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這篇監(jiān)控系統(tǒng)的建設思路，讓你徹底找出性能瓶頸

Linux云計算, 技術干貨 3814

一、起始

在實際的性能分析中，一個很常見的現(xiàn)象是，明明發(fā)生了性能瓶頸，但當你登錄到服務器中想要排查的時候，卻發(fā)現(xiàn)瓶頸已經(jīng)消失了。或者說，性能問題總是時不時地發(fā)生，但卻很難找出發(fā)生規(guī)律，也很難重現(xiàn)。
而要解決這個問題，就要搭建監(jiān)控系統(tǒng)，把系統(tǒng)和應用程序的運行狀況監(jiān)控起來，并定義一系列的策略，在發(fā)生問題時第一時間告警通知。一個好的監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以實時暴露系統(tǒng)的各種問題，更可以根據(jù)這些監(jiān)控到的狀態(tài)，自動分析和定位大致的瓶頸來源，從而更精確地把問題匯報給相關團隊處理。要做好監(jiān)控，最核心的就是全面的、可量化的指標，這包括系統(tǒng)和應用兩個方面。
從系統(tǒng)來說，監(jiān)控系統(tǒng)要涵蓋系統(tǒng)的整體資源使用情況，比如我們前面講過的 CPU、內存、磁盤和文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡等各種系統(tǒng)資源。
而從應用程序來說，監(jiān)控系統(tǒng)要涵蓋應用程序內部的運行狀態(tài)，這既包括進程的 CPU、磁盤 I/O 等整體運行狀況，更需要包括諸如接口調用耗時、執(zhí)行過程中的錯誤、內部對象的內存使用等應用程序內部的運行狀況。

二、系統(tǒng)監(jiān)控

1、USE 法

在開始監(jiān)控系統(tǒng)之前，你肯定最想知道，怎么才能用簡潔的方法，來描述系統(tǒng)資源的使用情況。你當然可以使用專欄中學到的各種性能工具，來分別收集各種資源的使用情況。不過不要忘記，每種資源的性能指標可都有很多，使用過多指標本身耗時耗力不說，也不容易為你建立起系統(tǒng)整體的運行狀況。
在這里，我為你介紹一種專門用于性能監(jiān)控的 USE（Utilization Saturation and Errors）法。
USE 法把系統(tǒng)資源的性能指標，簡化成了三個類別，即使用率、飽和度以及錯誤數(shù)。
  • 使用率，表示資源用于服務的時間或容量百分比。100% 的使用率，表示容量已經(jīng)用盡或者全部時間都用于服務。
  • 飽和度，表示資源的繁忙程度，通常與等待隊列的長度相關。100% 的飽和度，表示資源無法接受更多的請求。
  • 錯誤數(shù)表示發(fā)生錯誤的事件個數(shù)。錯誤數(shù)越多，表明系統(tǒng)的問題越嚴重。
這三個類別的指標，涵蓋了系統(tǒng)資源的常見性能瓶頸，所以常被用來快速定位系統(tǒng)資源的性能瓶頸。這樣，無論是對 CPU、內存、磁盤和文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡等硬件資源，還是對文件描述符數(shù)、連接數(shù)、連接跟蹤數(shù)等軟件資源，USE 方法都可以幫你快速定位出，是哪一種系統(tǒng)資源出現(xiàn)了性能瓶頸。

2、性能指標

那么，對于每一種系統(tǒng)資源，又有哪些常見的性能指標呢？回憶一下我們講過的各種系統(tǒng)資源原理，并不難想到相關的性能指標。這里，我把常見的性能指標畫了一張表格，方便你在需要時查看。
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不過，需要注意的是，USE 方法只關注能體現(xiàn)系統(tǒng)資源性能瓶頸的核心指標，但這并不是說其他指標不重要。諸如系統(tǒng)日志、進程資源使用量、緩存使用量等其他各類指標，也都需要我們監(jiān)控起來。只不過，它們通常用作輔助性能分析，而 USE 方法的指標，則直接表明了系統(tǒng)的資源瓶頸。

3、監(jiān)控系統(tǒng)

掌握 USE 方法以及需要監(jiān)控的性能指標后，接下來要做的，就是建立監(jiān)控系統(tǒng)，把這些指標保存下來；然后，根據(jù)這些監(jiān)控到的狀態(tài)，自動分析和定位大致的瓶頸來源；最后，再通過告警系統(tǒng)，把問題及時匯報給相關團隊處理。
可以看出，一個完整的監(jiān)控系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢和處理、告警以及可視化展示等多個模塊組成。所以，要從頭搭建一個監(jiān)控系統(tǒng)，其實也是一個很大的系統(tǒng)工程。
不過，幸運的是，現(xiàn)在已經(jīng)有很多開源的監(jiān)控工具可以直接使用，比如最常見的 Zabbix、Nagios、Prometheus 等等。
下面，我就以 Prometheus 為例，為你介紹這幾個組件的基本原理。如下圖所示，就是 Prometheus 的基本架構：
圖片
先看數(shù)據(jù)采集模塊。最左邊的 Prometheus targets 就是數(shù)據(jù)采集的對象，而 Retrieval 則負責采集這些數(shù)據(jù)。從圖中你也可以看到，Prometheus 同時支持 Push 和 Pull 兩種數(shù)據(jù)采集模式。
Pull 模式，由服務器端的采集模塊來觸發(fā)采集。只要采集目標提供了 HTTP 接口，就可以自由接入（這也是最常用的采集模式）。
Push 模式，則是由各個采集目標主動向 Push Gateway（用于防止數(shù)據(jù)丟失）推送指標，再由服務器端從 Gateway 中拉取過去（這是移動應用中最常用的采集模式）。
第二個是數(shù)據(jù)存儲模塊。為了保持監(jiān)控數(shù)據(jù)的持久化，圖中的 TSDB（Time series database）模塊，負責將采集到的數(shù)據(jù)持久化到 SSD 等磁盤設備中。TSDB 是專門為時間序列數(shù)據(jù)設計的一種數(shù)據(jù)庫，特點是以時間為索引、數(shù)據(jù)量大并且以追加的方式寫入。
第三個是數(shù)據(jù)查詢和處理模塊。剛才提到的 TSDB，在存儲數(shù)據(jù)的同時，其實還提供了數(shù)據(jù)查詢和基本的數(shù)據(jù)處理功能，而這也就是 PromQL 語言。PromQL 提供了簡潔的查詢、過濾功能，并且支持基本的數(shù)據(jù)處理方法，是告警系統(tǒng)和可視化展示的基礎。
第四個是告警模塊。右上角的 AlertManager 提供了告警的功能，包括基于 PromQL 語言的觸發(fā)條件、告警規(guī)則的配置管理以及告警的發(fā)送等。不過，雖然告警是必要的，但過于頻繁的告警顯然也不可取。所以，AlertManager 還支持通過分組、抑制或者靜默等多種方式來聚合同類告警，并減少告警數(shù)量。
最后一個是可視化展示模塊。Prometheus 的 web UI 提供了簡單的可視化界面，用于執(zhí)行 PromQL 查詢語句，但結果的展示比較單調。不過，一旦配合 Grafana，就可以構建非常強大的圖形界面了。介紹完了這些組件，想必你對每個模塊都有了比較清晰的認識。接下來，我們再來繼續(xù)深入了解這些組件結合起來的整體功能。比如，以剛才提到的 USE 方法為例，我使用 Prometheus，可以收集 Linux 服務器的 CPU、內存、磁盤、網(wǎng)絡等各類資源的使用率、飽和度和錯誤數(shù)指標。然后，通過 Grafana 以及 PromQL 查詢語句，就可以把它們以圖形界面的方式直觀展示出來。
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4、最后總結

系統(tǒng)監(jiān)控的核心是資源的使用情況，這既包括 CPU、內存、磁盤、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡等硬件資源，也包括文件描述符數(shù)、連接數(shù)、連接跟蹤數(shù)等軟件資源。而要描述這些資源瓶頸，最簡單有效的方法就是 USE 法。
USE 法把系統(tǒng)資源的性能指標，簡化為了三個類別：使用率、飽和度以及錯誤數(shù)。當這三者之中任一類別的指標過高時，都代表相對應的系統(tǒng)資源可能存在性能瓶頸。
基于 USE 法建立性能指標后，我們還需要通過一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)，把這些指標從采集、存儲、查詢、處理，再到告警和可視化展示等貫穿起來。這樣，不僅可以將系統(tǒng)資源的瓶頸快速暴露出來，還可以借助監(jiān)控的歷史數(shù)據(jù)，來追蹤定位性能問題的根源。

三、應用監(jiān)控

1、應用監(jiān)控指標

跟系統(tǒng)監(jiān)控一樣，在構建應用程序的監(jiān)控系統(tǒng)之前，首先也需要確定，到底需要監(jiān)控哪些指標。特別是要清楚，有哪些指標可以用來快速確認應用程序的性能問題。
應用程序的核心指標，不再是資源的使用情況，而是請求數(shù)、錯誤率和響應時間。
這些指標不僅直接關系到用戶的使用體驗，還反映應用整體的可用性和可靠性。有了請求數(shù)、錯誤率和響應時間這三個黃金指標之后，我們就可以快速知道，應用是否發(fā)生了性能問題。但是，只有這些指標顯然還是不夠的，因為發(fā)生性能問題后，我們還希望能夠快速定位“性能瓶頸區(qū)”。所以，在我看來，下面幾種指標，也是監(jiān)控應用程序時必不可少的。
第一個，是應用進程的資源使用情況，比如進程占用的 CPU、內存、磁盤 I/O、網(wǎng)絡等。使用過多的系統(tǒng)資源，導致應用程序響應緩慢或者錯誤數(shù)升高，是一個最常見的性能問題。
第二個，是應用程序之間調用情況，比如調用頻率、錯誤數(shù)、延時等。由于應用程序并不是孤立的，如果其依賴的其他應用出現(xiàn)了性能問題，應用自身性能也會受到影響。
第三個，是應用程序內部核心邏輯的運行情況，比如關鍵環(huán)節(jié)的耗時以及執(zhí)行過程中的錯誤等。由于這是應用程序內部的狀態(tài)，從外部通常無法直接獲取到詳細的性能數(shù)據(jù)。所以，應用程序在設計和開發(fā)時，就應該把這些指標提供出來，以便監(jiān)控系統(tǒng)可以了解其內部運行狀態(tài)。
有了應用進程的資源使用指標，你就可以把系統(tǒng)資源的瓶頸跟應用程序關聯(lián)起來，從而迅速定位因系統(tǒng)資源不足而導致的性能問題；
有了應用程序之間的調用指標，你可以迅速分析出一個請求處理的調用鏈中，到底哪個組件才是導致性能問題的罪魁禍首；
而有了應用程序內部核心邏輯的運行性能，你就可以更進一步，直接進入應用程序的內部，定位到底是哪個處理環(huán)節(jié)的函數(shù)導致了性能問題。
基于這些思路，我相信你就可以構建出，描述應用程序運行狀態(tài)的性能指標。再將這些指標納入我們上一期提到的監(jiān)控系統(tǒng)（比如 Prometheus + Grafana）中，就可以跟系統(tǒng)監(jiān)控一樣，一方面通過告警系統(tǒng)，把問題及時匯報給相關團隊處理；另一方面，通過直觀的圖形界面，動態(tài)展示應用程序的整體性能。

2、全鏈路監(jiān)控

業(yè)務系統(tǒng)通常會涉及到一連串的多個服務，形成一個復雜的分布式調用鏈。為了迅速定位這類跨應用的性能瓶頸，你還可以使用 Zipkin、Jaeger、Pinpoint 等各類開源工具，來構建全鏈路跟蹤系統(tǒng)。比如，下圖就是一個 Jaeger 調用鏈跟蹤的示例。
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全鏈路跟蹤可以幫你迅速定位出，在一個請求處理過程中，哪個環(huán)節(jié)才是問題根源。比如，從上圖中，你就可以很容易看到，這是 Redis 超時導致的問題。
全鏈路跟蹤除了可以幫你快速定位跨應用的性能問題外，還可以幫你生成線上系統(tǒng)的調用拓撲圖。這些直觀的拓撲圖，在分析復雜系統(tǒng)（比如微服務）時尤其有效。

3、日志監(jiān)控

性能指標的監(jiān)控，可以讓你迅速定位發(fā)生瓶頸的位置，不過只有指標的話往往還不夠。比如，同樣的一個接口，當請求傳入的參數(shù)不同時，就可能會導致完全不同的性能問題。所以，除了指標外，我們還需要對這些指標的上下文信息進行監(jiān)控，而日志正是這些上下文的最佳來源。
對比來看，指標是特定時間段的數(shù)值型測量數(shù)據(jù)，通常以時間序列的方式處理，適合于實時監(jiān)控。
而日志則完全不同，日志都是某個時間點的字符串消息，通常需要對搜索引擎進行索引后，才能進行查詢和匯總分析。
對日志監(jiān)控來說，最經(jīng)典的方法，就是使用 ELK 技術棧，即使用 Elasticsearch、Logstash 和 Kibana 這三個組件的組合。
如下圖所示，就是一個經(jīng)典的 ELK 架構圖：
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Logstash 負責對從各個日志源采集日志，然后進行預處理，最后再把初步處理過的日志，發(fā)送給 Elasticsearch 進行索引。
Elasticsearch 負責對日志進行索引，并提供了一個完整的全文搜索引擎，這樣就可以方便你從日志中檢索需要的數(shù)據(jù)。
Kibana 則負責對日志進行可視化分析，包括日志搜索、處理以及絢麗的儀表板展示等。
下面這張圖，就是一個 Kibana 儀表板的示例，它直觀展示了 Apache 的訪問概況。
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值得注意的是，ELK 技術棧中的 Logstash 資源消耗比較大。所以，在資源緊張的環(huán)境中，我們往往使用資源消耗更低的 Fluentd，來替代 Logstash（也就是所謂的 EFK 技術棧）。

四、最后總結

應用程序的監(jiān)控，可以分為指標監(jiān)控和日志監(jiān)控兩大部分：
指標監(jiān)控主要是對一定時間段內性能指標進行測量，然后再通過時間序列的方式，進行處理、存儲和告警。
日志監(jiān)控則可以提供更詳細的上下文信息，通常通過 ELK 技術棧來進行收集、索引和圖形化展示。
在跨多個不同應用的復雜業(yè)務場景中，你還可以構建全鏈路跟蹤系統(tǒng)。這樣可以動態(tài)跟蹤調用鏈中各個組件的性能，生成整個流程的調用拓撲圖，從而加快定位復雜應用的性能問題。

作者：-零

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