阿里P8架构师谈:什么是缓存雪崩?服务器雪崩的场景与解决方案

什么是应用服务雪崩

雪崩问题

分布式系统都存在这样一个问题,由于网络的不稳定性,决定了任何一个服务的可用性都不是 100% 的。当网络不稳定的时候,作为服务的提供者,自身可能会被拖死,导致服务调用者阻塞,最终可能引发雪崩连锁效应。

缓存雪崩

当缓存服务器重启或者大量缓存集中在某一个时间段失效,这样在失效的时候,也会给后端系统(比如DB)带来很大压力,造成数据库后端故障,从而引起应用服务器雪崩。

雪崩效应产生的几种场景

  • 流量激增:比如异常流量、用户重试导致系统负载升高;
  • 缓存刷新:假设A为client端,B为Server端,假设A系统请求都流向B系统,请求超出了B系统的承载能力,就会造成B系统崩溃;
  • 程序有Bug:代码循环调用的逻辑问题,资源未释放引起的内存泄漏等问题;
  • 硬件故障:比如宕机,机房断电,光纤被挖断等。
  • 数据库严重瓶颈,比如:长事务、sql超时等。
  • 线程同步等待:系统间经常采用同步服务调用模式,核心服务和非核心服务共用一个线程池和消息队列。如果一个核心业务线程调用非核心线程,这个非核心线程交由第三方系统完成,当第三方系统本身出现问题,导致核心线程阻塞,一直处于等待状态,而进程间的调用是有超时限制的,最终这条线程将断掉,也可能引发雪崩;

缓存雪崩的解决方案

缓存失效的几种情况:

1、缓存服务器挂了

2、高峰期缓存局部失效

3、热点缓存失效

解决方案:

1、避免缓存集中失效,不同的key设置不同的超时时间

2、增加互斥锁,控制数据库请求,重建缓存。

3、提高缓存的HA,如:redis集群。

雪崩的整体解决方案

一般情况对于服务依赖的保护主要有3种解决方案:

(1)熔断模式

这种模式主要是参考电路熔断,如果一条线路电压过高,保险丝会熔断,防止火灾。放到我们的系统中,如果某个目标服务调用慢或者有大量超时,此时,熔断该服务的调用,对于后续调用请求,不在继续调用目标服务,直接返回,快速释放资源。如果目标服务情况好转则恢复调用。

重点监控的机器性能指标

  • cpu(Load) cpu使用率/负载
  • memory 内存
  • mysql监控长事务(这里与sql查询超时是紧密结合的,需要重点监控)
  • sql超时
  • 线程数等

总之,除了cpu、内存、线程数外,重点监控数据库端的长事务、sql超时等,绝大多数应用服务器发生的雪崩场景,都是来源于数据库端的性能瓶颈,从而先引起数据库端大量瓶颈,最终拖累应用服务器也发生雪崩,最后就是大面积的雪崩。

(2)隔离模式

这种模式就像对系统请求按类型划分成一个个小岛的一样,当某个小岛被火少光了,不会影响到其他的小岛。

例如可以对不同类型的请求使用线程池来资源隔离,每种类型的请求互不影响,如果一种类型的请求线程资源耗尽,则对后续的该类型请求直接返回,不再调用后续资源。这种模式使用场景非常多,例如将一个服务拆开,对于重要的服务使用单独服务器来部署,再或者公司最近推广的多中心。

(3)限流模式

上述的熔断模式和隔离模式都属于出错后的容错处理机制,而限流模式则可以称为预防模式。限流模式主要是提前对各个类型的请求设置最高的QPS阈值,若高于设置的阈值则对该请求直接返回,不再调用后续资源。这种模式不能解决服务依赖的问题,只能解决系统整体资源分配问题,因为没有被限流的请求依然有可能造成雪崩效应。

熔断设计

在熔断的设计主要参考了hystrix的做法。其中最重要的是三个模块:熔断请求判断算法、熔断恢复机制、熔断报警

(1)熔断请求判断机制算法:使用无锁循环队列计数,每个熔断器默认维护10个bucket,每1秒一个bucket,每个blucket记录请求的成功、失败、超时、拒绝的状态,默认错误超过50%且10秒内超过20个请求进行中断拦截。

(2)熔断恢复:对于被熔断的请求,每隔5s允许部分请求通过,若请求都是健康的(RT<250ms)则对请求健康恢复。

(3)熔断报警:对于熔断的请求打日志,异常请求超过某些设定则报警。

隔离设计

隔离的方式一般使用两种

(1)线程池隔离模式:使用一个线程池来存储当前的请求,线程池对请求作处理,设置任务返回处理超时时间,堆积的请求堆积入线程池队列。这种方式需要为每个依赖的服务申请线程池,有一定的资源消耗,好处是可以应对突发流量(流量洪峰来临时,处理不完可将数据存储到线程池队里慢慢处理)

(2)信号量隔离模式:使用一个原子计数器(或信号量)来记录当前有多少个线程在运行,请求来先判断计数器的数值,若超过设置的最大线程个数则丢弃改类型的新请求,若不超过则执行计数操作请求来计数器+1,请求返回计数器-1。这种方式是严格的控制线程且立即返回模式,无法应对突发流量(流量洪峰来临时,处理的线程超过数量,其他的请求会直接返回,不继续去请求依赖的服务)

超时机制设计

(1)超时分两种,一种是请求的等待超时,一种是请求运行超时。

(2)等待超时:在任务入队列时设置任务入队列时间,并判断队头的任务入队列时间是否大于超时时间,超过则丢弃任务。

(3)运行超时:直接可使用线程池提供的get方法。

如何提前发现雪崩

就是首先让系统不雪崩,然后通过监控发现请求正在接近或者超过阀值,然后再根据具体情况处理,这个接近或者超过阀值的过程,可以称为 “提前发现雪崩”。

以上就是应用服务雪崩的场景以及技术方案总结,以下是最新阿里P8架构师谈架构设计系列文章。

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