如何计算服务限流的配额

问题

请求被限流

之前的文章提到过我们服务使用 Hystrix 进行服务限流,使用的是信号量方式,并根据接口的响应时间和服务的峰值 QPS 设置了限流的配额。

限流配额的计算方式为:

我们接口单机单个接口的峰值 QPS 为 1000,平均影响时长 15ms,我们认为 Hystrix 的信号量是并发量,那么一个信号量在一秒内能允许 1000ms/15ms~66
个请求通过,那么服务 1000QPS 配置 15 个信号量就足够了。

当然这是在忽略上下文切换和 GC 时间的情况下,考虑上这些因素,每个并发量每秒能服务的时长约为 900ms,用同样的公式计算所需要的信号量是 17,为了应付突发流量,我将这个值设置为了 30。

本以为这样就高枕无忧了,没想到看错误日志中偶然发现了有报错:

HystrixRuntimeException occurred! , failureType:REJECTED_SEMAPHORE_EXECUTION, message:apiHystrixKey could not acquire a semaphore for execution and fallback failed.

我把信号量配置提高到了 50,没想到还是没看到问题有明显好转,这就比较诡异了。

转载随意,文章会持续修订,请注明来源地址: https://zhenbianshu.github.io

解决

排查步骤

首先我列了一下排查的步骤,也整理一下出现这种问题的可能。

  1. 看正常请求的平均耗时,排除真实 block 的可能。
    接口平均耗时 17ms,QPS 1000,如果代码都被 block 在某处,接口耗时一定会突增。
  2. 查看一下 hystrix 代码看是否可能有情况导致信号量未释放。
    简单扫了一遍 hystrix 相关代码,信号量的释放在请求结束的 callback 里,如果有泄漏,一定会导致可用信号量越来越少,最终为 0。
  3. 写一个小 demo,压测看是否能复现。
    在 demo 里运行,问题只在刚启动服务未初始化完成时复现,后续就平稳了。

Jdk 的 Bug ?

从整体上看不出来,就只好从微观时间点上看了,可这个问题出现是一瞬间的事,jstack 也无能为力,虽然 jmc 倒是合适,但它部署有点费劲,而且还会在观察的时候影响到服务,于是优先从历史时间点上排查。

从错误日志里找了一个服务拒绝数校多的时间点,再观察服务当时的状态。错误日志上除了一些请求被拒绝的报错外就没有其他的了,但我在 gclog 里发现了奇怪的日志。

2020-03-17T13:01:26.281+0800: 89732.109: Application time: 2.1373599 seconds
2020-03-17T13:01:26.308+0800: 89732.136: Total time for which application threads were stopped: 0.0273134 seconds, Stopping threads took: 0.0008935 seconds
2020-03-17T13:01:26.310+0800: 89732.137: Application time: 0.0016111 seconds
2020-03-17T13:01:26.336+0800: 89732.163: [GC (Allocation Failure) 2020-03-17T13:01:26.336+0800: 89732.164: [ParNew
Desired survivor size 429490176 bytes, new threshold 4 (max 4)
- age 1: 107170544 bytes, 107170544 total
- age 2: 38341720 bytes, 145512264 total
- age 3: 6135856 bytes, 151648120 total
- age 4: 152 bytes, 151648272 total
: 6920116K->214972K(7549760K), 0.0739801 secs] 9292943K->2593702K(11744064K), 0.0756263 secs] [Times: user=0.65 sys=0.23, real=0.08 secs]
2020-03-17T13:01:26.412+0800: 89732.239: Total time for which application threads were stopped: 0.1018416 seconds, Stopping threads took: 0.0005597 seconds
2020-03-17T13:01:26.412+0800: 89732.239: Application time: 0.0001873 seconds
2020-03-17T13:01:26.438+0800: 89732.265: [GC (GCLocker Initiated GC) 2020-03-17T13:01:26.438+0800: 89732.265: [ParNew
Desired survivor size 429490176 bytes, new threshold 4 (max 4)
- age 1: 77800 bytes, 77800 total
- age 2: 107021848 bytes, 107099648 total
- age 3: 38341720 bytes, 145441368 total
- age 4: 6135784 bytes, 151577152 total
: 217683K->215658K(7549760K), 0.0548512 secs] 2596413K->2594388K(11744064K), 0.0561721 secs] [Times: user=0.49 sys=0.18, real=0.05 secs]
2020-03-17T13:01:26.495+0800: 89732.322: Total time for which application threads were stopped: 0.0824542 seconds, Stopping threads took: 0.0005238 seconds

我看到连续发生了两次 YGC,它们之间的间隔才 0.0001873s,可以认为是进行了一次很长时间的 GC,总耗时达到了 160ms。再仔细观察第二次 GC 时的内存分布,可以看到它作为一次 ParNew GC,发生时 eden 区的内存才使用了 200M,这就不符合常理了。

再看 GC 发生的原因,日志里标识的是 GCLocker Initiated GC
。在使用 JNI 操作字符串或数组时,为了防止 GC 导致数组指针发生偏移,JVM 实现了 GCLocker,它会在发生 GC 的时候阻止程序进入临界区,并在最后一个临界区内的线程退出时,发生一次 GCLocker GC。

至于这次的 GC,是 JDK 的一个 Bug, JDK-8048556
,具体原因可以看这篇博客: 一次不必要的GCLocker-initiated young GC

而我们的 Java 版本低于修复版本,出现这种问题实属正常,可是,这个问题就归究于 jdk 的 bug 吗?升级了 jdk 版本就一定会好吗?

“平均”的陷阱

重新来计算一下,即使 JVM 每秒都有 160ms 在进行 GC,可系统有服务时间也还有 840ms,使用上文中的公式,信号量的还是完全足够的。

一时想不明白,出去倒了杯水,走了走,忽然想到原来自己站错了角度。我一直用秒作为时间的基本单位,用一秒的平均状态来代表系统的整体状态,认为一整秒内如果没有问题,服务就不应该会发生问题,可是忽略了时间从来不是一秒一秒进行的。

试想,如果平稳运行的服务,忽然发生了一次 160ms 的 GC,那么这 160ms 内的请求会平均分配到剩余 840ms 内吗?并不会,它们会挤在第 161ms 一次发送过来,而我们设置的信号量限制会作出什么反应呢?

@Override
    public boolean tryAcquire() {
        int currentCount = count.incrementAndGet();
        if (currentCount > numberOfPermits.get()) {
            count.decrementAndGet();
            return false;
        } else {
            return true;
        }
    }

上面是 Hystrix 源码中获取信号量的代码,可以发现,代码里没有任何 block,如果当前使用的信号量大于配置值,就会直接拒绝。

这样就说得通了,如果进行了 160ms 的 GC,再加上请求处理的平均耗时是 15ms,那系统就有可能在瞬间堆积 1000q/s * 0.175s = 175
的请求,如果信号量不足,请求就会被直接拒绝了。

也就是说即使 jdk 的 bug 修复了,信号量限制最少还是要设置为 95 才不会拒绝请求。

限流配额的正确计算方式

概念

那么限流配额的正确计算方式是怎样的呢?

在此之前我们要明确设置的限流配额都是 并发量
,它的单位是
,这一点要 区分于我们常用的服务压力指标 QPS
,因为 QPS 是指一秒内的请求数,它的单位是 个/S
,由于单位不同,它们是不能直接比较的,需要并发量再除以一个时间单位才可以。

正确的公式应当是 并发量(个)/单个请求耗时(s) > QPS(个/s)

但由于 Java GC 的特性,我们不得不考虑 GC 期间请求堆积的可能,要处理这种情况,第一种是直接拒绝,像 Hystrix 的实现(有点坑),第二种是做一些缓冲。

信号量缓冲

其实信号量并不是无法做缓冲的,只是 Hystrix 内的”信号量”是自己实现的,比较 low。

比较”正统”的方式是使用 jdk 里的 java.util.concurrent.Semaphore
,它获取信号量有两种方式,第一种是 tryAcquire()
,这类似于 Hystrix 的实现,是不会 block 的,如果当前信号量被占用或不足,会返回 false。第二种是使用 acquire()
方法,它没有返回值,意思是方法只有在拿到信号量时才会返回,而这个时间是不确定的。

我猜想这可能也是 Hystrix 不采用这种方式的原因,毕竟如果使用 FairSync 会有很多拿到信号量发现接口超时再抛弃的行为,而使用 UnFairSync 又会使接口的影响时长无法确定。

线程池缓冲

线程池的缓冲比信号量要灵活得多,设置更大的 maximumPoolSize
BlockingQueue
都可以,设置 rejectHandler 也是很好的办法。

只是使用线程池会有上下文切换的损耗,而且应对突发流量时,线程池的扩容也比较拙技。

考虑到它的灵活性,以及可以通过 Future.get()
的超时时间来控制接口的最大响应时间,和信号量比,没有哪一种方式更好。

小结

解决了一个服务隐藏了很久的问题,又积累了排查此类问题的经验,得到了问题不能只从一个角度看待的教训,还是比较开心的。

当然,也又一次证明了看源码的重要性,遇到问题追一追源码,总会有些收益。

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原文 

https://zhenbianshu.github.io/2020/03/how_to_cal_isolation_limit.html

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