來源：https://zhenbianshu.github.io/
接着上次的排查，最近在查一個問題，花費了近兩個星期，我一定要總結一下，今天繼續。
Jdk 的 native 方法當然不是終點，雖然發現 Jdk、docker、操作系統 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。
爲了便於復現，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 版本衆多，我準備首先排查操作系統配置問題。
系統調用
strace 命令很早就使用過，不久前還用它分析過 shell 腳本執行慢的問題( 解決問題，別擴展問題)，但我還是不太習慣把 Java 和它聯繫起來，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調用的耗時打印到系統調用的結尾。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調用。
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 系統調用竟然消耗了 147ms，很明顯地，問題出在 write 系統調用上。
文件系統
結構
這時候就要好好回想一下操作系統的知識了。
在 linux 系統中，萬物皆文件，而爲了給不同的介質提供一種抽象的接口，在應用層和系統層之間，抽象了一個虛擬文件系統層（virtual file system, VFS）。上層的應用程序通過 系統調用 system call 操作虛擬文件系統，進而反饋到下層的硬件層。
由於硬盤等介質操作速度與內存不在同一個數量級上，爲了平衡兩者之間的速度，linux 便把文件映射到內存中，將硬盤單位塊(block)對應到內存中的一個 頁(page)上。這樣，當需要操作文件時，直接操作內存就可以了。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盤上。這樣便有效地減少了磁盤操作，應用也不必等待硬盤操作結束，響應速度得到了提升。
而 write 系統調用會將數據寫到內存中的 page cache，將 page 標記爲 髒頁(dirty) 後返回。
linux 的 writeback 機制
對於將內存緩衝區的內容刷到磁盤上，則有兩種方式：
首先，應用程序在調用 write 系統調用寫入數據時，如果發現 page cache 的使用量大於了設定的大小，便會主動將內存中的髒頁刷到硬盤上。在此期間，所有的 write 系統調用都會被阻塞。
系統當然不會容忍不定時的 write 阻塞，linux 還會定時啓動 pdflush 線程，判斷內存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盤上，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 系統調用爲什麼會被阻塞，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：查看系統配置 dirty_ratio 的大小：20。此值是 page cache 佔用系統可用內存(real mem + swap)的最大百分比， 我們的內存爲 32G，沒有啓用 swap，則實際可用的 page cache 大小約爲 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 線程， 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，會將髒頁刷回硬盤。
查看 /proc/meminfo 內 Dirty/Writeback 項的變化，並對比服務的文件寫入速度，結論是數據會被 pdflush 刷回到硬盤，不會觸發被動 flush 以阻塞 write 系統調用。
ext4 的 journal 特性
write 被阻塞的原因
繼續搜索資料，在一篇文章(Why buffered writes are sometimes stalled )中看到 write 系統調用被阻塞有以下可能：
- 要寫入的數據依賴讀取的結果時。但記錄日誌不依賴讀文件；
- wirte page 時有別的線程在調用 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線程操作；
- 格式爲 ext3/4 的文件系統在記錄 journal log 時會阻塞 write。而我們的系統文件格式爲 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 文件系統保證數據一致性的一種手段，在寫入數據前，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 查看磁盤支持的特性，其中有 has_journal 代表文件系統支持 journal 特性。
ext4 格式的文件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：在將數據寫入文件系統前，必須等待 metadata 和 journal 已經落盤了。
- ordered：不記錄數據的 journal，只記錄 metadata 的 journal 日誌，且需要保證所有數據在其 metadata journal 被 commit 之前落盤。ext4 在不添加掛載參數時使用此模式。
- writeback: 數據可能在 metadata journal 被提交之後落盤，可能導致舊數據在系統掉電後恢復到磁盤中。
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。
猜測因爲 journal 觸發了髒頁落盤，而髒頁落盤導致 write 被阻塞，所以解決 journal 問題就可以解決接口超時問題。
解決方案與壓測結果
以下是我總結的幾個接口超時問題的解決方案：
- log4j2 日誌模式改異步。但有可能會在系統重啓時丟失日誌，另外在異步隊列 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置得更短(1s 以內)。但理論上會略微提升系統負載（未明顯觀察到）。
- 掛載硬盤時使用 data=writeback 選項修改 journal 模式。但可能導致系統重啓後文件包含已刪除的內容。
- 禁用 ext4 的 journal 特性。但可能會導致系統文件的不一致。
- 把 ext4 的 journal 日誌遷移到更快的磁盤上，如 ssd、閃存等。操作複雜，不易維護。
- 使用 xfs、fat 等 文件系統格式。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。
| 文件系統特性 | 接口超時比例 |
|---|---|
| ext4（同線上） | 0.202% |
| xfs文件系統 | 0.06% |
| page過期時間和pdflush啓動時間都設置爲 0.8s | 0.017% |
| ext4 掛載時 journal 模式爲 writeback | 0% |
| 禁用 ext4 的 journal 特性 | 0% |
| log4j2 使用異步日誌 | 0% |
小結
接口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 內核代碼中找到證據，160M 的代碼，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。
程序員還是要懂些操作系統知識的，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。
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