时则阐明服务处于高负载状态，则进行自适应降载。

同时也应该留神高并发场景 cpu 负载、并发数往往稳定比拟大，从数据上咱们称这种景象为毛刺，毛刺景象可能会导致系统始终在频繁的进行主动降载操作，所以咱们个别获取一段时间内的指标均值来使指标更加平滑。实现上能够采纳精确的记录一段时间内的指标而后间接计算平均值，然而须要占用肯定的系统资源。

统计学上有一种算法：滑动均匀（exponential moving average），能够用来估算变量的部分均值，使得变量的更新与历史一段时间的历史取值无关，无需记录所有的历史局部变量就能够实现平均值估算，十分节俭贵重的服务器资源。

滑动均匀算法原理 参考这篇文章讲的十分分明。

变量 V 在 t 时刻记为 Vt，θt 为变量 V 在 t 时刻的取值，即在不应用滑动均匀模型时 Vt=θt，在应用滑动均匀模型后，Vt 的更新公式如下：

Vt=β⋅Vt−1+(1−β)⋅θt

  • β = 0 时 Vt = θt
  • β = 0.9 时, 大抵相当于过来 10 个 θt 值的均匀
  • β = 0.99 时, 大抵相当于过来 100 个 θt 值的均匀

代码实现

接下来咱们来看下 go-zero 自适应降载的代码实现。

core/load/adaptiveshedder.go

自适应降载接口定义：

// 回调函数
Promise interface {
    // 申请胜利时回调此函数
    Pass()
    // 申请失败时回调此函数
    Fail()}

// 降载接口定义
Shedder interface {
    // 降载查看
    // 1. 容许调用，需手动执行 Promise.accept()/reject()上报理论执行工作构造
    // 2. 回绝调用，将会间接返回 err：服务过载谬误 ErrServiceOverloaded
    Allow() (Promise, error)
}

接口定义十分精简象征应用起来其实非常简单，对外裸露一个 `Allow()(Promise,error)。

go-zero 应用示例：

业务中只需调该办法判断是否降载，如果被降载则间接完结流程，否则执行业务最初应用返回值 Promise 依据执行后果回调后果即可。

func UnarySheddingInterceptor(shedder load.Shedder, metrics *stat.Metrics) grpc.UnaryServerInterceptor {ensureSheddingStat()

    return func(ctx context.Context, req interface{}, info *grpc.UnaryServerInfo,
        handler grpc.UnaryHandler) (val interface{}, err error) {sheddingStat.IncrementTotal()
        var promise load.Promise
        // 查看是否被降载
        promise, err = shedder.Allow()
        // 降载，记录相干日志与指标
        if err != nil {metrics.AddDrop()
            sheddingStat.IncrementDrop()
            return
        }
        // 最初回调执行后果
        defer func() {
            // 执行失败
            if err == context.DeadlineExceeded {promise.Fail()
            // 执行胜利
            } else {sheddingStat.IncrementPass()
                promise.Pass()}
        }()
        // 执行业务办法
        return handler(ctx, req)
    }
}

接口实现类定义：

次要蕴含三类属性

  1. cpu 负载阈值：超过此值意味着 cpu 处于高负载状态。
  2. 冷却期：如果服务之前被降载过，那么将进入冷却期，目标在于避免降载过程中负载还未降下来立马加压导致来回抖动。因为升高负载须要肯定的工夫，处于冷却期内应该持续查看并发数是否超过限度，超过限度则持续抛弃申请。
  3. 并发数：以后正在解决的并发数，以后正在解决的并发平均数，以及最近一段内的申请数与响应工夫，目标是为了计算以后正在解决的并发数是否大于零碎可承载的最大并发数。
// option 参数模式
ShedderOption func(opts *shedderOptions)

// 可选配置参数
shedderOptions struct {
    // 滑动工夫窗口大小
    window time.Duration
    // 滑动工夫窗口数量
    buckets int
    // cpu 负载临界值
    cpuThreshold int64
}

// 自适应降载构造体，需实现 Shedder 接口
adaptiveShedder struct {
    // cpu 负载临界值
    // 高于临界值代表高负载须要降载保障服务
    cpuThreshold int64
    // 1s 内有多少个桶
    windows int64
    // 并发数
    flying int64
    // 滑动平滑并发数
    avgFlying float64
    // 自旋锁，一个服务共用一个降载
    // 统计以后正在解决的申请数时必须加锁
    // 无损并发，进步性能
    avgFlyingLock syncx.SpinLock
    // 最初一次回绝工夫
    dropTime *syncx.AtomicDuration
    // 最近是否被回绝过
    droppedRecently *syncx.AtomicBool
    // 申请数统计，通过滑动工夫窗口记录最近一段时间内指标
    passCounter *collection.RollingWindow
    // 响应工夫统计，通过滑动工夫窗口记录最近一段时间内指标
    rtCounter *collection.RollingWindow
}

自适应降载结构器：

func NewAdaptiveShedder(opts ...ShedderOption) Shedder {
    // 为了保障代码对立
    // 当开发者敞开时返回默认的空实现，实现代码对立
    // go-zero 很多中央都采纳了这种设计，比方 Breaker，日志组件
    if !enabled.True() {return newNopShedder()
    }
    // options 模式设置可选配置参数
    options := shedderOptions{
        // 默认统计最近 5s 内数据
        window: defaultWindow,
        // 默认桶数量 50 个
        buckets:      defaultBuckets,
        // cpu 负载
        cpuThreshold: defaultCpuThreshold,
    }
    for _, opt := range opts {opt(&options)
    }
    // 计算每个窗口间隔时间，默认为 100ms
    bucketDuration := options.window / time.Duration(options.buckets)
    return &adaptiveShedder{
        // cpu 负载
        cpuThreshold:    options.cpuThreshold,
        // 1s 的工夫内蕴含多少个滑动窗口单元
        windows:         int64(time.Second / bucketDuration),
        // 最近一次回绝工夫
        dropTime:        syncx.NewAtomicDuration(),
        // 最近是否被回绝过
        droppedRecently: syncx.NewAtomicBool(),
        // qps 统计，滑动工夫窗口
        // 疏忽以后正在写入窗口（桶），工夫周期不残缺可能导致数据异样
        passCounter: collection.NewRollingWindow(options.buckets, bucketDuration,
            collection.IgnoreCurrentBucket()),
        // 响应工夫统计，滑动工夫窗口
        // 疏忽以后正在写入窗口（桶），工夫周期不残缺可能导致数据异样
        rtCounter: collection.NewRollingWindow(options.buckets, bucketDuration,
            collection.IgnoreCurrentBucket()),
    }
}

降载查看 Allow()：

查看以后申请是否应该被抛弃，被抛弃业务侧须要间接中断请求爱护服务，也意味着降载失效同时进入冷却期。如果放行则返回 promise，期待业务侧执行回调函数执行指标统计。

// 降载查看
func (as *adaptiveShedder) Allow() (Promise, error) {
    // 查看申请是否被抛弃
    if as.shouldDrop() {
        // 设置 drop 工夫
        as.dropTime.Set(timex.Now())
        // 最近已被 drop
        as.droppedRecently.Set(true)
        // 返回过载
        return nil, ErrServiceOverloaded
    }
    // 正在解决申请数加 1
    as.addFlying(1)
    // 这里每个容许的申请都会返回一个新的 promise 对象
    // promise 外部持有了降载指针对象
    return &promise{start:   timex.Now(),
        shedder: as,
    }, nil
}

查看是否应该被抛弃 shouldDrop()：

// 申请是否应该被抛弃
func (as *adaptiveShedder) shouldDrop() bool {
    // 以后 cpu 负载超过阈值
    // 服务处于冷却期内应该持续查看负载并尝试抛弃申请
    if as.systemOverloaded() || as.stillHot() {
        // 查看正在解决的并发是否超出以后可承载的最大并发数
        // 超出则抛弃申请
        if as.highThru() {flying := atomic.LoadInt64(&as.flying)
            as.avgFlyingLock.Lock()
            avgFlying := as.avgFlying
            as.avgFlyingLock.Unlock()
            msg := fmt.Sprintf(
                "dropreq, cpu: %d, maxPass: %d, minRt: %.2f, hot: %t, flying: %d, avgFlying: %.2f",
                stat.CpuUsage(), as.maxPass(), as.minRt(), as.stillHot(), flying, avgFlying)
            logx.Error(msg)
            stat.Report(msg)
            return true
        }
    }
    return false
}

cpu 阈值查看 systemOverloaded()：

cpu 负载值计算算法采纳的滑动均匀算法，避免毛刺景象。每隔 250ms 采样一次 β 为 0.95，大略相当于历史 20 次 cpu 负载的平均值，工夫周期约为 5s。

// cpu 是否过载
func (as *adaptiveShedder) systemOverloaded() bool {return systemOverloadChecker(as.cpuThreshold)
}

// cpu 查看函数
systemOverloadChecker = func(cpuThreshold int64) bool {return stat.CpuUsage() >= cpuThreshold
}

// cpu 滑动平均值
curUsage := internal.RefreshCpu()
prevUsage := atomic.LoadInt64(&cpuUsage)
// cpu = cpuᵗ⁻¹ * beta + cpuᵗ * (1 - beta)
// 滑动均匀算法
usage := int64(float64(prevUsage)*beta + float64(curUsage)*(1-beta))
atomic.StoreInt64(&cpuUsage, usage)

查看是否处于冷却期 stillHot:

判断以后零碎是否处于冷却期, 如果处于冷却期内，应该持续尝试查看是否抛弃申请。次要是避免零碎在过载复原过程中负载还未降下来，立马又减少压力导致来回抖动，此时应该尝试持续抛弃申请。

func (as *adaptiveShedder) stillHot() bool {
    // 最近没有抛弃申请
    // 阐明服务失常
    if !as.droppedRecently.True() {return false}
    // 不在冷却期
    dropTime := as.dropTime.Load()
    if dropTime == 0 {return false}
    // 冷却工夫默认为 1s
    hot := timex.Since(dropTime) < coolOffDuration
    // 不在冷却期，失常解决申请中
    if !hot {
        // 重置 drop 记录
        as.droppedRecently.Set(false)
    }

    return hot
}

查看以后正在解决的并发数highThru()：

一旦 以后解决的并发数 > 并发数承载下限 则进入降载状态。

这里为什么要加锁呢？因为自适应降载时全局在应用的，为了保障并发数平均值正确性。

为什么这里要加自旋锁呢？因为并发处理过程中，能够不阻塞其余的 goroutine 执行工作，采纳无锁并发进步性能。

func (as *adaptiveShedder) highThru() bool {
    // 加锁
    as.avgFlyingLock.Lock()
    // 获取滑动平均值
    // 每次申请完结后更新
    avgFlying := as.avgFlying
    // 解锁
    as.avgFlyingLock.Unlock()
    // 零碎此时最大并发数
    maxFlight := as.maxFlight()
    // 正在解决的并发数和均匀并发数是否大于零碎的最大并发数
    return int64(avgFlying) > maxFlight && atomic.LoadInt64(&as.flying) > maxFlight
}

如何失去正在解决的并发数与均匀并发数呢？

以后正在的解决并发数统计其实非常简单，每次容许申请时并发数 +1，申请实现后 通过 promise 对象回调 -1 即可，并利用滑动均匀算法求解均匀并发数即可。

type promise struct {
    // 申请开始工夫
    // 统计申请解决耗时
    start   time.Duration
    shedder *adaptiveShedder
}

func (p *promise) Fail() {
    // 申请完结，以后正在解决申请数 -1
    p.shedder.addFlying(-1)
}

func (p *promise) Pass() {
    // 响应工夫，单位毫秒
    rt := float64(timex.Since(p.start)) / float64(time.Millisecond)
    // 申请完结，以后正在解决申请数 -1
    p.shedder.addFlying(-1)
    p.shedder.rtCounter.Add(math.Ceil(rt))
    p.shedder.passCounter.Add(1)
}

func (as *adaptiveShedder) addFlying(delta int64) {flying := atomic.AddInt64(&as.flying, delta)
    // 申请完结后，统计以后正在解决的申请并发
    if delta < 0 {as.avgFlyingLock.Lock()
        // 估算以后服务近一段时间内的均匀申请数
        as.avgFlying = as.avgFlying*flyingBeta + float64(flying)*(1-flyingBeta)
        as.avgFlyingLock.Unlock()}
}

失去了以后的零碎数还不够，咱们还须要晓得以后零碎可能解决并发数的下限，即最大并发数。

申请通过数与响应工夫都是通过滑动窗口来实现的，对于滑动窗口的实现能够参考 自适应熔断器 那篇文章。

以后零碎的最大并发数 = 窗口单位工夫内的最大通过数量 * 窗口单位工夫内的最小响应工夫。

// 计算每秒零碎的最大并发数
// 最大并发数 = 最大申请数（qps）* 最小响应工夫（rt）func (as *adaptiveShedder) maxFlight() int64 {
    // windows = buckets per second
    // maxQPS = maxPASS * windows
    // minRT = min average response time in milliseconds
    // maxQPS * minRT / milliseconds_per_second
    // as.maxPass()*as.windows - 每个桶最大的 qps * 1s 内蕴含桶的数量
    // as.minRt()/1e3 - 窗口所有桶中最小的均匀响应工夫 / 1000ms 这里是为了转换成秒
    return int64(math.Max(1, float64(as.maxPass()*as.windows)*(as.minRt()/1e3)))
}    

// 滑动工夫窗口内有多个桶
// 找到申请数最多的那个
// 每个桶占用的工夫为 internal ms
// qps 指的是 1s 内的申请数，qps: maxPass * time.Second/internal
func (as *adaptiveShedder) maxPass() int64 {
    var result float64 = 1
    // 以后工夫窗口内申请数最多的桶
    as.passCounter.Reduce(func(b *collection.Bucket) {
        if b.Sum > result {result = b.Sum}
    })

    return int64(result)
}

// 滑动工夫窗口内有多个桶
// 计算最小的均匀响应工夫
// 因为须要计算近一段时间内零碎可能解决的最大并发数
func (as *adaptiveShedder) minRt() float64 {
    // 默认为 1000ms
    result := defaultMinRt

    as.rtCounter.Reduce(func(b *collection.Bucket) {
        if b.Count <= 0 {return}
        // 申请均匀响应工夫
        avg := math.Round(b.Sum / float64(b.Count))
        if avg < result {result = avg}
    })

    return result
}

参考资料

Google BBR 拥塞控制算法

滑动均匀算法原理

go-zero 自适应降载

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正文完
golang
发表至： golang
2021-11-23
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