携程一次Redis迁移容器后Slowlog“异常”分析

容器化对于Redis自动化运维效率、资源利用率方面都有巨大提升，携程在对Redis在容器上性能和稳定性进行充分验证后，启动了生产Redis迁移容器化的项目。其中第一批次两台宿主机，第二批次五台宿主机。
本次“异常”是第二批次迁移过程中发现的，排查过程一波三折，最终得出让人吃惊的结论。
希望本次结论能给遇到同样问题的小伙伴以启发，另外本次分析问题的思路对于分析其他疑难杂症也有一定借鉴作用。

一、问题描述

在某次Redis迁移容器后，DBA发来告警邮件，slowlog>500ms，同时在DBA的慢日志查询里可以看到有1800ms左右的日志，如下图1所示：

图 1

二、分析过程

2.1 什么是Slowlog
在分析问题之前，先简单解释下Redis的slowlog。阅读Redis源码（图2）不难发现，当某次Redis的操作大于配置中slowlog-log-slower-than设置的值时，Redis就会将该值记录到内存中，通过slowlog get可以获取该次slowlog发生的时间和耗时，图1的监控数据也是从此获得。
图 2
也就是说，slowlog只是单纯的计算Redis执行的耗时时间，与其他因素如网络之类的都没关系。
2.2 矛盾的日志
每次slowlog都是1800+ms并且都随机出现，在第一批次Redis容器化的宿主机上完全没有这种现象，而QPS远小于第一批次迁移的某些集群，按常理很难解释，这时候翻看CAT记录，更加加重了我们的疑惑，见图3：
图 3
CAT是携程根据开源软件（https://github.com/dianping/cat）的定制版本，用于客户端记录打点的耗时，从图中可以很清晰的看到，Redis打点的最大值367ms也远小于1800ms，它等于是说下面这张自相矛盾图，见图4：
图 4
2.3 求助社区
所以说，slowlog问题要么是CAT误报，要么是Redis误报，但Redis使用如此广泛，并且经过询问CAT的维护者说CAT有一定的消息丢弃率，而Redis在官方github issue中并没有发现类似的slowlog情形，因此我们第一感觉是CAT误报，并在官方Redis issue中提问，试图获取社区的帮助。
很快社区有人回复，可能是NUMA架构导致的问题，但也同时表示NUMA导致slowlog高达1800ms很不可思议。关于NUMA的资料网上有很多，这里不再赘述，我们在查阅相关NUMA资料后也发现，NUMA架构导致如此大的slowlog不太可能，因此放弃了这条路径的尝试。
2.4 豁然开朗
看上去每个方面好像都没有问题，而且找不到突破口，排障至此陷入了僵局。
重新阅读Redis源代码，直觉发现gettimeofday()可能有问题，模仿Redis获取slowlog的代码，写了一个简答的死循环，每次Sleep一秒，看看打印出来的差值是否正好1秒多点，如图5所示：
图 5
图5的程序大概运行了20分钟后，奇迹出现了，gettimeofday果然有问题，下面是上面程序测试时间打印出来的LOG，如图6：
图 6
图6中标红的时间减去1秒等于1813ms，与slowlog时间如此相近！在容器所在的物理机上也测试一遍，发现有同样的现象，排除因容器导致slowlog，希望的曙光似乎就在眼前了，那么问题又来了：

1. 到底为什么会相差1800ms+呢？

2. 为什么第一批机器没有这种现象呢？

3. 为什么之前跑在物理机上的Redis没有这种现象呢？

带着这三个问题，重新审视系统调用gettimeofday获取当前时间背后的原理，发现一番新天地。
三、系统时钟

系统时钟的实现非常复杂，并且参考资料非常多。
简单来说 我们可以通过命令：

1. cat /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource

来获取当前系统的时钟源，携程的宿主机上都是统一Time Stamp Counter(TSC)：80x86微处理器包括一个时钟输入插口，用来接收来自外部振荡器的时钟信号，从奔腾80x86微处理器开始，增加了一个计数器。
随着每增加一个时钟信号而加一，通过rdtsc汇编指令也可以去读TSC寄存器，这样如果CPU的频率是1GHz，TSC寄存器就能提供纳秒级别的计时精度，并且现代CPU通过FLAG constant_tsc来保证即使CPU休眠也不影响TSC的频率。
当选定TSC为时钟源后，gettimeofday获取墙上时钟（wall-clock）正是从TSC寄存器读出来的值转换而来，所谓墙上时钟主要是参照现实世界人们通过墙上时钟获取当前时间，但是用来计时并不准确，可能会被NTP或者管理员修改。
那么问题又来了，宿主机的时间没有被管理员修改，难道是被NTP修改？即使是NTP来同步，每次相差也不该有1800ms这么久，它的意思是说难道宿主机的时钟每次都在变慢然后被NTP拉回到正常时间？我们手工执行了下NTP同步，发现的确是有很大偏差，如图7所示：

图 7
按常识时钟正常的物理机与NTP服务器时钟差异都在1ms以内，相差1s+绝对有问题，而且还是那个老问题，为什么第一批次的机器上没有问题？
四、内核BUG

两个批次宿主机一样的内核版本，第一批没问题而第二批有问题，差异只可能在硬件上，非常有可能在计时上，翻看内核的commit log终于让我们发现了这样的commit，如图8所示：

图 8
该commit非常清楚指出，在4.9以后添加了一个宏定义INTEL_FAM6_SKYLAKE_X，但因为搞错了该类型CPU的crystal frequency会导致该类型的CPU每10分钟慢1秒钟。
这时再看看我们的出问题的第二批宿主机xeon bronze 3104正好是skylake-x的服务器，影响4.9-4.13的内核版本，宿主机内核4.10正好中招。
并且NTP每次同步间隔1024秒约慢1700ms，与slowlog异常完全吻合，而第一批次的机器CPU都不是SKYLAKE-X平台的，避开了这个BUG，迁移之前Redis所在的物理机内核是3.10版本，自然也不存在这个问题。至此，终于解开上面三个疑惑。

五、总结

5.1 问题根因
通过上面的分析可以看出，问题根因在于内核4.9-4.13之间skylake-x平台TSC晶振频率的代码BUG，也就是说同时触发这两个因素都会导致系统时钟变慢，叠加上Redis计时使用的gettimeofday会容易被NTP修改导致了本文开头诡异的slowlog“异常”。有问题的宿主机内核升级到4.14版本后，时钟变慢的BUG得到了修复。
5.2 怎么获取时钟
对于应用需要打点记录当前时间的场景，也就是说获取Wall-Clock，可以使用clock_gettime传入CLOCK_REALTIME参数，虽然gettimeofday也可以实现同样的功能，但不建议继续使用，因为在新的POSIX标准中该函数已经被废弃。
对于应用需要记录某个方法耗时的场景，必须使用clock_gettime传入CLOCK_MONOTONIC参数，该参数获得的是自系统开机起单调递增的纳秒级别精度时钟，相比gettimeofday精度提高不少，并且不受NTP等外部服务影响，能准确更准确来统计耗时（Java中对应的是System.nanoTime），也就是说所有使用gettimeofday来统计耗时（Java中是System.currenttimemillis）的做法本质上都是错误的。
本文转载自公众号：携程技术中心， 点击查看原文。
Kubernetes线下实战培训

Kubernetes应用实战培训将于2018年12月21日在北京开课，3天时间带你系统学习Kubernetes 。本次培训包括：容器特性、镜像、网络；Docker特性、架构、组件、概念、Runtime；Docker安全；Docker实践；Kubernetes架构、核心组件、基本功能；Kubernetes设计理念、架构设计、基本功能、常用对象、设计原则；Kubernetes的实践、运行时、网络、插件已经落地经验；微服务架构、DevOps等，点击下方图片查看详情。

12月21日开课，点击阅读原文链接即可报名。