從應用到作業系統查介面超時（下）
應用復現
接著上文 ofollow,noindex" target="_blank">從應用到作業系統查介面超時（上） 繼續排查導致介面超時的原因。
轉載隨意，請註明來源地址：https://zhenbianshu.github.io
Jdk 的 native 方法當然不是終點，雖然發現 Jdk、docker、作業系統 Bug 的可能性極小，但再往底層查卻很可能發現一些常見的配置錯誤。
為了便於復現，我用 JMH 寫了一個簡單的 demo，控制速度不斷地通過 log4j2 寫入日誌。將專案打包成 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 內外運行了 jar 包卻發現都能很簡單地復現日誌停頓問題。而 jdk 版本眾多，我準備首先排查作業系統配置問題。
系統呼叫
strace 命令很早就使用過，不久前還用它分析過 shell 指令碼執行慢的問題(解決問題，別擴充套件問題)，但我還是不太習慣把 Java 和它聯絡起來，幸好有部門的老司機指點，於是就使用 strace 分析了一波 Java 應用。
命令跟分析普通指令碼一樣， strace -T -ttt -f -o strace.log java -jar log.jar ， -T 選項可以將每一個系統呼叫的耗時列印到系統呼叫的結尾。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呼叫。
對比 jmh 壓測用例輸出的 log4j2.info() 方法耗時，發現了下圖中的狀況。
一次 write 系統呼叫竟然消耗了 147ms，很明顯地，問題出在 write 系統呼叫上。
檔案系統
結構
這時候就要好好回想一下作業系統的知識了。
在 linux 系統中，萬物皆檔案，而為了給不同的介質提供一種抽象的介面，在應用層和系統層之間，抽象了一個虛擬檔案系統層（virtual file system, VFS）。上層的應用程式通過 系統呼叫 system call 操作虛擬檔案系統，進而反饋到下層的硬體層。
由於硬碟等介質操作速度與記憶體不在同一個數量級上，為了平衡兩者之間的速度，linux 便把檔案對映到記憶體中，將硬碟單位塊(block)對應到記憶體中的一個 頁(page)上。這樣，當需要操作檔案時，直接操作記憶體就可以了。當緩衝區操作達到一定量或到達一定的時間後，再將變更統一刷到磁碟上。這樣便有效地減少了磁碟操作，應用也不必等待硬碟操作結束，響應速度得到了提升。
而 write 系統呼叫會將資料寫到記憶體中的 page cache，將 page 標記為 髒頁(dirty) 後返回。
linux 的 writeback 機制
對於將記憶體緩衝區的內容刷到磁碟上，則有兩種方式：
首先，應用程式在呼叫 write 系統呼叫寫入資料時，如果發現 page cache 的使用量大於了設定的大小，便會主動將記憶體中的髒頁刷到硬碟上。在此期間，所有的 write 系統呼叫都會被阻塞。
系統當然不會容忍不定時的 write 阻塞，linux 還會定時啟動 pdflush 執行緒，判斷記憶體頁達到一定的比例或髒頁存活時間達到設定的時間，將這些髒頁刷回到磁碟上，以避免被動刷緩衝區，這種機制就是 linux 的 writeback 機制。
猜測
瞭解了以上基礎知識，那麼對於 write 系統呼叫為什麼會被阻塞，提出了兩種可能：
- page cache 可用空間不足，導致觸發了主動的 flush，此時會阻塞所有對此 device 的 write。
- 寫入過程被其他事務阻塞。
首先對於第一種可能： 檢視系統配置 dirty_ratio 的大小： 20。此值是 page cache 佔用系統可用記憶體( real mem + swap )的最大百分比， 我們的記憶體為 32G，沒有啟用 swap，則實際可用的 page cache 大小約為 6G。
另外，與 pdflush 相關的系統配置：系統會每 vm.dirty_writeback_centisecs (5s) 喚醒一次 pdflush 執行緒， 發現髒頁比例超過 vm.dirty_background_ratio (10%) 或 髒頁存活時間超過 vm.dirty_expire_centisecs (30s) 時，會將髒頁刷回硬碟。
檢視 /proc/meminfo 內 Dirty/Writeback 項的變化，並對比服務的檔案寫入速度，結論是資料會被 pdflush 刷回到硬碟，不會觸發被動 flush 以阻塞 write 系統呼叫。
ext4 的 journal 特性
write 被阻塞的原因
繼續搜尋資料，在一篇文章( Why buffered writes are sometimes stalled )中看到 write 系統呼叫被阻塞有以下可能：
- 要寫入的資料依賴讀取的結果時。但記錄日誌不依賴讀檔案；
- wirte page 時有別的執行緒在呼叫 fsync() 等主動 flush 髒頁的方法。但由於鎖的存在，log 在寫入時不會有其他的執行緒操作；
- 格式為 ext3/4 的檔案系統在記錄 journal log 時會阻塞 write。而我們的系統檔案格式為 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 檔案系統保證資料一致性的一種手段，在寫入資料前，將即將進行的各個操作步驟記錄下來，一旦系統掉電，恢復時讀取這些日誌繼續操作就可以了。但批量的 journal commit 是一個事務，flush 時會阻塞 write 的提交。
我們可以使用 dumpe2fs /dev/disk | grep features 檢視磁碟支援的特性，其中有 has_journal 代表檔案系統支援 journal 特性。
ext4 格式的檔案系統在掛載時可以選擇 (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： 在將資料寫入檔案系統前，必須等待 metadata 和 journal 已經落盤了。
- ordered： 不記錄資料的 journal，只記錄 metadata 的 journal 日誌，且需要保證所有資料在其 metadata journal 被 commit 之前落盤。 ext4 在不添加掛載引數時使用此模式。
- writeback: 資料可能在 metadata journal 被提交之後落盤，可能導致舊資料在系統掉電後恢復到磁碟中。
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碟。
由於 pdflush 程序向磁碟刷入資料會觸發 journal 事務，導致 write 被阻塞，所以解決 journal 問題就可以解決介面超時問題。
解決方案與壓測結果
以下是我總結的幾個介面超時問題的解決方案：
- log4j2 日誌模式改非同步。但有可能會在系統重啟時丟失日誌，另外在非同步佇列 ringbuffer 被填滿未消費後，新日誌會自動使用同步模式。
- 調整系統刷髒頁的配置，將檢查髒頁和髒頁過期時間設定得更短(1s 以內)。但理論上會略微提升系統負載（未明顯觀察到）。
- 掛載硬碟時使用 data=writeback 選項修改 journal 模式。 但可能導致系統重啟後文件包含已刪除的內容。
- 禁用 ext4 的 journal 特性。但可能會導致系統檔案的不一致。
- 把 ext4 的 journal 日誌遷移到更快的磁碟上，如 ssd、快閃記憶體等。操作複雜，不易維護。
- 使用 xfs、fat 等 檔案系統格式。特性不瞭解，影響不可知。
當然，對於這幾種方案，我也做了壓測，以下是壓測的結果。
| | 檔案系統特性 | 介面超時比例 |
|---|---|---|
| ext4（同線上） | 0.202% | |
| xfs檔案系統 | 0.06% | |
| page過期時間和pdflush啟動時間都設定為 0.8s | 0.017% | |
| ext4 掛載時 journal 模式為 writeback | 0% | |
| 禁用 ext4 的 journal 特性 | 0% | |
| log4j2 使用非同步日誌 | 0% |
小結
介面超時問題總算是告一段落，查了很久，不過解決它之後也非常有成就感。遺憾的是沒有在 linux 核心程式碼中找到證據，160M 的程式碼，分層也不熟悉，實在是無從查起，希望以後有機會能慢慢接觸吧。
程式設計師還是要懂些作業系統知識的，不僅幫我們在應對這種詭異的問題時不至於束手無策，也可以在做一些業務設計時能有所參考。
又熟悉了一些系統工具和命令，腳手架上又豐富了。