微服务全链路异步化实践

随着公司业务的发展，核心服务流量越来越大，使用到的资源也越来越多。在微服务架构体系中，大部分的业务是基于Java 语言实现的，受限于Java 的线程实现，一个Java 线程映射到一个kernel 线程，造成了高并发场景下线程资源的极大浪费，线程成为提高系统并发和吞吐量的瓶颈。

在微服务架构下，使用同步编程模式时不仅造成了资源的极大浪费，并且在流量发生激增波动的时候，受制于系统资源而无法快速的扩容。本文将探索服务异步化在并发、吞吐量方面对系统带来的提升。

2. 如何快速提高服务吞吐量

首先，以微服务架构中的RPC 服务调用举例，测试和探索在微服务架构中，异步架构如何提高服务的吞吐量和并发。ESA Stack 是OPPO 自研的基础框架技术栈，ESA RPC 是自研的RPC 框架。本节测试服务我们使用ESA RPC 搭建。

关于ESA RPC的详情，可以参考我们之前发布的文章《Dubbo协议解析及ESA RPC实践》。

2.1 服务架构

下图所示为测试环境架构。其中Service A 既是服务端也是客户端，它模拟了生产环境中大部分服务的角色。我们对Service A 分别采用同步模型和纯异步模型进行压测，其中纯异步模型包含了客户端、服务端逻辑的异步处理。Service B 模拟一个耗时为N ms 的下游服务，为Service A 的调用提供固定的延时响应。

测试服务器的配置为8 核16G，千兆网卡。

2.2 同步异步模型对比

测试场景1：

并发压测客户端200~8000，服务耗时50ms，分别对同步和异步架构进行压测，对比TPS、服务耗时、CPU 上下文切换；同步模式下，线程数和并发客户端相同；异步模式下，使用框架默认的200 线程。测试数据如下。

测试场景2：

并发压测客户端8000，服务耗时50~500ms，分别对同步和异步模式进行压测，对比TPS、服务耗时、CPU 上下文切换；同步模式下服务端8000 线程；异步模式下，使用框架默认的200 线程。

2.3 服务扩展性对比

并发指服务瞬时同时处理的任务数(包含处于IO 等待状态的任务)。服务端设置业务处理线程200，那么同步模式下能提供的并发为200；纯异步模式下服务并发不受线程限制，IO密集型服务尤其收益。在系统流量突增的情景下，异步模式具有更强的可扩展性(Scalability)。

2.4 结论

根据上面的测试数据可以做出以下对比：

• 同步模式，线程数与并发成正比，并发越高对线程的消耗越多

• 异步模式，提高并发不需要线程增加

• 同步模式，系统Context Switch 次数随并发提高而快速增加

• 异步模式，系统Context Switch 次数明显小于同步模式

• 同步模式，并发超过某个临界点后，服务耗时快速上升，系统吞吐量急剧下降

• 异步模式，吞吐量随着并发增加，服务耗时上升速度明显低于同步模式

从而得出以下结论：

• 可以通过异步化微服务架构，提高相同资源配置下的服务吞吐量

• 随着下游平均耗时的增加，异步化带来的吞吐和耗时的提升作用减小

• 线程资源有限(内核、内存)，不能无限增加来提高并发能力，异步化能极大提高系统瞬时并发能力(Scalability)

结论分析：

• 高并发下同步模型大量线程在内核态度/用户态、不同CPU 核之间进行切换，Context Switch 增加，系统性能下降

• 下游平均耗时增加时，系统CPU 繁忙程度降低，Context Switch 对性能系统影响下降

3. 异步模型探索

3.1 阻塞与非阻塞

在操作系统中，线程是CPU 调度的基本单位；阻塞调用是指发起调用后，线程进入阻塞状态(让出CPU)，直到获得结果或异常返回；非阻塞调用是指不等待结果，调用不阻塞线程直接返回。

3.2 同步与异步

同步和异步关注的是消息通信机制；同步就是在发起调用后就得到返回结果(未必是完整结果)，也就是由调用者主动等待结果；异步则是调用在发出之后直接返回，通过信号通知、回调函数处理来通知结果。

3.3 四种IO 模型

非IO 系统调用层面， 阻塞/非阻塞和同步/异步基本是同义词；在IO 系统调用层面，同步/异步和阻塞/非阻塞有以下组合：

• 同步阻塞调用，线程同步等待阻塞调用结果

• 同步非阻塞调用，线程通过轮训获取非阻塞调用结果

• 异步阻塞调用，IO 事件阻塞，IO 操作不阻塞

• 异步非阻塞调用，调用立即返回，信号/回调处理结果

我们通过一个简单的客户端来介绍四种IO 模型的代码写法：

同步阻塞IO

非同步阻塞IO

多路复用IO

Asynchnorous IO

对四中IO 模型，有以下的对比：

• 同步阻塞式IO 模型，编程简单但线程阻塞，资源利用率低；

• 同步非阻塞式IO 模型，需要轮训CPU，浪费资源；

• 异步非阻塞AIO 模型，不阻塞线程，使用回调方式处理数据，但是编程难度高；

• 多路复用IO 模型，能够实现异步非阻塞IO，且编程简单，方便实现同步和异步调用，因此成为RPC 框架的首选。

4. 全链路异步编程指南

4.1 全链路组成及现状

微服务架构下的全链路包含了网关层、WEB 服务、RPC 服务、数据层等。目前公司的网关层已经实现了纯异步架构，Web 框架和RPC 框架支持纯异步编程，数据存储层目前异步方案还不成熟。

4.2 网关异步化

网关层由于其特殊性，不需要访问业务数据库只做协议转换和流量转发，目前已经使用了纯异步的架构；其IO 密集型的特点，特别适合纯异步的架构，可以极大的节省资源。

4.3 Web 服务异步化

Web 服务作为微服务体系内的重要组成，服务节点众多，传统的Web 服务框架SpringMVC 不支持纯异步化编程，OPPO 自研Web 框架Restlight 支持纯异步编程，且性能远超SpringMVC。下面是性能对比及Restlight 异步实践。

Restlight 框架异步编程实践：通过Controller 方法返回值区分同步和异步调用，且支持三种异步调用方式，CompletableFuture、ListenableFuture(Guava)、Future(Netty)。

4.4 RPC 调用异步化

RPC 调用等待下游response 返回时，线程不应处于block 状态；作为微服务架构中数据流量最大的一部分，RPC 调用异步化的收益巨大；目前ESA RPC 已经具备了纯异步化的能力，提供RPC 调用的服务一般既是客户端也是服务端，因此包含了客户端异步调用能力和服务端异步处理能力；为了兼容存量接口，ESA RPC 既支持CompletableFuture 也支持普通返回值的接口。

客户端异步化实践：底层使用异步非阻塞IO 收发网路数据包，使用CompletableFUture传递IO 事件以实现响应式编程，客户端不被RPC 调用阻塞，可继续调用其他服务。

接口返回CompletableFuture 来实现异步调用：

普通接口使用ESARpcContext::asyncCall 实现异步调用：

服务端异步化实践：通过服务端异步功能返回CompletableFuture 给框架以释放Biz 线程，自定义线程池或者IO 线程池收到下游response 后，完成返回给框架的Future。

接口定义返回CompletableFuture 来实现异步调用：

普通接口通过ESARpcContext::startAsync 开启服务端异步：

4.5 存储层异步化

数据操作是每个请求调用链的终点，纯异步的架构必须使用异步存储层客户端，目前OPPO 没有自研的存储层异步客户端，但业界开源方案欣欣向荣：

• 数据库：Vert.x JDBC 客户端

• Redis：Redisson、Lettuce

• Queue：基本都支持异步调用

4.6 纯异步与伪异步

异步调用目的在于防止当前业务线程被阻塞。伪异步将任务包装为Runnable 放入另一个线程执行并等待，当前Biz 线程不阻塞；纯异步为响应式编程模型，通过IO 实践驱动任务完成。他们的区别不在于是否将请求放入另一个线程池执行，而在于是否有线程阻塞等待Response。

5. 异步化未来发展

5.1 异步化带来的问题

相比于同步模型，异步模型存在以下问题：

• 代码可读性和可维护性较差，可能出现Callback Hell

• 框架SDK 变得复杂，使用门槛增加

• 业务可能不清楚代码逻辑执行线程

• 大量的ThreadLocal 需要手动export/import

简单来说，异步编程就是以编程的简单性(simplity)来交换性能(performance)。

5.2 使用协程实现异步非阻塞

目前在其他语言中，Erlang、Go、Kotlin 等都支持了协程，使用协程的好处是在语言层面支持了异步调用，业务代码可以使用同步的写法达到异步的效果，线程不被阻塞，避免大量的CPU 上下文切换，提升系统的性能。

目前Java 对协程的支持也在进行中， Project Loom 就是Java 的协程项目：http://openjdk.java.net/projects/loom/。

主要有以下几个概念：

• Fiber，轻量级线程(用户态线程)，基于Continuation 实现

• Continuation，指令执行单元， 阻塞时调用Continuation::yield ， 恢复时调用Continuation::run

• Scheduler，用户态Fiber 调度器(ForkJoinPool)，使用有限Workers 线程执行任意数量Fibers

开发者可以使用 Fiber 来执行业务代码块，当遇到LockSupport::park、socket io 等阻塞调用时，Fiber 中的代码单元执行会被阻塞，但是底层的线程并不会被阻塞。由此达到了开发同步模式代码，运行时达到异步执行的目的。

未来，ESAStack服务框架会支持协程。目前 Restlight框架已经支持协程并在内部开始试用，ESARPC也有支持协程的计划。框架提供的服务线程使用 Fiber 执行业务逻辑，业务实现中数据库请求、下游服务调用均在 Fiber 之中执行， 其包含的 IO 等阻塞调用只挂起 Fiber 而不阻塞所在线程，从而避免了过多的上下文切换提升 了吞吐量，达到了和异步模式一样的效果。

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