救火必备！问题排查与系统优化手册

我就是我 2022-12-01 05:13 228阅读 0赞

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阿里妹导读：软件工程领域存在一个共识：维护代码所花费的时间要远多于写代码。而整个代码维护过程中，最惊心动魄与扣人心弦的部分，莫过于问题排查（Trouble-shooting）了。特别是那些需要 7x24 小时不间断维护在线业务的一线服务端程序员们，大大小小的问题排查线上救火早已成为家常便饭，一不小心可能就吃成了自助餐 —— 竖着进躺着出，吃不了也兜不住。本文分享作者在服务端问题排查方面的一些经验，包括常见问题、排查流程、排查工具，结合实际项目中发生过的惨痛案例进行现身说法。

文末福利：10+ 技术领域知识图谱下载。

**一  问题排查**

1  常见问题

> Know Your Enemy：知己知彼，百战不殆。

日常遇到的大部分问题，大致可以归到如下几类：

*  逻辑缺陷：e.g. NPE、死循环、边界情况未覆盖。

*  性能瓶颈：e.g. 接口 RT 陡增、吞吐率上不去。

*  内存异常：e.g. GC 卡顿、频繁 FGC、内存泄露、OOM

*  并发/分布式：e.g. 存在竞争条件、时钟不同步。

*  数据问题：e.g. 出现脏数据、序列化失败。

*  安全问题：e.g. DDoS 攻击、数据泄露。

*  环境故障：e.g. 宿主机宕机、网络不通、丢包。

*  操作失误：e.g. 配置推错、删库跑路（危险动作，请勿尝试..）。

上述分类可能不太完备和严谨，想传达的点是：你也可以积累一个这样的 checklist，当遇到问题百思不得其解时，耐心过一遍，也许很快就能对号入座。

2  排查流程

> 医生：小王你看，这个伤口的形状，像不像一朵漂浮的白云？
> 
>  
> 
> 病人：...再不给我包扎止血，就要变成火烧云了。

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**快速止血**

问题排查的第一步，一定是先把血止住，及时止损。如何快速止血？常见方式包括：

*  发布期间开始报错，且发布前一切正常？啥也别管，先回滚再说，恢复正常后再慢慢排查。

*  应用已经稳定运行很长一段时间，突然开始出现进程退出现象？很可能是内存泄露，默默上重启大法吧。

*  只有少数固定机器报错？试试隔离这部分机器（关闭流量入口）。

*  单用户流量突增导致服务不稳定？如果不是惹不起的金主爸爸，请勇敢推送限流规则。

*  下游依赖挂了导致服务雪崩？还想什么呢，降级预案走起。

**保留现场**

血止住了？那么恭喜你，至少故障影响不会再扩大了。卸下锅，先喘口气再说。下一步，就是要根据线索找出问题元凶了。作为一名排查老手，你需要有尽量保留现场的意识，例如：

*  隔离一两台机器：将这部分机器入口流量关闭，让它们静静等待你的检阅。

*  Dump 应用快照：常用的快照类型一般就是线程堆栈和堆内存映射。

*  所有机器都回滚了，咋办？别慌，如果你的应用监控运维体系足够健全，那么你还有多维度的历史数据可以回溯：应用日志、中间件日志、GC 日志、内核日志、Metrics 指标等。

**定位原因**

OK，排查线索也有了，接下来该怎么定位具体原因？这个环节会综合考验你的技术深度、业务熟悉度和实操经验，因为原因往往都千奇百怪，需要 case by case 的追踪与分析。这里给出几个排查方向上的建议：

*  关联近期变更：90% 以上的线上问题都是由变更引发，这也是为什么集团安全生产的重点一直是在管控“变更”。所以，先不要急着否认（“肯定不是我刚加的那行代码问题！”），相信统计学概率，好好 review 下近期的变更历史（从近至远）。

*  全链路追踪分析：微服务和中台化盛行的当下，一次业务请求不经过十个八个应用处理一遍，都不好意思说自己是写 Java 的。所以，不要只盯着自己的应用不放，你需要把排查 scope 放大到全链路。

*  还原事件时间线：请把自己想象成福尔摩斯（柯南也行），摆在你面前的就是一个案发现场，你需要做的是把不同时间点的所有事件线索都串起来，重建和还原整个案发过程。要相信，时间戳是不会骗人的。

*  找到 Root Cause：排查问题多了你会发现，很多疑似原因往往只是另一个更深层次原因的表象结果之一。作为福尔摩斯，你最需要找到的是幕后凶手，而不是雇佣的杀人犯 —— 否则 TA 还会雇人再来一次。

*  尝试复现问题：千辛万苦推导出了根因，也不要就急着开始修 bug 了。如果可以，最好能把问题稳定复现出来，这样才更有说服力。这里提醒一点：可千万别在生产环境干这事（除非你真的 know what you're doing），否则搞不好就是二次伤害（你：哈哈哈，你看，这把刀当时就是从这个角度捅进去的，轨迹完全一样。用户：...）。

**解决问题**

最后，问题根因已经找到，如何完美解决收尾？几个基本原则：

*  修复也是一种变更，需要经过完整的回归测试、灰度发布；切忌火急火燎上线了 bugfix，结果引发更多的 bugs to fix。

*  修复发布后，一定要做线上验证，并且保持观察一段时间，确保是真的真的修复了。

*  最后，如果问题已经上升到了故障这个程度，那就拉上大伙好好做个故障复盘吧。整个处理过程一定还有提升空间，你的经验教训对其他同学来说也是一次很好的输入和自查机会：幸福总是相似的，故障也是。

3  排查⼯具

> 手里只有锤子，那看什么都像钉子。作为工程师，你需要的是一整套工具箱。

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问题排查其实就是一次持续观测应用行为的过程。为了确保不遗漏关键细节，你需要让自己的应用变得更“可观测（Observable）。

提升应用可观测性有三大利器：日志（Logging）、监控（Metrics）、追踪（Tracing）。在我之前所做的项目中，这三块能力分别是由 SLS、Alimonitor / AliMetrics / Tsar、EagleEye 提供的，这里就不再展开描述了。

另外也很推荐 Arthas 这个工具，非常实用和顺手，相信很多同学都已经用过。

**二  系统优化**

只学会了问题排查还远远不够（当然技能必须点满，shit always happen），再熟练也只是治标不治本。如果想从根源上规避问题，必须从系统本身出发：按照性能、稳定性和可维护性三个方向，持续优化你的系统实现，扼杀问题于摇篮之中，让自己每天都能睡个安稳觉。

> 老板：既要快，又要稳，还要好。哦，工资的事你别担心，下个月一定能发出来。

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系统优化的三个基本方向：性能（Performance）、稳定性（Stability）、可维护性（Maintainability）。三者之间并不是完全独立的，而是存在着复杂的相互作用关系，有时甚至会此消彼长。

最优秀的软件系统，并非要把这三个方向都做到极致，而是会根据自己实际的业务需求和场景合理取舍，在这三者之间达到一个综合最优的动态平衡状态，让各方面都能做到足够好即可。

所以，优化不只是一门科学，也是一门艺术。

1  性能优化

> 问：要跑出最快的圈速，是车手重要，还是赛车重要？
> 
> 答：全都重要。

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没有哪个男人会不喜欢高性能跑车，也没有哪个女人会希望在看李佳琦直播时突然卡顿。

性能，是各行各业工程师们共同追求的终极浪漫。

**性能指标**

指标（Indicators）是衡量一件事物好坏的科学量化手段。对于性能而言，一般会使用如下指标评估：

*  吞吐率（Throughput）：系统单位时间内能处理的工作负载，例如：在线 Web 系统 - QPS/TPS，离线数据分析系统 - 每秒处理的数据量。

*  响应时间（Response Time）：以  Web 请求处理为例，响应时间（RT）即请求从发出到收到的往返时间，一般会由网络传输延迟、排队延迟和实际处理耗时几个部分共同组成。

*  可伸缩性（Scalability）：系统通过增加机器资源（垂直/水平）来承载更多工作负载的能力；投入产出比越高（理想情况是线性伸缩），则说明系统的可伸缩性越好。

此外，同一个系统的吞吐率与响应时间，一般还会存在如下关联关系：吞吐率小于某个临界值时，响应时间几乎不变；一旦超出这个临界值，系统将进入超载状态（overloaded），响应时间开始线性增长。对于一个有稳定性要求的系统，需要在做性能压测和容量规划时充分考虑这个临界值的大小。

注：其实按更严谨的说法，性能就是单指一个系统有多“快”；上述部分指标并不纯粹只代表系统快慢，但也都与快慢息息相关。

**性能分析**

古人有句老话，If you can't measure it, you can't improve It.

要优化一个系统的性能（例如Web请求响应时间），你必须首先准确地测量和分析出，当前系统的性能究竟差在哪：是请求解析不够快，还是查询 DB 太慢？如果是后者，那又是扫描数据条目阶段太慢，还是返回结果集太慢？或者会不会只是应用与 DB 之间的网络延迟太大？

任何复杂请求的处理过程，最终都可以拆解出一系列并行/串行的原子操作。如果只是逮住哪个就去优化哪个，显然效率不会太高（除非你运气爆棚）。更合理的做法，应该是坚持 2/8 原则：优先分析和优化系统瓶颈，即当前对系统性能影响最大的原子操作；他们很可能就是 ROI 最高的优化点。

具体该如何去量化分析性能？这里列出了一些工具参考：

*  系统层面：tsar、top、iostat、vmstat
 *  网络层面：iftop、tcpdump、wireshark
 *  数据库层面：SQL explain、CloudDBA
 *  应用代码层面：JProfiler、Arthas、jstack

其中很多工具也是问题排查时常用的诊断工具；毕竟，无论是性能分析还是诊断分析，目的都是去理解一个系统和他所处的环境，所需要做的事情都是相似的。

**优化原则**

你应该做的：上面已经提了很多，这里再补充一点：性能优化与做功能需求一样，都是为业务服务的，因此优化时千万不要忙着自嗨，一定要结合目标需求和应用场景 —— 也许这块你想做的优化，压根线上就碰不到；也许那块很难做的优化，可以根据流量特征做非通用的定制优化。

你不应该做的：即老生常谈的提前优化（Premature-optimization）与过度优化（Over-optimization） —— 通常而言（并不绝对），性能优化都不是免费的午餐，优化做的越多，往往可维护性也会越差。

**优化手段**

常用的性能优化手段有哪些？我这里总结了 8 个套路（最后 1 个是小霸王多合一汇总套路）。

1）简化

> 有些事，你可以选择不做。

*  业务层面：e.g. 流程精简、需求简化。
 *  编码层面：e.g. 循环内减少高开销操作。
 *  架构层面：e.g. 减少没必要的抽象/分层。
 *  数据层面：e.g. 数据清洗、提取、聚合。

2）并行

> 有些事，你可以找人一起做。

方式：单机并行（多线程）、多机并行（分布式）。

优点：充分利用机器资源（多核、集群）。

缺点：同步开销、线程开销、数据倾斜。

*  同步优化：乐观锁、细粒度锁、无锁。
 *  线程替代（如协程：Java WISP、Go routines、Kotlin coroutines）。
 *  数据倾斜：负载均衡（Hash / RR / 动态）。

3）异步

> 有些事，你可以放手，不用死等。

方式：消息队列 + 任务线程 + 通知机制。

优点：提升吞吐率、组件解耦、削峰填谷。

缺点：排队延迟（队列积压）。

*  避免过度积压：Back-pressure（Reactive思想）。

4）批量

> 有些事，你可以合起来一起做。

方式：多次单一操作 → 合并为单次批量操作。

案例：TCP Nagel 算法；DB 的批量读写接口。

优点：避免单次操作的固有开销，均摊后总开销更低。

缺点：等待延迟 + 聚合延迟。

*  减少等待延迟：Timeout 触发提交，控制延迟上限。

5）时间空间互换

> 游戏的本质：要么有闲，要么有钱。

空间换时间：避免重复计算、拉近传输距离、分流减少压力。

*  案例：缓存、CDN、索引、只读副本（replication）。

时间换空间：有时候也能达到“更快”的效果（数据量减少 → 传输时间减少）。

*  案例：数据压缩（HTTP/2 头部压缩、Bitmap）。

6）数据结构与算法优化

> 程序 = 数据结构 + 算法

*  多了解一些“冷门”的数据结构 ：Skip list、Bloom filter、Time Wheel 等。

*  一些“简单”的算法思想：递归、分治、贪心、动态规划。

7）池化 & 局部化

> 共享经济 & 小区超市

池化（Pooling）：减少资源创建和销毁开销。

*  案例：线程池、内存池、DB 连接池、Socket 连接池。

局部化（Localization）：避免共享资源竞争开销。

*  案例：TLB（ThreadLocalBuffer）、多级缓存（本地局部缓存 -> 共享全局缓存）。

8）更多优化手段

*  升级红利：内核、JRE、依赖库、协议。
 *  调参大师：配置、JVM、内核、网卡。
 *  SQL 优化：索引、SELECT \*、LIMIT 1。
 *  业务特征定制优化：e.g. 凌晨业务低峰期做日志轮转。
 *  Hybrid 思想（优点结合）：JDK sort() 实现、Weex/RN。

2  稳定性优化

> 稳住，我们能赢。—— by \[0 杀 10 死\] 正在等待复活的鲁班七号

维持稳定性是我们程序员每天都要思考和讨论的大事。

什么样的系统才算稳定？我自己写了个小工具，本地跑跑从来没出过问题，算稳定吗？淘宝网站几千人维护，但双十一零点还是经常下单失败，所以它不稳定喽？

稳定是相对的，业务规模越大、场景越复杂，系统越容易出现不稳定，且带来的影响也越严重。

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**衡量指标**

不同业务所提供的服务类型千差万别，如何用一致的指标去衡量系统稳定性？标准做法是定义服务的可用性（Availability）：只要对用户而言服务“可用”，那就认为系统当前是稳定的；否则就是不稳定。用这样的方式，采集和汇总后就能得到服务总的可用/不可用比例（服务时长 or 服务次数），以此来监测和量化一个系统的稳定性。

可是，通过什么来定义某个服务当前是否可用呢？这一点确实跟业务相关，但大部分同类业务都可以用类似的方式去定义。例如，对于一般的 Web 网站，我们可以按如下方式去定义服务是否可用：API 请求都返回成功，且页面总加载时间 < 3 秒。

对于阿里云对外提供的云产品而言，服务可用性是一个更加需要格外重视并持续提升的指标：阿里云上的很多用户会同时使用多款云产品，其中任何一款产品出现可用性问题，都会直接被用户的用户感知和放大。所以，越是底层的基础设施，可用性要求就越高。关于可用性的更多细节指标和概念（SLI / SLO / SLA），可进一步参考云智能 SLA  了解。

**可用性测量**

有了上述可用性指标定义后，接下来该如何去准确测量系统的可用性表现？一般有如下两种方式。

1）探针模拟

从客户端侧，模拟用户的调用行为。

*  优点：数据真实（客户端角度）
 *  缺点：数据不全面（单一客户数据）

2）服务端采集

从服务端侧，直接分析日志和数据。

*  优点：覆盖所有调用数据。
 *  缺点：缺失客户端链路数据。

对可用性数据要求较高的系统，也可以同时运用上述两种方式，建议结合你的业务场景综合评估选择。

**优化原则**

你应该做的：关注 RT 的数据分布（如：p50/p99/p999 分位点），而不是平均值（mean） —— 平均值并没有太大意义，更应该去关注你那 1%、0.1% 用户的准确感受。

你不应该做的：不要尝试承诺和优化可用性到 100% —— 一方面是无法实现，存在太多客观不可控因素；另一方面也没有意义，客户几乎关注不到 0.001% 的可用性差别。

**优化手段**

常用的稳定性优化手段有哪些？这里也总结了 8 个套路：

1）避免单点

> 父母：一个人在外漂了这么多年，也该找个人稳定下来了。

如何避免？

*  集群部署
 *  数据副本
 *  多机房容灾

只堆量不够，还需要具备故障转移能力（Failover）。

*  接入层：DNS、VipServer、SLB。
 *  服务层：服务发现 + 健康检查 + 剔除机制。
 *  应用层：无状态设计（Stateless），便于随时和快速切换。

2）流控/限流

> 计划生育、上学调剂、车牌限号、景区限行... 人生处处被流控。

*  类型：QPS 流控、并发度流控。
 *  工具：RateLimiter、信号量、Sentinel。
 *  粒度：全局、用户级、接口级。
 *  热点流控：避免意料之外的突增流量。

3）熔断

> 上午买的股票熔断，晚上家里保险丝熔断... 淡定，及时止损而已。

*  目的：防止连锁故障（雪崩效应）。
 *  工具：Hystrix、Failsafe、Resilience4j。
 *  功能：自动绕开异常服务并检测恢复状态。
 *  流程：关闭 → 打开 → 半开。

4）降级

> 没时间做饭了，今天就吃外卖吧... 对于健康问题，还是得少一点降级。

触发原因：流控、熔断、负载过高。

常见降级方式：

*  关闭非核心功能：停止应用日志打印
 *  牺牲数据时效性：返回缓存中旧数据
 *  牺牲数据精确性：降低数据采样频率

5）超时/重试

> 钉钉不回怎么办？每 10 分钟 ping 一次，超过 1 小时打电话。

超时：避免调用端陷入永久阻塞。

*  超时时间设置：全链路自上而下规划
 *  Timeout vs. Deadline：使用绝对时间会更好

重试：确保可重试操作的幂等性。

*  消息去重
 *  异步重试
 *  指数退避

6）资源设限

> 双 11 如何避免女友败家？提前把自己信用卡额度调低。

*  目的：防止资源被异常流量耗尽
 *  资源类型：线程、队列、DB 连接
 *  设限方式：资源池化、有界队列
 *  超限处理：返回 ServiceUnavailable / QuotaExceeded

7）资源隔离

> 双 12 女友还是要败家？得嘞刷你自个的卡吧，别动我的。

*  目的：防止资源被部分异常流量耗尽；为 VIP 客户提供服务质量保证（QoS）。

*  隔离方式：队列划分、独立集群；注意处理优先级和资源分配比例。

8 ）安全生产

> 女友哭着说再让我最后剁一次手吧？安全第一，宁愿心疼也不要肉疼。

程序动态性：开关、配置、热升级。

*  Switch：类型安全；侵入性小。

审核机制：代码 Review、发布审批。

灰度发布；分批部署；回滚预案。

*  DUCT：自动/手动调整 HSF 节点权重。

3  可维护性优化

> 前人栽树，后人乘凉。  
> 前人挖坑，后人凉凉。

维护的英文是 maintain，也能翻译成：维持、供给。所以软件维护能有多重要？它就是软件系统的呼吸机和食物管道，维持软件生命的必要供给。

系统开发完成上线，不过只是把它“生”下来而已。软件真正能发挥多大价值，看的是交付后持续的价值兑现过程 —— 是不断茁壮成长，为用户发光发热？还是慢慢堕落，逐渐被用户所遗忘？这并不是取决于它当下瞬时是否足够优秀（性能）和靠谱（稳定），而是取决于未来 —— 能否在不断变化的市场环境、客户需求和人为因素中，始终保持足够优秀和靠谱，并且能越来越好。

相比性能和稳定性而言，可维护性所体现的价值往往是最长远、但也最难在短期内可兑现的，因此很多软件项目都选择了在前期牺牲可维护性。这样决策带来的后果，就跟架构设计一样，是几乎无法（或者需要非常高的成本）去弥补和挽回的。太多的软件项目，就是因为越来越不可维护（代码改不动、bug 修不完、feature 加不上），最后只能慢慢沦落为一个谁都不想碰的遗留项目。

**衡量指标**

相比性能和稳定性而言，可维护性确实不太好量化（艺术成分 > 科学成分）。这里我选取了几个偏定性分析的指标：

1）复杂度（Complexity）：是否复杂度可控？

*  编码：简洁度、命名一致性、代码行数等。

*  架构：组件耦合度、层次清晰度、职责单一性等。

2）可扩展性（Extensibility）：是否易于变更？

*  需要变更代码或配置时，是否简单优雅、不易出错。

3）可运维性（Operability）：是否方便运维？

*  日志、监控是否完善；部署、扩容是否容易。

**重要性**

这里给了几个观点，进一步强调可维护性的重要性。

*  软件生命周期：维护周期 >> 开发周期。

*  破窗效应、熵增定律：可维护性会趋向于越来越差。

*  遗留系统的危害：理解难度，修改成本，变更风险；陷入不断踩坑、填坑、又挖坑的循环。

**优化原则**

你应该做的：遵循 KISS 原则、DRY 原则、各种代码可读性和架构设计原则等。

你不应该做的：引入过多临时性、Hack 代码；功能 Work 就 OK，欠一堆技术债（出来混总是要还的）。

**优化手段**

常用的可维护性优化手段有哪些？这里我总结了 4 个套路：

1）编码规范

> 无规矩，不成方圆。

*  编码：推荐《Java 开发手册》，另外也推荐 The Art of Readable Code 这本书。

*  日志：无盲点、无冗余、TraceID。

*  测试：代码覆盖度、自动化回归。

2）代码重构

> 别灰心，代码还有救。

*  何时重构：任何时候代码中嗅到坏味道（bad smell）。

*  重构节奏：小步迭代、回归验证。

*  重构 vs. 重写：需要综合考虑成本、风险、并行版本维护等因素。

*  推荐阅读：Refactoring: Improving the Design of Existing Code。

3）数据驱动

> 相信数据的力量。

*  系统数据：监控覆盖、Metrics 采集等，对于理解系统、排查问题至关重要。

*  业务数据：一致性校验、旧数据清理等；要相信，数据往往比代码要活得更久。

4）技术演进

> 技术是第一生产力。

*  死守阵地 or 紧跟潮流? 需要综合评估风险、生产力、学习成本。

*  当前方向：微服务化、容器化。

**三  结语**

> Truth lies underneath the skin - 真理永远暗藏在表象底下。

对，就在这句话底下。

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