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RxJava 在閑魚系統吞吐量提升上的實踐

RxJava   2018-08-13 17:08:36 發布
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引言

響應式編程最簡單的定義是Reactive programming is programming with asynchronous data streams。無論是從Spring5中引入的響應式編程框架還是java9中集成的響應式流,都能看到響應式編程的影子。可以說響應式編程代表了未來編程的方向。

響應式編程其天然就是非阻塞的,當數據準備完成后自動觸發下一個動作而不是等待數據完成。這種思想再結合異步化編程使得我們在統一線程模型,降低多線程編程成本的同時提升整個系統的吞吐量。

閑魚當前的業務場景本身足夠復雜,然而目前大規模使用的仍然是阻塞式編程,每個業務場景的流程被串行同步執行。它最大的問題在于大量線程等待IO(日志記錄,RPC調用,HTTP請求等)完成。有鑒于此,閑魚引入RxJava 2.0來作為響應式編程框架對應用進行異步化改造。目前app內的魚塘首頁,留言列表以及魚塘詳情已經完成異步化改造并上線。

響應式異步化編程實踐

異步化編程不同于傳統的阻塞式編程,他們的區別可以用下面的圖來表達,C代表computation任務,I代表IO任務。原來的一個線程中執行完所有的computation和IO任務轉變成現在computation和IO任務分離,這樣做的好處是CPU只關注computation任務,理論上CPU核數個線程就能滿足所有的computation任務,大大減少線程切換開銷。

線程模型 RxJava框架背后是線程模型的演進。在引入RxJava前傳統Java自帶多線程框架(Executor)和異步Future,它們的問題在于

  • 線程池無法統一。開發在自己的場景下都可能去定義線程池。

  • 上下文切換。隨著線程數的增多,線程上下文的切換必然增多。

  • Future異步方式仍然是一種阻塞等待式方法。

RxJava結合全異步編程方式的優勢在于

  • 線程利用率大幅提高。當線程需要做阻塞操作時及時切換避免長時間占有線程,整個流程無阻塞。

  • RxJava統一了線程池模型。我們可以根據不同的場景選擇對應的線程調度模型。

  • 極致線程模型變得可能。理論上只需要cpu核數個線程就可以運行所有computation任務,這意味線程切換帶來的開銷幾乎被消除。

應用改造

響應式全異步編程天生拒絕阻塞,任何阻塞點都可能導致性能的退步。更嚴重的如果我們控制了線程數,當任務因為阻塞而產生堆積,隨著堆積的任務變多應用會gc影響線上服務。目前閑魚應用中存在4類阻塞點

  • 應用日志。

  • HTTP請求。

  • RPC調用。

  • 緩存讀寫。

閑魚中的日志不僅僅作為異常輸出手段,也是數據統計的一個主要方法。因為日志的性能顯得很重要。雖然log4j和logback都提供了異步方式,但是它們本質上還是基于鎖來實現。log4j2是新一代的基于LMAX Disruptor的無鎖異步日志系統,在多線程程序中,其吞吐量比log4j和logback高10倍左右。

而HTTP,RPC以及緩存的讀寫都需要改造成純異步方式:當請求發生時線程被釋放,請求完成后繼續在新的線程中執行余下業務流程。

執行范式

對閑魚中的場景進行一下歸納,可以梳理出三種執行范式,下面會分別簡單展示這三種范式。為了簡單起見,其中涉及到的IO操作都用一個函數加以抽象。

串行請求以常用的電商場景為例,查看我買的商品詳情。業務流程上要先查詢訂單詳情,然后從訂單詳情中拿到商品,最后根據商品去查詢商品詳情。

并發請求商品詳情中往往還會有一些額外的信息,比如瀏覽量以及留言內容。瀏覽量和留言它們彼此是互不依賴的,但是都依賴查到的商品信息。

更新緩存熱門商品詳情往往意味高并發訪問,我們可以將這些數據緩存來減輕數據庫的壓力。但是緩存成功與否都不影響本次請求(緩存失敗導致下次請求仍然走db,本次請求的數據仍然返回給用戶)。更新緩存本質上代表這樣一類操作,它們在請求完成后執行一些額外的操作(緩存,通知用戶,日志記錄等),這些額外操作的成功與否不對主流程造成任何影響。

需要強調的是上面流中所有的方法都對應著一次IO操作(RPC,緩存讀寫等),這些IO操作都應該是全異步方式實現(不能等待IO完成,而是IO完成后主動喚醒)。幸運的是已經有一些第三方庫來幫我們完成這些IO異步化。

改造結果

我們對改造完的接口進行了一輪性能測試,分別從接口rt,線程數以及cpu利用率三個方面對阻塞式執行和響應式純異步方式進行對比

rt因為我們在異步方式中增加了并行操作, 所以rt降低是必然的,rt下降50%左右。當請求QPS達到650的時候,傳統阻塞方式rt飆升,服務開始不可用;響應式純異步方式rt較為穩定,QPS達到850的時候開始明顯上漲。

線程數阻塞式執行方式因為在IO發生時線程會等待IO完成,而異步方式下線程直接釋放,所以異步方式下線程利用效率明顯更高。下面的測試結果也表面異步方式的線程數一直較為穩定;阻塞模式下線程在QPS到達650時被耗盡,這意味著新的請求將被直接拒絕。

CPU由于異步模式下我們增加了并發,因此CPU使用必然會較阻塞模式高,測試結果也說明了這一點。然而當QPS到達650的時候,阻塞模式下服務已經不可用,因此CPU利用率最高只能到達75%左右;而異步模式CPU能夠到達97%。

總結

本文介紹了響應式編程在閑魚的應用現狀,我們選用了RxJava作為響應式編程框架,并選取了閑魚留言列表,魚塘首頁以及魚塘詳情頁進行改造并進行了性能測試。測試數據表明閑魚群聊首頁場景下,在rt降低50%的同時整個系統的吞吐量能提升約30%。

目前響應式純異步編程在閑魚仍然處于起步階段,我們的線程池模型仍然沒法做到極致(暫時沒法完全消除阻塞點)。接下來會朝著極致線程模型進行嘗試,可能的改造點包括

  • 阻塞點消除。

  • cpu核數個線程來調度所有的computation任務。

  • 底層的IO線程模型統一。現在IO操作(RPC,HTTP,緩存)都是各自維護自己的線程池,理論上這些線程池都可以趨于統一。

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