记一次获得3倍性能的Go程序优化实践
Go 的高性能真不是吹的，当然是要在足够的优化之后。获得 3 倍性能的优化实践，值得借鉴。
\\背景介绍
\\之前公司一直使用 Logstash 作为日志文件采集客户端程序。Logstash 功能强大，有丰富的数据处理插件及很好的扩展能力，但由于使用 JRuby 实现，性能堪忧。而 Filebeat 是后来出现的一个用 Go 语言实现的、更轻量级的日志文件采集客户端。性能不错、资源占用少，但几乎没有任何解析处理能力。
\\通常的使用场景是使用 Filebeat 采集到 Logstash 解析处理，然后再上传到 Kafka 或 Elasticsearch。值得注意的是，Logstash 和 Filebeat 都是 Elastic 公司的优秀开源产品。
\\为了提高客户端的日志采集性能，又减少数据传输环节和部署复杂度，并更充分地将 Go 语言的性能优势利用于日志解析，于是决定在 Filebeat 上通过开发插件的方式，实现针对公司日志格式规范的解析，直接作为 Logstash 的替代品。
\\实现与优化
\\Version 1.0
\\先做一个最简单的实现，即用 Go 自带的正则表达式包 regexp 做日志解析。性能已经比 Logstash（也是通过开发插件做规范日志解析）高出 30%。
\\这里的性能测试着眼于日志采集的瓶颈——解析处理 环节，指标是在限制只使用一个 CPU core 的条件下（在服务器上要尽量减少对业务应用的资源占用），采集并解析 1 百万条指定格式和长度的日志所花费的时间。
\\测试环境是 1 台主频为 3.2GHz 的 PC。为了避免 disk IO 及 page cache 的影响，将输入文件和输出文件都放在 /dev/shm 中。对于 Filebeat 的 CPU 限制，是通过启动时指定环境变量 GOMAXPROCS=1 实现的。
\\这一版本处理 1 百万条日志花费的时间为 122 秒，即每秒 8200 条日志。
\\Version 2.0
\\接下来尝试做一些优化，看看这个 Go 插件的性能还可不可以有些提升。首先想到的是替换 regexp 包。Linux 下有一个 C 实现的 PCRE 库，https://github.com/glenn-brown/golang-pkg-pcre 这个第三方包正是将 PCRE 库应用到 Golang 中。CentOS 下需要先安装 pcre-devel 这个包。
\\这个版本的处理时间为 97 秒，结果显示比第一个版本的处理性能提升了 25%。
\\Version 3.0
\\第三个版本，是完全不使用正则表达式，而是针对固定的日志格式规则，利用 strings.Index() 做字符串分解和提取操作。这个版本的处理时间为 70 秒，性能又大大的提升了将近 40%。
\\Version 4.0
\\那还有没有进一步提升的空间呢？有。就是 Filebeat 用作序列化输出的 JSON 包。我们的日志上传使用 JSON 格式，而 Filebeat 使用 Go 自带的 encoding/json 包是基于反射实现的，性能一直广受诟病。如果对 JSON 解析有优化的话，性能提高会是很可观的。
\\既然我们的日志格式是固定的，解析出来的字段也是固定的，这时就可以基于固定的日志结构体做 JSON 的序列化，而不必用低效率的反射来实现。Go 有多个针对给定结构体做 JSON 序列化 / 反序列化的第三方包，我们这里使用的是 easyjson：https://github.com/mailru/easyjson。
\\在安装完 easyjson 包后，对定义了日志格式结构体的程序文件执行 easyjson 命令，会生成一个 xxx_easyjson.go 的文件，里面包含了这个结构体专用的 Marshal/Unmarshal 方法。
\\这样一来，处理时间又缩短为 61 秒，性能提高 15%。
\\这时，代码在我面前，已经想不出有什么大的方面还可以优化的了。是时候该本文的另一个主角，火焰图出场了。
\\on-cpu/off-cpu 火焰图
\\火焰图是性能分析的一个有效工具，http://www.brendangregg.com/flamegraphs.html 这里是它的说明。通常看到的火焰图，是指 on-cpu 火焰图，用来分析 CPU 都消耗在哪些函数调用上。
\\on-cpu 火焰图
\\安装完 FlameGraph：https://github.com/brendangregg/FlameGraph 工具后，先对目前版本的程序运行一次性能测试，按照说明抓取数据生成火焰图如下。
\\注：FlameGraph 对于 C/Go 程序是通用的。对于 Go 程序，也可以使用自带的 net/http/pprof 包作为数据源，然后安装 Uber 的 go-torch：https://github.com/uber/go-torch 工具来自动调用 FlameGraph 脚本生成 on-cpu 火焰图，执行会稍为简便一些。参见 go-torch 说明。
\\(点击放大图像)
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图中纵向代表的是函数调用栈，横向各个方块的宽度代表的是占用 CPU 时间的比例，需要留意的是靠近顶端的大长条。方块的颜色是随机的没有实际意义。
\\从上图可以看到 CPU 时间占用最多的主要有两块。一块是 Output 处理部分，稍为大头的是 JSON 处理，这块已经优化过没什么可以做的了。另一块就比较奇怪了，是 common.MapStr.Clone() 方法，居然占了 40% 的 CPU 时间。再往上看，主要是 Errorf 的处理。一看代码，马上明白了。
\\(点击放大图像)
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common.MapStr 是在 pipeline 中存放日志内容的结构体，它的 Clone() 方法实现里判断一个子键值是否为嵌套的 MapStr 结构时，是通过判断 toMapStr() 方法是否返回 error。从这里看，生成 error 对象的代价是非常可观的。于是，一个显然的 fix，就是将 toMapStr() 中的判断方法移到 Clone() 中并避免生成 error。
\\Version 5.0
\\对修改后的代码重新生成一张火焰图如下。
\\(点击放大图像)
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这时 common.MapStr.Clone() 从图中已经几乎找不见了，证明花费的 CPU 时间已经可以忽略不计。
\\测试时间一下子缩短到了 46 秒，节省了 33%，非常大的改善！
\\off-cpu 火焰图
\\到现在，还有一个之前未提到的问题没有解决——在限制使用一个 core 之后，测试运行时 CPU 利用率只能跑到 80% 多。是不是由于有锁存在影响了性能呢？
\\这时候，又该请 off-cpu 火焰图 出场了。off-cpu 火焰图，是用来分析程序没有有效利用 CPU 的时候，消耗在什么地方了，在 http://www.brendangregg.com/FlameGraphs/offcpuflamegraphs.html 有详细的介绍。
\\数据收集比 on-cpu 火焰图要复杂，可以使用大名鼎鼎的春哥提供的 openresty-systemtap-toolkit：https://github.com/openresty/openresty-systemtap-toolkit 包。春哥的项目页面中没有详细说明的是 kernel-devel 和 debuginfo 包的安装方法。在此也记录一下。
\\(点击放大图像)
\\
安装完后按照说明生成了 off-cpu 火焰图如下：
\\(点击放大图像)
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可以明显地看到，对 Registry 文件（Filebeat 用于记录文件采集列表和 offset 数据）的写操作占了一定比例。于是，尝试将 Filebeat 的 spool_size（每完成这么多条日志更新一次 Registry 文件）设置为 10240，默认值的 5 倍，运行测试 CPU 已经可以跑到 95% 以上。而将 Registry 设置到 /dev/shm/ 下也同样可以解决测试时 CPU 跑不满的问题。
\\这就否定了上面对锁使用不当影响性能的猜测。在实际应用时 spool_size 的设置应当依据结合了 output 端（如写入到 Kafka）的测试数据来决定。
\\\\\至此，优化结束，性能达到了最初版本的 3 倍！
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各个版本的具体运行性能数据如下图所示：
\\(点击放大图像)
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需要稍作说明的是：
\\- \\t
Filebeat 开发是基于 5.3.1 版本，Go 版本是 1.8
\\t\\t - \\t
Logstash 的测试通过 -w 1 参数配置使用一个工作进程，并未限制使用一个 core
\\t\\t - \\t
执行时间包括了程序的启动时间（Logstash 的启动时间有将近 20 秒）
\\t\
最终的优化结果是，针对特定格式和长度的日志解析能力在 PC 上达到了每秒 25000 条，即使在 CPU 主频较低的生产服务器上，也可以达到每秒 20000 条。
\\Go 的高性能真不是吹的，当然是要在足够的优化后：）
\\最后，关于 Go 的性能有一篇这样的讨论，有兴趣可以看看.
\\作者介绍
\\潘卫华 (Peter)，唯品会架构师，关注基础架构方向。10余年通信及IT研发经验，曾任职爱立信，现任职唯品会基础架构部门。近年对基于ELK的日志存储系统，以及基于Spark Streaming的实时日志分析等技术有较多研究。喜欢对问题进行深入分析和创新思考，善于挖掘各种工具的潜力。
\\感谢雨多田光对本文的审校。
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