得物 Zookeeper SLA 也可以 99.99% | 得物技术

背景

ZooKeeper(ZK)是一个诞生于2007年的分布式应用程序协调服务。尽管出于一些特殊的历史原因,许多业务场景仍然不得不依赖它。比如,Kafka、任务调度等。特别是在 Flink 混合部署 ETCD 解耦 时,业务方曾要求绝对的稳定性,并强烈建议不要使用自建的 ZooKeeper。出于对稳定性的考量,采用了阿里的 MSE-ZK。自从 2022 年 9 月份开始使用至今,我们没有遇到任何稳定性问题,SLA** 的可靠性确实达到了 99.99%。在 2023 年,部分业务使用了自建的 ZooKeeper(ZK)集群,然后使用过程中 ZK 出现了几次波动,随后得物 SRE 开始接管部分自建集群,并进行了几轮稳定性加固的尝试。接管过程中我们发现ZooKeeper在运行一段时间后,内存占用率会不断增加,容易导致内存耗尽(OOM)的问题。我们对这一现象非常好奇,因此也参与了解决这个问题的探索过程。

探索分析

确定方向

在排查问题时,我们非常幸运地发现了一个测试环境的故障现场,该集群中的两个节点恰好处于OOM的边缘状态。有了故障现场,那么一般情况下距离成功终点只剩下50%。内存偏高,按以往的经验来看,要么是非堆,要么是堆内有问题。从火焰图和jstat 都能证实:是堆内的问题。如图所示:说明 JVM 堆内存在某种资源占用了大量的内存,并且FGC都无法释放。

内存分析

为了探究 JVM 堆中内存占用分布,我们立即做了一个JVM堆Dump。分析发现 JVM 内存被 childWatches 和 dataWatches 大量占用。

dataWatches:跟踪 znode 节点数据的变化。

childWatches:跟踪 znode 节点结构(tree)的变化。

childWatches和dataWatches同源于WatcherManager。经过资料排查,我们发现 WatcherManager 主要负责管理 Watcher。ZooKeeper(ZK)客户端首先将 Watcher 注册到 ZooKeeper 服务器上,然后由 ZooKeeper 服务器使用 WatcherManager 来管理所有的 Watcher。当某个 Znode 的数据发生变更时,WatchManager** 将触发相应的 Watcher,并通过与订阅该 Znode 的 ZooKeeper 客户端的 socket 进行通信。随后,客户端的 Watch 管理器将触发相关的 Watcher 回调,以执行相应的处理逻辑,从而完成整个数据发布/订阅流程。进一步分析WatchManager,成员变量 Watch2Path、WatchTables 内存占比高达 (18.88+9.47)/31.82 = 90%。而 WatchTables、Watch2Path 存储的是 ZNode 与 Watcher 正反映射关系,存储结构图所示:

WatchTables【正向查询表】

HashMap<ZNode, HashSet>

场景:某个ZNode发生变化,订阅该ZNode的Watcher会收到通知。

逻辑:用该ZNode,通过 WatchTables 找到对应的所有 Watcher 列表,然后逐个发通知。

Watch2Paths【逆向查询表】

HashMap<Watcher, HashSet>

场景:统计某个 Watcher 到底订阅了哪些ZNode

逻辑:用该Watcher,通过 Watch2Paths 找到对应的所有 ZNode 列表

Watcher 本质是 NIOServerCnxn,可以理解成一个连接会话。

如果ZNode、和 Watcher 的数量都比较多,并且客户端订阅 ZNode 也比较多,甚至全量订阅。这两张Hash表记录的关系就会呈指数增长,最终会是一个天量! 当全订阅时,如图演示:当 ZNode数量:3,Watcher 数量:2 WatchTables 和 Watch2Paths 会各有 6 条关系 当 ZNode数量:4,Watcher 数量:3 WatchTables 和 Watch2Paths 会各有 12 条关系 通过监控我们发现,异常的ZK-Node。ZNode数量大概有20W,Watcher数量是5000。而Watcher与ZNode的关系条数达到了1亿。如果存储每条关系的需要1个 HashMap&Node(32Byte),由于是两个关系表,double一下。那么其它都不要计算,光是这个"壳",就需要 210000^232/1024^3 = 5.9GB 的无效内存开销。分析到这里,大家应该明白了。为什么我们的ZK内存总是在走"钢丝",经常OOM。

意外发现

既然已经确定了问题的原因,接下来我们应该考虑如何解决它。通过上面的分析可以得知,我们需要避免客户端出现对所有 ZNode 进行全面订阅的情况。然而,实际情况是,许多业务代码确实存在这样的逻辑,从 ZTree** 的根节点开始遍历所有 ZNode,并对它们进行全面订阅。我们或许能够说服一部分业务方进行改进,但无法强制约束所有业务方的使用方式。因此,我们解决这个问题的思路在于监控和预防。然而,遗憾的是,ZK 本身并不支持这样的功能,这就需要对 ZK 源码进行修改。通过对源码的跟踪和分析,我们发现问题的根源又指向了 WatchManager,并且我们仔细研究了这个类的逻辑细节。经过深入理解后,我们发现这段代码的质量似乎像是由应届毕业生编写的,存在大量线程和锁的不恰当使用问题。通过查看 Git 记录,我们发现这个问题可以追溯到 2007 年。然而,令人振奋的是,在这一段时间内,出现了 WatchManagerOptimized(2018),通过搜索 ZK 社区的资料,我们发现了 [ZOOKEEPER-1177],即在 2011 年,ZK 社区就已经意识到了大量 Watch 导致的内存占用问题,并最终在 2018 年提供了解决方案。正是这个WatchManagerOptimized 的功劳,看来ZK社区早就进行了优化。有趣的是,ZK默认情况下并未启用这个类,即使在最新的 3.9.X 版本中,默认仍然使用 WatchManager。也许是因为 ZK 年代久远,渐渐地人们对其关注度降低了。通过询问阿里的同事,我们确认了 MSE-ZK 也启用了 WatchManagerOptimized,这进一步证实了我们关注的方向是正确的。因此,我们认为有必要深入挖掘一下这个类的潜力。

优化探索

锁的优化

在默认版本中,使用的 HashSet 是线程不安全的。在这个版本中,相关操作方法如 addWatch、removeWatcher 和 triggerWatch 都是通过在方法上添加了 synchronized 重型锁来实现的。而在优化版中,我们采用了 ConcurrentHashMap 和 ReadWriteLock 的组合,以更精细化地使用锁机制。这样一来,在添加 Watch 和触发 Watch 的过程中能够实现更高效的操作。

存储优化

这是我们关注的重点。从 WatchManager 的分析可以看出,使用 WatchTables 和 Watch2Paths 存储效率并不高。如果 ZNode 的订阅关系较多,将会额外消耗大量无效的内存。令我们感到惊喜的是,WatchManagerOptimized 在这里使用了"黑科技" -> 位图。利用位图将关系存储进行了大量的压缩,实现了降维优化。 Java BitSet 主要特点:

  • 空间高效:BitSet 使用位数组存储数据,比标准的布尔数组需要更少的空间。
  • 处理快速:进行位操作(如 AND、OR、XOR、翻转)通常比相应的布尔逻辑操作更快。
  • 动态扩展:BitSet 的大小可以根据需要动态增长,以容纳更多的位。

BitSet 使用一个 long[] words 来存储数据,long 类型占 8 字节,64位 。数组中每个元素可以存储 64 个数据,数组中数据的存储顺序从左到右,从低位到高位 。比如下图中的 BitSet 的 words 容量为 4,words[0]从低位到高位分别表示数据 063是否存在,words[1] 的低位到高位分别表示数据 64 127 是否存在,以此类推。其中 words[1] = 8,对应的二进制第 8 位为 1,说明此时 BitSet 中存储了一个数据 {67}。WatchManagerOptimized 使用 BitMap来存储所有的 Watcher。这样即便是存在1W的 Watcher。位图的内存消耗也只有8Byte1W/64/1024=1.2KB。如果换成 HashSet ,则至少需要 32Byte10000/1024=305KB,存储效率相差近300倍。

swift 复制代码
WatchManager.java:
private final Map<String, Set<Watcher>> watchTable = new HashMap<>();
private final Map<Watcher,Set<String>> watch2Paths = new HashMap<>();
arduino 复制代码
WatchManagerOptimized.java:
private final ConcurrentHashMap<String, BitHashSet> pathWatches = new ConcurrentHashMap<String, BitHashSet>();
private final BitMap<Watcher> watcherBitIdMap = new BitMap<Watcher>();

ZNode到 Watcher 的映射存储,由 Map<string, set> 换成了 ConcurrentHashMap<string, BitHashSet >。也就是说不再存储 Set,而是用位图来存储位图索引值。我们用 1W的ZNode,1W的Watcher,极端点走全订阅(所有的Watcher订阅所有的ZNode) ,做存储效率PK:可以看到 11.7MB PK 5.9GB ,内存的存储效率相差:516倍

逻辑优化

  • 添加监视器:两个版本都能够在常数时间内完成操作,但是优化版通过使用ConcurrentHashMap提供了更好的并发性能。
  • 删除监视器:默认版 可能需要遍历整个监视器集合来找到并删除监视器,导致时间复杂度为O(n)。而优化版利用BitSetConcurrentHashMap,在大多数情况下能够快速定位和删除监视器,O(1)。
  • 触发监视器:默认版的复杂度较高,因为它需要对每个路径上的每个监视器进行操作。优化版通过更高效的数据结构和减少锁的使用范围,优化了触发监视器的性能。

性能压测

JMH 微基准测试

zookeeper 3.6.4 源码编译, JMH micor 压测 WatchBench。

pathCount:表示测试中使用的ZNode路径数目。

watchManagerClass:表示测试中使用的 WatchManager 实现类。

watcherCount:表示测试中使用的观察者(Watcher)数目。

Mode:表示测试的模式,这里是 avgt,表示平均运行时间。

Cnt:表示测试运行的次数。

Score:表示测试的得分,即平均运行时间。

Error:表示得分的误差范围。

Units:表示得分的单位,这里是毫秒/操作(ms/op)。

  • ZNode与Watcher 100 万条订阅关系,默认版本使用 50MB,优化版只需要 0.2MB,而且不会线性增加。
  • 添加Watch,优化版(0.406 ms/op)比 默认版(2.669 ms/op)提升 6.5 倍。
  • 大量触发Watch ,优化版(17.833 ms/op)比 默认版(84.455 ms/op)提升 5 倍。

性能压测

接下来我们在一台机器(32C 60G) 搭建一套 3节点 zookeeper 3.6.4 使用优化版与默认版进行容量压测对比。

场景一:20W znode 短路径

Znode 短路径: /demo/znode1

场景二:20W znode 长路径

Znode 长路径: /sentinel-cluster/dev/xx-admin-interfaces/lock/_c_bb0832d5-67a5-48ab-8fe0-040b9ddea-lock/12

  • Watch 内存占用跟 ZNode 的 Path 长度有关。
  • Watch 的数量在默认版是线性上涨,在优化版中表现非常好,这对内存占用优化来说改善非常明显。

灰度测试

基于前面的基准测试和容量测试,优化版在大量 Watch 场景内存优化明显,接下来我们开始对测试环境的 ZK 集群进行灰度升级测试观察。

第一套 zookeeper 集群 & 收益

默认版优化版效果收益:

  • election_time (选举耗时):降低 60%
  • fsync_time (事务同步耗时):降低 75%
  • 内存占用:降低 91%

第二套 zookeeper 集群 & 收益

效果收益:

  • 内存:变更前 JVM Attach 响应无法响应,采集数据失败。
  • election_time(选举耗时):降低 64%。
  • max_latency(读延迟):降低 53%。
  • proposal_latency(选举处理提案延迟):1400000 ms --> 43 ms。
  • propagation_latency(数据的传播延迟):1400000 ms --> 43 ms。

第三套 zookeeper 集群 & 收益

默认版优化版

效果收益:

  • 内存:节省 89%
  • election_time(选举耗时):降低42%
  • max_latency(读延迟):降低 95%
  • proposal_latency(选举处理提案延迟):679999 ms --> 0.3 ms
  • propagation_latency(数据的传播延迟):928000 ms--> 5 ms

总结

通过之前的基准测试、性能压测以及灰度测试,我们发现了 Zookeeper 的 WatchManagerOptimized。这项优化不仅节省了内存,还通过锁的优化显著提高了节点之间的选举和数据同步等指标,从而增强了 Zookeeper 的一致性。我们还与阿里MSE的同学进行了深度交流,各自在极端场景模拟压测,并达成了一致的看法:WatchManagerOptimized 对 Zookeeper 的稳定性提升显著。总体而言,这项优化使得 Zookeeper 的 SLA 提升了一个数量级。

ZooKeeper有许多配置选项,但大部分情况下不需要调整。为提升系统稳定性,我们建议进行以下配置优化:

  • 将 dataDir(数据目录)和 dataLogDir(事务日志目录)分别挂载到不同的磁盘上,并使用高性能的块存储。
  • 对于 ZooKeeper 3.8 版本,建议使用 JDK 17 并启用 ZGC 垃圾回收器;而对于 3.5 和 3.6 版本,可使用 JDK 8 并启用 G1 垃圾回收器。针对这些版本,只需要简单配置 -Xms 和 -Xmx 即可。
  • 将 SnapshotCount 参数默认值 100,000 调整为 500,000,这样可以在高频率 ZNode 变动时显著降低磁盘压力。
  • 使用优化版的 Watch 管理器 WatchManagerOptimized。

Ref:

issues.apache.org/jira/browse...

github.com/apache/zook...

*文/ Bruce

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