你開(kāi)發(fā)了一個(gè)服務(wù)，調(diào)用它，它做了一些事情并返回結(jié)果。那么，它需要花多長(zhǎng)時(shí)間？為什么有時(shí)候它花的時(shí)間比用戶期望的要長(zhǎng)？在這篇文章中，我將從最基礎(chǔ)的講起，然后逐步介紹一些標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(yǔ)，同時(shí)著重強(qiáng)調(diào)一些需要知道的關(guān)鍵點(diǎn)。

　　首先，我們需要一種方式來(lái)度量時(shí)長(zhǎng)，還需要理解兩個(gè)完全不同的度量角度。從調(diào)用服務(wù)的外部用戶角度來(lái)看，我們需要度量響應(yīng)時(shí)間。從服務(wù)處理請(qǐng)求的角度來(lái)看，我們需要度量服務(wù)時(shí)間。這就引出了第一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，人們常常分不清一些指標(biāo)。

　　對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是響應(yīng)時(shí)間（Response Time），對(duì)于服務(wù)來(lái)說(shuō)是服務(wù)時(shí)間（Service Time）。

　　在真實(shí)世界里，每一個(gè)處理過(guò)程都包含了很多步驟，每個(gè)步驟都需要占用一些時(shí)間。步驟占用的時(shí)間叫作駐留時(shí)間（Residence Time），駐留時(shí)間由等待時(shí)間（Wait Time）和服務(wù)時(shí)間組成。以用戶登錄 App 為例，一個(gè)用戶登錄手機(jī) App，App 會(huì)調(diào)用 Web 服務(wù)進(jìn)行用戶認(rèn)證。為什么有時(shí)候會(huì)很慢？按理說(shuō)，每一次手機(jī)上生成請(qǐng)求的時(shí)間、將請(qǐng)求傳輸給 Web 服務(wù)的時(shí)間、查詢用戶的時(shí)間、返回結(jié)果并顯示下一個(gè)屏幕的時(shí)間應(yīng)該是一樣的。造成響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短不一的是排隊(duì)時(shí)間，也就是等待正在處理其他請(qǐng)求的資源。從手機(jī)到認(rèn)證服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸需要經(jīng)過(guò)很多跳，每一跳前面都有等待被發(fā)送的數(shù)據(jù)包。如果隊(duì)列是空的或者隊(duì)列很短，那么響應(yīng)速度就很快，如果隊(duì)列很長(zhǎng)，響應(yīng)就很慢。當(dāng)請(qǐng)求達(dá)到服務(wù)器時(shí)，也需要排隊(duì)等待 CPU 處理。如果需要查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，還需要排到另一個(gè)隊(duì)列里。

　　排隊(duì)等待是導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間增加的主要原因。

　　監(jiān)控工具會(huì)提供一個(gè)叫作吞吐量（Throughput）的指標(biāo)，用來(lái)度量處理頻度。在某些情況下，我們也會(huì)得到一個(gè)叫作到達(dá)率（Arrival Rate）的指標(biāo)，用于度量到達(dá)服務(wù)器的請(qǐng)求的速率。在理想情況下，比如一個(gè)具有穩(wěn)定工作負(fù)載狀態(tài)的 Web 服務(wù)，一個(gè)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一個(gè)響應(yīng)，那么吞吐量和到達(dá)率是一樣的。不過(guò)，重試和錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致到達(dá)率增加，但吞吐量不會(huì)增加。對(duì)于快速變化的工作負(fù)載或者需要長(zhǎng)時(shí)間處理的請(qǐng)求（比如批次作業(yè)），會(huì)出現(xiàn)到達(dá)率和吞吐量之間的不均衡，并產(chǎn)生更為復(fù)雜的請(qǐng)求模式。

　　吞吐量是指已經(jīng)成功處理完的請(qǐng)求數(shù)量，它跟達(dá)到率是不一樣的。

　　我們可以通過(guò)一些跟蹤系統(tǒng)（比如 Zipkin 或 AWS X-Ray）來(lái)跟蹤單個(gè)請(qǐng)求流，不過(guò)我們這里討論的是大量請(qǐng)求以及它們之間的交互關(guān)系。我們通過(guò)固定的時(shí)間間隔來(lái)度量均值，時(shí)間間隔可以是秒、分鐘、小時(shí)或天。計(jì)算均值需要足夠多的數(shù)據(jù)，一般來(lái)說(shuō)每個(gè)均值至少需要 20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

　　如果請(qǐng)求不是很頻繁，請(qǐng)選擇一個(gè)至少包含 20 個(gè)請(qǐng)求的時(shí)間間隔，這樣才有可能得到比較有用的信息。

　　如果選擇的時(shí)間間隔太大，會(huì)導(dǎo)致工作負(fù)載的變化被隱藏掉。例如，對(duì)于視頻會(huì)議系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，大部分會(huì)話會(huì)在一個(gè)小時(shí)的頭一分鐘左右啟動(dòng)，并且很容易在這些時(shí)間段達(dá)到峰值，讓系統(tǒng)發(fā)生過(guò)載，如果時(shí)間間隔是小時(shí)，這些信息就會(huì)丟失掉。所以，對(duì)于這種情況，時(shí)間間隔設(shè)為秒更為恰當(dāng)。

　　對(duì)于變化快的工作負(fù)載，可以使用秒級(jí)的均值。

　　監(jiān)控工具各種各樣，但一般很少會(huì)直接告訴我們等待隊(duì)列有多長(zhǎng)或有多少并發(fā)度可用來(lái)處理隊(duì)列。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)每次只傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包，但 CPU 的每個(gè)核心或 vCPU 可以并行處理隊(duì)列里的任務(wù)。數(shù)據(jù)庫(kù)通常有一個(gè)固定的最大連接數(shù)，用來(lái)限制并發(fā)度。

　　對(duì)于處理請(qǐng)求的每一個(gè)步驟，可以記錄或估計(jì)用于處理請(qǐng)求的并發(fā)度。

　　如果系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有穩(wěn)定的平均吞吐量和響應(yīng)時(shí)間，那就很容易估算等待隊(duì)列的長(zhǎng)度，只需要將吞吐量和駐留時(shí)間相乘即可。這就是所謂的利特爾法則法則（Little’s Law）。這個(gè)法則很簡(jiǎn)單，監(jiān)控工具經(jīng)常用它來(lái)估算隊(duì)列長(zhǎng)度，但它只對(duì)具有穩(wěn)定均值的系統(tǒng)有效。

　　根據(jù)利特爾法則，平均隊(duì)列長(zhǎng)度 = 平均吞吐量 * 平均駐留時(shí)間。

　　為了更好地理解這個(gè)法則的原理，我們需要知道請(qǐng)求是如何到達(dá)服務(wù)器以及請(qǐng)求之間的間隔是怎樣的。如果我們通過(guò)循環(huán)進(jìn)行簡(jiǎn)單的性能測(cè)試，請(qǐng)求之間的間隔是固定的，那么利特爾法則就無(wú)效，因?yàn)檫@樣出現(xiàn)的隊(duì)列很短，而且這樣的測(cè)試不真實(shí)。我們通常會(huì)進(jìn)行這樣的測(cè)試，以為很完美，但是在將服務(wù)部署到生產(chǎn)環(huán)境之后，眼睜睜地看著它越跑越慢，吞吐量越來(lái)越低。

　　這種速率固定的循環(huán)測(cè)試不會(huì)有隊(duì)列出現(xiàn)，它們只是在模擬傳送帶。

　　在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)世界中，用戶都是獨(dú)立的，他們發(fā)送自己的請(qǐng)求，不同用戶發(fā)送的請(qǐng)求之間的間隔是隨機(jī)的。所以，在測(cè)試時(shí)，我們需要使用可以生成具有隨機(jī)等待時(shí)間的請(qǐng)求的生成器。大多數(shù)系統(tǒng)會(huì)使用隨機(jī)分布，雖然比模擬傳送帶要好，但也是不對(duì)的。要模擬真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)流量，并讓利特爾法則生效，我們需要使用負(fù)指數(shù)分布（Negative Exponential Distribution）。Neil Cunther 博士在這篇文章中解釋了什么是負(fù)指數(shù)分布。

　　要生成更加真實(shí)的隊(duì)列，需要使用恰當(dāng)?shù)碾S機(jī)時(shí)間算法。

　　但問(wèn)題是，真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)流量并不是隨機(jī)分布的，而是帶有爆發(fā)性質(zhì)的。想象一下，當(dāng)一個(gè)用戶打開(kāi)一個(gè)手機(jī) App，它不會(huì)只發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求，而是很多個(gè)。在網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物搶購(gòu)活動(dòng)中，會(huì)有很多用戶同時(shí)打開(kāi) App，這會(huì)導(dǎo)致流量爆發(fā)。這種分布形態(tài)叫作帕累托或雙曲線。另外，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)重新配置，流量會(huì)被延遲，就會(huì)出現(xiàn)隊(duì)列，而隊(duì)列會(huì)給下游系統(tǒng)帶來(lái)閃電式的沖擊。Jim Brady 和 Neil Gunther 寫了一些腳本，演示如何配置測(cè)試工具，從而獲得更加真實(shí)的流量。Jim Brady 還寫了一篇關(guān)于如何知道負(fù)載測(cè)試好壞的論文。

　　相比常用測(cè)試工具默認(rèn)生成的流量負(fù)載，真實(shí)世界的流量負(fù)載更具爆發(fā)性，會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的等待隊(duì)列和響應(yīng)時(shí)間。

　　等待隊(duì)列和響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該是變化的，而且即使是在使用率很低的時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)一些很慢的請(qǐng)求處理速度。那么，當(dāng)處理步驟中的某一步開(kāi)始變慢時(shí)會(huì)怎樣？當(dāng)使用率增加，一些處理步驟沒(méi)有足夠的可用資源（比如網(wǎng)絡(luò)傳輸），那么請(qǐng)求相互爭(zhēng)奪資源的情況就會(huì)增加，駐留時(shí)間也會(huì)增加。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用率達(dá)到 50% 到 70% 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)逐漸變慢。

　　將網(wǎng)絡(luò)使用率保持在 50% 以下可用獲得更好的延時(shí)。

　　對(duì)于并行度高的 CPU，在使用率較高的情況下，速度會(huì)變得更慢，影響也更大，大到令你吃驚。如果你將最后一個(gè)可用的 CPU 看作爭(zhēng)用點(diǎn)，那么這就很直觀了。例如，如果有 16 個(gè) vCPU，最后可用的 CPU 具有 6.25% 的處理能力，那么使用率就是 93.75%。對(duì)于具有 100 個(gè) vCPU 的系統(tǒng)，它的使用率約為 99%。在穩(wěn)定狀態(tài)下，公式 R=S/(1-U^N) 可用來(lái)近似估算隨機(jī)到達(dá)服務(wù)器的請(qǐng)求的行為。

　　在多處理器系統(tǒng)中，隨著使用率的增加，平均駐留時(shí)間的膨脹會(huì)減少，但強(qiáng)度卻增加了。

　　使用率使用比例，而不是百分比，并將其作為處理器核數(shù)的冪底數(shù)。用 1 減掉使用率的 N 次冪，再用平均服務(wù)時(shí)間除以結(jié)果，就可以估算出平均駐留時(shí)間。如果使用率很低，平均駐留時(shí)間就會(huì)很接近平均服務(wù)時(shí)間。如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的 N=1 并且使用率為 70%，那么用平均服務(wù)時(shí)間除以 0.3，得到的平均駐留時(shí)間就是低使用率時(shí)的三倍。

　　通常情況下，我們需要將平均駐留時(shí)間保持在 2 到 3 倍以下，這樣才能獲得更短的用戶響應(yīng)時(shí)間。

　　對(duì)于一個(gè)有 16 個(gè) vCPU 并且使用率為 95% 的系統(tǒng)，0.95^16=0.44，再用平均服務(wù)時(shí)間除以 0.56，就會(huì)得到兩倍的平均駐留時(shí)間。如果使用率為 98%，那么 0.98^16=0.72，再用平均服務(wù)時(shí)間除以 0.28，平均駐留時(shí)間就會(huì)變慢，變得不可接受，而此時(shí)使用率僅增加了 3%。

　　當(dāng)多處理器系統(tǒng)的使用率很高時(shí)，一個(gè)很小的負(fù)載變化就會(huì)產(chǎn)生很大的影響，這是多處理器系統(tǒng)的一個(gè)問(wèn)題。

　　Unix/Linux 系統(tǒng)有一個(gè)指標(biāo)叫作負(fù)載平均（Load Average），人們通常對(duì)它了解得不夠透徹，它存在一些問(wèn)題。Unix 系統(tǒng)（包括 Solaris、AIX、HPUX）會(huì)記錄運(yùn)行中的和等待 CPU 的線程數(shù)，Linux 還會(huì)記錄等待 IO 阻塞的線程數(shù)，然后還使用了三種時(shí)間衰減值，分別是 1 分鐘、5 分鐘和 15 分鐘。首先我們需要知道的是，這個(gè)指標(biāo)可以追溯到 60 年代的單核 CPU 時(shí)代，所以我通常會(huì)將負(fù)載平均值除以 vCPU 的數(shù)量，從而得到具有可比性的值。其次，這個(gè)指標(biāo)與其他指標(biāo)不一樣，它沒(méi)有使用固定的時(shí)間間隔，所以它們不屬于同一種平均值。第三，這個(gè)指標(biāo)在 Linux 上的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成了一個(gè) bug，被制度化成一個(gè)系統(tǒng)特性，其結(jié)果也被夸大了。

　　負(fù)載平均這個(gè)指標(biāo)不度量負(fù)載，也不是均值，所以最好把它忽略掉。

　　如果一個(gè)系統(tǒng)超載，請(qǐng)求達(dá)到的速度超過(guò)了處理能力，使用率就達(dá)到了 100%，那么上面的那個(gè)公式的除數(shù)就是 0，這樣會(huì)導(dǎo)致駐留時(shí)間無(wú)窮大。在實(shí)際當(dāng)中，這種情況會(huì)更加糟糕，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)變慢時(shí)，上游的用戶會(huì)發(fā)送重試請(qǐng)求，這樣會(huì)加大系統(tǒng)的負(fù)載，出現(xiàn)“重試風(fēng)暴”。這個(gè)時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)很長(zhǎng)的等待隊(duì)列，無(wú)法做出響應(yīng)。

　　當(dāng)系統(tǒng)使用率達(dá)到 100% 時(shí)就會(huì)出現(xiàn)很長(zhǎng)的等待隊(duì)列，無(wú)法對(duì)請(qǐng)求做出響應(yīng)。

　　我發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的重試次數(shù)通常被配置得很大，超時(shí)被配置得很長(zhǎng)，這樣會(huì)增加工作負(fù)載，更有可能出現(xiàn)重試風(fēng)暴。之前我有深入地探討過(guò)這個(gè)問(wèn)題，后來(lái)又新寫了一篇文章。更好的做法是使用較短的超時(shí)時(shí)間和單次重試，如果有其他可用實(shí)例，最好把請(qǐng)求發(fā)給它們。

　　系統(tǒng)的重試時(shí)間不能全部設(shè)置成一樣，前端部分應(yīng)該設(shè)置得長(zhǎng)一些，后端部分應(yīng)該設(shè)置得短一些。

　　一般情況下，人們會(huì)通過(guò)重啟來(lái)清楚超載的隊(duì)列，但一個(gè)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)會(huì)限制隊(duì)列的長(zhǎng)度，并通過(guò)丟棄請(qǐng)求或做出“快速失敗”的響應(yīng)來(lái)削減流量。數(shù)據(jù)庫(kù)和其他具有固定連接數(shù)限制的服務(wù)都使用了這種方式。當(dāng)你無(wú)法獲得可用的請(qǐng)求能力就會(huì)得到一個(gè)快速失敗的響應(yīng)。如果連接數(shù)限制設(shè)置得太低，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)拒絕它本該有能力處理的請(qǐng)求，如果設(shè)置得太高，數(shù)據(jù)庫(kù)在拒絕更多請(qǐng)求之前就已經(jīng)變慢了。

　　要多想想當(dāng)系統(tǒng)使用率達(dá)到 100% 時(shí)該怎么辦，以及如何設(shè)置恰當(dāng)?shù)南拗七B接數(shù)。

　　要想在極端情況下還能保持較好的響應(yīng)速度，最好的方式是使用快速失敗響應(yīng)和削減流量。真實(shí)世界中的大部分系統(tǒng)即使是在正常情況下也會(huì)出現(xiàn)很多慢響應(yīng)。不過(guò)，我們可以通過(guò)正確的指標(biāo)監(jiān)控來(lái)解決這些問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和測(cè)試，這樣就有可能構(gòu)建出具有最大化響應(yīng)速度的系統(tǒng)。