Go实战 | 记一次降低30%的CPU使用率的优化

渔夫子 2023-03-28 原文

大家好，我是渔夫子。今天聊聊在项目中通过优化redis写入而降低cpu使用率的一次经历。

1.背景

本文是项目中基于redis记录实时请求量的一个功能，因流量上涨造成redis服务器的CPU高于80%而触发了自动报警机制，经分析将实时写入redis的方式变更成批量写入的方式，从而将CPU使用率降低了30%左右的经历。

具体业务需求是这样的：我们会将接受到的请求按地域属性进行划分。目标是针对具体的国家请求进行总数的控制。当达到预设的最大请求数时，就不再处理该流量，直接给客户端返回204响应。如果没有达到最大请求数，则需要对实时请求数+1。如下图所示：

2.现版本一

第一个版本很简单，就是将最大值存放在redis中，然后按天的维度记录每个国家流量的实时请求数量。每次流量来了之后，先查询出该国家流量的最大值，以及当天的实时请求数，然后做比较，如果实时数已经超过了最大值，就直接返回，否则就对实时数进行+1操作即可。

下面我们以来自中国(用CN表示)流量为例进行说明。首先，我们存在redis中的key的规则如下：

代表某个国家最大请求数的key表示规则：国家:max:req
代表某个国家当天已产生的请求数的key表示规则：国家:YYYYMMDD:req ，有效期为N天。

第一个版本的实现代码如下：

func HasExceedLimitReq() bool {
    key := "CN:max:req"

    maxReq := redis.Get(key)

    day := time.Now().Format("20060102")
    dailyKey := "CN:"+day+":req"
    dailyReq := redis.Get(dailyKey)

    if dailyReq > maxReq {
        return true
    }

    redis.Incr(dailyKey, dailyReq)
    redis.Expire(dailyKey, 7*24*time.Hour)
    
    return false
}

在上面的实现中，对于dailyKey我们不需要长期保留，实际上只要过了当天，该key的值就没用了，出于查询历史数据的原因，我们就设置了7天的有效期。但redis的Incr操作不带过期时间，所以就在Incr操作后增加了一个Expire的操作。

好了，我们看下这个实现会有什么问题。首先逻辑上没什么问题。当一个请求进来之后，在没有超量的情况下，我们会对redis有4次操作：两次查询操作和两次写操作(incr和expire)。也就是说，redis扛的QPS是流量本身的4倍。如果当流量QPS不断增长的时候，比如达到了10万，那么redis收到的请求量就是40万。redis的CPU消耗自然也就上来了。

那么我们看看哪些地方是可以优化的呢?首先就是Expire操作看起来不是每次都需要，理论上只要设置一次过期时间就可以了，不需要每次都设置，这样就可以减少一次写操作。如下实现版本二：

3.实现版本二：减少Expire的执行次数

我们通过使用一个hasUpdateExpire的map类型，来记录某个key是否已经被设置了有效期的标识。如下：

var hasUpdateExpire = make(map[string]struct{}) //全局变量

func HasExceedLimitReq() bool {
    key := "CN:max:req"

    maxReq := redis.Get(key)

    day := time.Now().Format("20060102")
    dailyKey := "CN:"+day+":req"
    dailyReq := redis.Get(dailyKey)

    if dailyReq > maxReq {
        return true
    }

    redis.Incr(dailyKey, dailyReq)
    if hasUpdateExpire[dailyKey]; !ok {
        redis.Expire(dailyKey, 7*24*time.Hour)
        hasUpdateExpire[dailyKey] = struct{}{}
    }
    
    return false
}

我们知道在Go中，map是非并发安全的。那么下面这段代码是存在并发安全的：

 if hasUpdateExpire[dailyKey]; !ok {
        redis.Expire(dailyKey, 7*24*time.Hour)
        hasUpdateExpire[dailyKey] = struct{}{}
    }

也就是说有可能有多个协程同时执行到了if hasUpdateExpire[dailyKey]这里，并且都获取到了ok为false的值，那么这时就会有多个协程都会执行如下两行代码：

redis.Expire(dailyKey, 7*24*time.Hour)
hasUpdateExpire[dailyKey] = struct{}{}

但这里根据我们业务的场景，即使多执行几次Expire操作也没关系，在QPS高的情况下，比起总的请求次数来说多设置expire几次可以忽略。

那如果qps再继续增加怎么办?那就是异步批量写入。这种写入方式适合于那种对计数不要求准确的场景。我们来看看版本三。

4.实现版本三：异步批量写入

在该版本中，我们的技术不直接写入redis，而是写在内存缓存中，即一个全局变量中，同时启动一个定时器，每隔一段时间就将内存中的数据批量写入到redis中。如下图所示：

所以我们定义了如下数据结构：

import (
   "sync"
   "time"

   "github.com/go-redis/redis"
)

const (
   DefaultExpiration  = 86400 * time.Second * 7
)

type CounterCache struct {
   rwMu        sync.RWMutex
   redisClient redis.Cmdable

   countCache   map[string]int64
   hasUpdateExpire map[string]struct{}
}

func NewCounterCache(redisClient redis.Cmdable) *CounterCache {
   c := &CounterCache{
      redisClient: redisClient,
      countCache:    make(map[string]int64),
   }
   go c.startFlushTicker()
   return c
}

func (c *CounterCache) IncrBy(key string, value int64) int64 {
   val := c.incrCacheBy(key, value)
   redisCount, _ := c.redisClient.Get(key).Int64()
   return val + redisCount
}

func (c *CounterCache) incrCacheBy(key string, value int64) int64 {
   c.rwMu.Lock()
   defer c.rwMu.Unlock()
    
   count := c.countCache[key]
   count += value
   c.countCache[key] = count
   return count
}

func (c *CounterCache) Get(key string) (int64, error) {
   cacheVal := c.get(key)
   redisValue, err := c.redisClient.Get(key).Int64()
   if err != nil && err != redis.Nil {
      return cacheVal, err
   }

   return redisValue + cacheVal, nil
}

func (c *CounterCache) get(key string) int64 {
   c.rwMu.RLock()
   defer c.rwMu.RUnlock()
   return c.countCache[key]
}

func (c *CounterCache) startFlushTicker() {
   ticker := time.NewTicker(time.Second * 5)
   for {
      select {
      case <-ticker.C:
         c.flush()
      }
   }
}

func (c *CounterCache) flush() {
   var oldCountCache map[string]int64
   c.rwMu.Lock()
   oldCountCache = c.countCache
   c.countCache = make(map[string]int64)
   c.rwMu.Unlock()

   for key, value := range oldCountCache {
      c.redisClient.IncrBy(key, value)
       if _, ok := c.hasUpdateExpire[key]; !ok {
         err := c.redisClient.Expire(key, DefaultExpiration)
         if err == nil {
             c.hasUpdateExpire[key] = struct{}{}
         }
      }
   }
}

这里主要的思想就是在写入数据的时候先暂存在结构体的countCache中。然后每个CounterCache实例都会启动一个定时器ticker，该定时器每隔一段时间就将countCache中的数据更新到redis中。我们看下这的使用方式：

package main

import (
  "net/http"
  "sync"
  "time"

  "github.com/go-redis/redis"
)

var counterCache *CounterCache

func main() {
  redisClient := redis.NewClient(&redis.Options{
    Addr: "127.0.0.1:6379",
    Password: "",
  })
  counterCache = NewCounterCache(redisClient)

  http.HandleFunc("/", IndexHandler)
  http.ListenAndServe(":8080", nil)
}

func IndexHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
  if HasExceedLimitReq() {
    return
  }
  //处理正常逻辑
}

func HasExceedLimitReq() bool {
  maxKey := "CN:max:req"
  maxCount, _ := counterCache.Get(maxKey)

  dailyKey := "CN:" + time.Now().Format("20060102") + ":req"
  dailyCount, _ := counterCache.Get(dailyKey)

  if dailyCount > maxCount {
    return true
  }

  counterCache.IncrBy(dailyKey, 1)
  return false
}

这里的使用场景就是在对计数不要求准确的情况下使用的。比如说如果服务器异常退出了，那么暂存在countCache中还没来得及刷新到redis中的数据就会造成丢失。

另外一点需要注意的就是countCache变量是一个map，我们知道，在Go中map是非并发安全的操作，所以要注意加读写锁。

5.总结

随着服务qps的增长，我们在不限制qps的前提下，各种资源的使用率都会增长。我们的优化思路就是减少不必要的写次数、由实时写更改成批量写的思想，从而达到减少对redis操作的目的。这种计数方式使用的场景是在对计数要求不那么准确的情况，例如视频的播放量、微博大V的阅读量等等。

30%CPU padding span padding-box 商务办公 $CPU 使用率优化

有关Go实战 | 记一次降低30%的CPU使用率的优化的更多相关文章

ruby - 如何使用 Nokogiri 的 xpath 和 at_xpath 方法 - 2
我正在学习如何使用Nokogiri，根据这段代码我遇到了一些问题:require'rubygems'require'mechanize'post_agent=WWW::Mechanize.newpost_page=post_agent.get('http://www.vbulletin.org/forum/showthread.php?t=230708')puts"\nabsolutepathwithtbodygivesnil"putspost_page.parser.xpath('/html/body/div/div/div/div/div/table/tbody/tr/td/div
ruby - 使用 RubyZip 生成 ZIP 文件时设置压缩级别 - 2
我有一个Ruby程序，它使用rubyzip压缩XML文件的目录树。gem。我的问题是文件开始变得很重，我想提高压缩级别，因为压缩时间不是问题。我在rubyzipdocumentation中找不到一种为创建的ZIP文件指定压缩级别的方法。有人知道如何更改此设置吗？是否有另一个允许指定压缩级别的Ruby库？最佳答案这是我通过查看rubyzip内部创建的代码。level=Zlib::BEST_COMPRESSIONZip::ZipOutputStream.open(zip_file)do|zip|Dir.glob("**/*")d
ruby - 为什么我可以在 Ruby 中使用 Object#send 访问私有(private)/ protected 方法？ - 2
类classAprivatedeffooputs:fooendpublicdefbarputs:barendprivatedefzimputs:zimendprotecteddefdibputs:dibendendA的实例a=A.new测试a.foorescueputs:faila.barrescueputs:faila.zimrescueputs:faila.dibrescueputs:faila.gazrescueputs:fail测试输出failbarfailfailfail.发送测试[:foo,:bar,:zim,:dib,:gaz].each{|m|a.send(m)resc
ruby-on-rails - 使用 Ruby on Rails 进行自动化测试 - 最佳实践 - 2
很好奇，就使用rubyonrails自动化单元测试而言，你们正在做什么？您是否创建了一个脚本来在cron中运行rake作业并将结果邮寄给您？git中的预提交Hook？只是手动调用？我完全理解测试，但想知道在错误发生之前捕获错误的最佳实践是什么。让我们理所当然地认为测试本身是完美无缺的，并且可以正常工作。下一步是什么以确保他们在正确的时间将可能有害的结果传达给您？最佳答案不确定您到底想听什么，但是有几个级别的自动代码库控制:在处理某项功能时，您可以使用类似autotest的内容获得关于哪些有效，哪些无效的即时反馈。要确保您的提
ruby - 在 Ruby 中使用匿名模块 - 2
假设我做了一个模块如下:m=Module.newdoclassCendend三个问题:除了对m的引用之外，还有什么方法可以访问C和m中的其他内容？我可以在创建匿名模块后为其命名吗(就像我输入“module...”一样)？如何在使用完匿名模块后将其删除，使其定义的常量不再存在？最佳答案三个答案:是的，使用ObjectSpace.此代码使c引用你的类(class)C不引用m:c=nilObjectSpace.each_object{|obj|c=objif(Class===objandobj.name=~/::C$/)}当然这取决于
ruby - 使用 ruby 和 savon 的 SOAP 服务 - 2
我正在尝试使用ruby和Savon来使用网络服务。测试服务为http://www.webservicex.net/WS/WSDetails.aspx?WSID=9&CATID=2require'rubygems'require'savon'client=Savon::Client.new"http://www.webservicex.net/stockquote.asmx?WSDL"client.get_quotedo|soap|soap.body={:symbol=>"AAPL"}end返回SOAP异常。检查soap信封，在我看来soap请求没有正确的命名空间。任何人都可以建议我
python - 如何使用 Ruby 或 Python 创建一系列高音调和低音调的蜂鸣声？ - 2
关闭。这个问题是opinion-based.它目前不接受答案。想要改进这个问题？更新问题，以便editingthispost可以用事实和引用来回答它.关闭4年前。Improvethisquestion我想在固定时间创建一系列低音和高音调的哔哔声。例如:在150毫秒时发出高音调的蜂鸣声在151毫秒时发出低音调的蜂鸣声200毫秒时发出低音调的蜂鸣声250毫秒的高音调蜂鸣声有没有办法在Ruby或Python中做到这一点？我真的不在乎输出编码是什么(.wav、.mp3、.ogg等等)，但我确实想创建一个输出文件。
ruby-on-rails - 'compass watch' 是如何工作的/它是如何与 rails 一起使用的 - 2
我在我的项目目录中完成了compasscreate.和compassinitrails。几个问题:我已将我的.sass文件放在public/stylesheets中。这是放置它们的正确位置吗？当我运行compasswatch时，它不会自动编译这些.sass文件。我必须手动指定文件:compasswatchpublic/stylesheets/myfile.sass等。如何让它自动运行？文件ie.css、print.css和screen.css已放在stylesheets/compiled。如何在编译后不让它们重新出现的情况下删除它们？我自己编译的.sass文件编译成compiled/t
ruby - 使用 ruby 将 HTML 转换为纯文本并维护结构/格式 - 2
我想将html转换为纯文本。不过，我不想只删除标签，我想智能地保留尽可能多的格式。为插入换行符标签，检测段落并格式化它们等。输入非常简单，通常是格式良好的html(不是整个文档，只是一堆内容，通常没有anchor或图像)。我可以将几个正则表达式放在一起，让我达到80%，但我认为可能有一些现有的解决方案更智能。最佳答案首先，不要尝试为此使用正则表达式。很有可能你会想出一个脆弱/脆弱的解决方案，它会随着HTML的变化而崩溃，或者很难管理和维护。您可以使用Nokogiri快速解析HTML并提取文本:require'nokogiri'h
ruby - 在 64 位 Snow Leopard 上使用 rvm、postgres 9.0、ruby 1.9.2-p136 安装 pg gem 时出现问题 - 2
我想为Heroku构建一个Rails3应用程序。他们使用Postgres作为他们的数据库，所以我通过MacPorts安装了postgres9.0。现在我需要一个postgresgem并且共识是出于性能原因你想要pggem。但是我对我得到的错误感到非常困惑当我尝试在rvm下通过geminstall安装pg时。我已经非常明确地指定了所有postgres目录的位置可以找到但仍然无法完成安装:$envARCHFLAGS='-archx86_64'geminstallpg--\--with-pg-config=/opt/local/var/db/postgresql90/defaultdb/po