解Bug之路-应用999线升高

前言

监控指标诚然是发现问题于微末之时的极佳手段，但指标往往有其表达的极限。在很多情况下，单独看一个黄金指标并不能表征系统的健康程度，反而有可能被其迷惑，进而忽略相关问题。(本文所提及的Linux Kernel源码版本为4.18.10)

Bug现场

某天中午，某应用的999线突然升高。由于是个QPS高达几十万的查询服务，1分钟的升高就会影响数千个请求。初步判断应用容量不够，直接进行相关扩容，扩容后反而加剧了问题!不得已又做了一次紧急扩容，999线才恢复。这两波操作过去，20多分钟已经过去了。

为了防止问题再次发生，我们必须要彻查相关原因。于是笔者也就参与了调查。

Young GC升高

首先是去看常用的指标，例如CPU idle, GC Time。发现有一些机器的CPU达到了60%，而在这些机器中，young gc有一个大幅度的增长。

为什么Young GC升高

看上去GC问题。那么，笔者就开始思考为什么young gc升高。翻看gc日志。看到故障期间，不停的young gc。但这些young gc的表现很诡异。有时候young gc很快，只有数十毫秒，有时确达到了数百毫秒。而且这个耗时的跳跃没什么规律，不是从某个时间点之后就一直是数百毫秒，而是数十和数百一直参杂着。

观察young GC的详细输出，在数百毫秒的young GC时间里，大部分时间都在[Object Copy]上。令人奇怪的是。其Copy的Object大小确实差不多的。而这是个非常单纯的查询服务，故障期间，它的流量分布以及对应的Object分布不应该有非常大的变化。那么究竟是什么原因让同样大小以及数量的Object Copy会有十倍的差距呢？

再仔细观察，不仅仅是Object Copy，在其它的GC阶段也会出现时间暴涨的情况，只不过大部分集中在Object Copy而已。仅仅靠这些信息是无法看出来相关问题的。

为什么只有部分机器Young GC升高

继续观察监控，发现问题出现在一部分机器上。而这部分机器都在一个机房(B机房)里面。另一个机房(A机房)的机器没有受任何影响。当然，出问题的机器都出现了Young GC飙高的现象。难道两个机房的流量分布不一样？经过一番统计，发现接口的调用分布只是略微有些不同。但细细思考一下，如果是机房流量分布不一样，由于同机房是负载均衡的。要出问题，也是同机房都出问题。但问题只集中B机房的一部分机器中。

寻找这些机器的共同特征

young gc都大幅升高

那么既然只有一部分机器出问题。那么笔者开始搜索起这些机器的共同特征。young gc在这部分机器耗时都大幅增长。但由于笔者尚不能通过gc日志找出原因。那么就寻找了其它特征。

CPU.Busy

首先，是CPU.busy指标。笔者发现，出问题的机器CPU都在60%左右。但是，正常的节点CPU也有60%的，也有50%的，特征不是很明显。

delta_nr_throttled和delta_throttled_time

在笔者观察某台故障机器监控指标的时候发现，发现delta_nr_throttled和delta_throttled_time这个指标大幅度升高。

我们看下这两个指标的含义

nr_throttled: 
   Linux Doc: Number of times the group has been throttled/limited. 
   中文解释: CGROUP被限制的数量
delta_nr_throttled: 是通过取间隔1分钟的两个点，计算出每分钟CGROUP被限制的数量
throttled_time: 
   linux Doc: The total time duration (in nanoseconds) for which entities of the group have       been throttled.
   中文解释: 某个CGroup被限制的时间
delta_throttled_time: 通过取间隔1分钟的两个点，计算出每分钟CGROUP被限制的总时间

由于线上应用这边采用的是docker容器，所以会有这两个指标。而这两个指标表明了，这个CGroup由于CPU消耗太高而被宿主机的Kernel限制运行。而令人奇怪的是，这些机器的CPU最多只有60%左右，按理来说只有达到100%才能被限制(throttled/limit)。

宿主机CPU飙升

既然是宿主机限制了相关docker容器，那么很自然的联想到宿主机出了问题。统计了一下出故障容器在宿主机上的分布。发现出问题的所有容器都是集中出现在两台宿主机上！

查看了下这两台宿主机的CPU Busy，发现平均已经90%多了。

宿主机超卖

详细观察了下这两个宿主机，发现它们超卖非常严重。而且当前这个出问题的应用非常集中的部署在这两个宿主机上。一台48核的宿主机，仅仅出问题的这个应用就分配了10个，而且分配的资源是每个容器8核(实际上是时间片)。那么按照，每个容器使用了60%计算，正好用满了这个宿主机的核

60% * 10 * 8 = 48 正好和宿主机的48核相对应。

为什么第一次扩容后加剧了问题

因为这次是通过API自动扩容，而由于打散度计算的原因，还是扩容到了这两台已经不堪重负的CPU上。同时应用启动加载时候的CPU消耗也加剧了宿主机CPU的消耗。

为什么第二次扩容之后999线恢复正常

因为第二次直接通过API手动扩容，一次性在10多台宿主机上机器上扩了一倍的机器。这样分配在这两台不堪重负的宿主机上的应用流量降低到一半左右。进而使得999线恢复正常。

为什么容器相关的CPU busy在宿主机已经接近100%的情况下，依旧只展示60%的

很明显的，容器的CPU Busy在很大程度上误导了我们的决策。在之前的容量压测中，压到期望的TPS时候CPU Busy只有50%多，而且基本是按照TPS线性增长的，就使得我们觉得这个应用在当前的资源下容量是绰绰有余。毕竟CPU Busy显示的还是非常健康的。

但没想到，在压测CPU 50%多的时候，其实已经到了整个应用容量的极限。线上的流量和压测流量的构造有稍微一点的区别，让CPU涨了个5%左右,过了那个宿主机CPU的临界点，进而就导致了应用出现了非常高的999线。

容器CPU busy和idle的计算

为了探究这个问题，笔者就不得不看下容器的CPU busy是如何计算出来的。毕竟Linux的CGroup并没有提供CPU Busy这个指标。翻阅了一下监控的计算公式。

每隔5秒取一下cpuacct.usage的数据
cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpuacct.usage
CPU.busy =  (cpuacct.usage(T秒) - cpuacct.usage(T-5秒))/((5秒)*CPU核数)
CPU.idle = 1- CPU.busy

那么我们可以看一下cpuacct.usage是如何计算的。Kernel的代码实现为:

cpuusage_read
  |->__cpuusage_read
          |->cpuacct_cpuusage_read

static u64 __cpuusage_read(struct cgroup_subsys_state *css,
               enum cpuacct_stat_index index)
{
  /* 获取当前对应cgroup中的cpuacct结构体*/
    struct cpuacct *ca = css_ca(css);
    ...... 
    /* 遍历所有可能的CPU */
    for_each_possible_cpu(i)
        totalcpuusage += cpuacct_cpuusage_read(ca, i, index);

    return totalcpuusage;
}
static u64 cpuacct_cpuusage_read(struct cpuacct *ca, int cpu,
         enum cpuacct_stat_index index) 
{            
            // 从当前cgroup中获取对应相应的cpuusage结构体
            struct cpuacct_usage *cpuusage = per_cpu_ptr(ca->cpuusage, cpu);
            ......
            /* i=0计算的是user space的usage，i=1计算的是kernel space的usage */
      for (i = 0; i < CPUACCT_STAT_NSTATS; i++)
        data += cpuusage->usages[i];
}

由代码可见，其计算是将所有CPU中的关于当前CGroup的cpuusage->usages中的user和system time相加，进而获取到最终此。那么我们可以进一步看下CGroup中的cpuusage是如何计算的。这边笔者以我们常用的CFS(完全公平调度的代码实现为例):

/* 相关的一条cpuusage代码路径如下 *.
pick_next_task_fair
    |->put_prev_entity
        |->update_curr
            |->cgroup_account_cputime /* 其中还包含对当前cgroup的parentGroup的修正*/
                |->cpuacct_charge
void cpuacct_charge(struct task_struct *tsk, u64 cputime)
{
    struct cpuacct *ca;
    int index = CPUACCT_STAT_SYSTEM;
    struct pt_regs *regs = task_pt_regs(tsk);
    /* 判断是system time还是user time */
    if (regs && user_mode(regs))
        index = CPUACCT_STAT_USER;
    rcu_read_lock();
  /* 将相关的CPU运行时间入账 */
    for (ca = task_ca(tsk); ca; ca = parent_ca(ca))
        this_cpu_ptr(ca->cpuusage)->usages[index] += cputime;

    rcu_read_unlock();
}

由上面代码可知，kernel会在进程间切换的时候，将当前进程的运行时间记入到相关。那么就是这个cputime的计算了。

/* 一个cfs_rq可以是一个task进程，也可以是一个cgroup，代表的是完全公平调度runqueue中的一个元素 */
static void update_curr(struct cfs_rq *cfs_rq){
     /* 这个now=rq->clock_task，clock_task返回的rq->clock减去处理IRQs窃取的时间，其计算不在本文描述范围内 , 不考虑IRQ的话，可以认为等于此rq的总运行时间*/
     u64 now = rq_clock_task(rq_of(cfs_rq));
     /* 这个delta_exec表明了在这一次的运行中，此cfs_rq(进程orCgroup)实际运行了多长时间*/
     delta_exec = now - curr->exec_start;
     curr->exec_start = now;
     ......
     /* 将这一次进程在当前CFS调度下运行的时间更新如相关cgroup的usage */
     cgroup_account_cputime(curtask, delta_exec);
     .....
}

好了，翻了一大堆代码，我们的cpuusage实际上就是这个cgroup在这一次CFS的kernel调度时间片中实际运行的时间。而我们的应用主要是一个Java进程，那么其基本就是这个Java进程运行了多长时间。值得注意的是，每个CPU的调度都会进行这样的计算。如下图所示:

那么我们来看一下在超卖情况下的表现。如下图所示:

(图中1.25s只是为了绘图方便，实际调度时间切片非常小)

如果超卖了，而且进程都比较繁忙，那么每个CGroup肯定不能完全的占用宿主机的CPU。指定到某个CPU上就势必会有多个CGroup交替进行。而之前的容器CPU.Busy计算公式

CPU.busy =  (cpuacct.usage(T秒) - cpuacct.usage(T-5秒))/((5秒)*CPU核数)

反应的实际上是这个容器在这个CPU(核)上运行了多长时间。而完全不能反应CPU的繁忙程度。

如果不超卖，每个CGroup被均匀的分到各自的CPU上互不影响(当然如果cgroup绑核了那隔离性更好)，那么这个计算公式才能够比较准确的反映CPU的情况。

nr_throttled和throttled_time

在Kernel中这两个参数表示由于分配给Cgroup的cfs_quota_us时间片额度用完。进而导致被内核限制,限制的次数为nr_throttled，限制的总时间为throttled_time。

cat /sys/fs/cgroup/cpuacct/cpu.cfs_period_us 100000(100ms)
cat /sys/fs/cgroup/cpuacct/cpu.cpu.cfs_quota_us 800000(800ms) 因为有8个核，所以分配了800ms
cat /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus 基本打散到所有的CPU上

但这边和上面的推论有一个矛盾的点,如果由于CPU超卖而引起的问题的话。那么每个CGroup并不能分到800ms这样总的时间片。因为按照上面的推算，每个CGroup最多分到60% * 800=480ms的时间片。而这个时间片是不应该触发nr_throttled和throttled_time的！

就在笔者对着Kernel源码百思不得其解之际，笔者发现Linux Kernel在5.4版本有个优化

https://lwn.net/Articles/792268/
sched/fair: Fix low cpu usage with high throttling by removing expiration of cpu-local slices

也就是说在5.4版本之前，在一些场景下low cpu usage依旧能导致cgroup被throttled。而这个场景即是:

that highly-threaded, non-cpu-bound applications
running under cpu.cfs_quota_us constraints can hit a high percentage of
periods throttled
高度线程化，非CPU密集的应用程序在CPU.cfs_quota_us约束下运行时，可能会有很高的周期被限制，同时不会消耗分配的配额。

出故障的应用使用了大量的线程去处理请求，同时也有大量的IO操作(操作分布式缓存)，符合此Bug的描述。

# 那么到底是内核Bug还是超卖是主因呢？

这个疑问当然靠对比来解决，我们在故障之后，做了一次压测(CPU.Busy > 60%)，这次应用是不超卖的。这次delta_nr_throttled和delta_throttled_time依旧存在，不过比故障时的数量少了一个数量级。

同时999线从故障时候的暴涨6倍变成了只增长1倍。

很明显的，宿主机超卖是主因！而且宿主机超卖后的宿主机CPU负载过高还加重了这个Bug的触发。

关于Cgroup的核数分配

线上的Cgroup(容器)的核数分配实际上是按照(核数=cfs_quota_us/cfs_period_us)这个模型去分配的，同时并不会在cpuset进行绑核。也就是说一个48核的容器，应用的各个线程可以跑在任何一个核上，只不过只分配了8核的时间片额度。这就利用了Cgroup的带宽控制机制CFS_BANDWITH。

改进措施

很明显的改进措施可以是下面几种:

针对超卖:
   1) 宿主机不超卖，但不是一个好的选择，因为资源利用率上不去，存在大量CPU利用率很低的应用
   2) 根据应用的CPU利用率情况进行高低错配放到宿主机上，在利用资源利用率的同时又不至于互相影响
针对内核的Bug
   1) 可以打Patch或者升级到5.4

为什么Young GC会变慢

回过头来看看young gc为什么会慢就很明显了。因为在young gc时候，被shedule出去了，而且没有其它的空闲CPU让jvm可以schedule回来，白白浪费了很长时间。

因为object copy在这个应用的young gc中是最耗费CPU以及时间的操作，所以自然在object copy阶段出现变慢的现象。

当然，进程schedule可以处在各种时间点，所以并不仅仅是Young GC变慢了，在请求处理阶段也可能变慢。

总结

指标虽然能够比较准确且客观的反映两个时间点的变化。但指标的定义和对指标的解读确实比较主观的，没有理解清楚指标所能表达的极限以及使用场景。往往会让我们排查问题进入误区！