线上故障定位思路

1、监控

其实,排查问题就像在破案,生产环境出现问题时,因为要尽快恢复应用,就不可能保留完整现场用于排查和测试。因此,是否有充足的信息可以了解过去、还原现场就成了破案的关键。这里说的信息,主要就是日志、监控和快照。

1.1、日志

主要注意两点:

  • 确保错误、异常信息可以被完整地记录到文件日志中;

  • 确保生产上程序的日志级别是 INFO 以上。记录日志要使用合理的日志优先级,DEBUG 用于开发调试、INFO 用于重要流程信息、WARN 用于需要关注的问题、ERROR 用于阻断流程的错误。

1.2、实时监控

对于监控,在生产环境排查问题时,首先就需要开发和运维团队做好充足的监控,而且是多个层次的监控。

  • 主机层面,对 CPU、内存、磁盘、网络等资源做监控。如果应用部署在虚拟机或 Kubernetes 集群中,那么除了对物理机做基础资源监控外,还要对虚拟机或 Pod 做同样的监控。监控层数取决于应用的部署方案,有一层 OS 就要做一层监控。

  • 网络层面,需要监控专线带宽、交换机基本情况、网络延迟。

  • 所有的中间件和存储都要做好监控,不仅仅是监控进程对 CPU、内存、磁盘 IO、网络使用的基本指标,更重要的是监控组件内部的一些重要指标。比如,著名的监控工具 Prometheus,就提供了大量的exporter来对接各种中间件和存储系统。

  • 应用层面,需要监控 JVM 进程的类加载、内存、GC、线程等常见指标(比如使用Micrometer来做应用监控),此外还要确保能够收集、保存应用日志、GC 日志。

1.3、快照

我们再来看看快照。这里的“快照”是指,应用进程在某一时刻的快照。

通常情况下,我们会为生产环境的 Java 应用设置 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 和 -XX:HeapDumpPath=…这 2 个 JVM 参数,用于在出现 OOM 时保留堆快照。

2、分析定位问题

定位问题,首先要定位问题出在哪个层次上。比如,是 Java 应用程序自身的问题还是外部因素导致的问题。

我们可以先查看日志是否有异常,异常信息一般比较具体,可以马上定位到大概的问题方向;如果是一些资源消耗型的问题可能不会有异常,我们可以通过指标监控配合显性问题点来定位。

一般情况下,程序的问题来自以下三个方面。

2.1、业务逻辑bug

这类问题的排查,可以回滚后再慢慢分析版本差异。

2.2、外部因素,比如主机、中间件或数据库的问题。

这类问题的排查方式,按照主机层面的问题、中间件或存储(统称组件)的问题分为两类。

2.2.1、主机层面的问题,可以使用工具排查

  • CPU 相关问题,可以使用 top、vmstat、pidstat、ps 等工具排查;
  • 内存相关问题,可以使用 free、top、ps、vmstat、cachestat、sar 等工具排查;
  • IO 相关问题,可以使用 lsof、iostat、pidstat、sar、iotop、df、du 等工具排查;
  • 网络相关问题,可以使用 ifconfig、ip、nslookup、dig、ping、tcpdump、iptables 等工具排查。

2.2.2、组件的问题,可以从以下几个方面排查

  • 排查组件所在主机是否有问题;
  • 排查组件进程基本情况,观察各种监控指标;
  • 查看组件的日志输出,特别是错误日志;
  • 进入组件控制台,使用一些命令查看其运作情况。

2.2.3、因为系统资源不够造成系统假死的问题

通常需要先通过重启和扩容解决问题,之后再进行分析,不过最好能留一个节点作为现场。系统资源不够,一般体现在 CPU 使用高、内存泄漏或 OOM 的问题、IO 问题、网络相关问题这四个方面。

2.3、CPU 使用高

如果现场还在,具体的分析流程是:

  • 首先,在 Linux 服务器上运行 top -Hp pid 命令,来查看进程中哪个线程 CPU 使用高;
  • 然后,输入大写的 P 将线程按照 CPU 使用率排序,并把明显占用 CPU 的线程 ID 转换为 16 进制;
  • 最后,在 jstack 命令输出的线程栈中搜索这个线程 ID,定位出问题的线程当时的调用栈。

如果没有条件直接在服务器上运行 top 命令的话,我们可以用采样的方式定位问题:间隔固定秒数(比如 10 秒)运行一次 jstack 命令,采样几次后,对比采样得出哪些线程始终处于运行状态,分析出问题的线程。

如果现场没有了,我们可以通过排除法来分析。

CPU 使用高,一般是由下面的因素引起的:

  • 突发压力:这类问题,我们可以通过应用之前的负载均衡的流量或日志量来确认,诸如 Nginx 等反向代理都会记录 URL,可以依靠代理的 Access Log 进行细化定位,也可以通过监控观察 JVM 线程数的情况。

    压力问题导致 CPU 使用高的情况下,如果程序的各资源使用没有明显不正常,之后可以通过压测 +Profiler(jvisualvm 就有这个功能)进一步定位热点方法;如果资源使用不正常,比如产生了几千个线程,就需要考虑调参。

  • GC:这种情况,我们可以通过 JVM 监控 GC 相关指标、GC Log 进行确认。

    如果确认是 GC 的压力,那么内存使用也很可能会不正常,需要按照内存问题分析流程做进一步分析。

  • 程序中死循环逻辑或不正常的处理流程:这类问题,我们可以结合应用日志分析。

    一般情况下,应用执行过程中都会产生一些日志,可以重点关注日志量异常部分。

2.4、对于内存泄露或 OOM 的问题

最简单的分析方式,就是堆转储后使用 MAT 分析,堆转储,包含了堆现场全貌和线程栈信息,一般观察支配树图、直方图就可以马上看到占用大量内存的对象,可以快速定位到内存相关问题。

需要注意的是,Java 进程对内存的使用不仅仅是堆区,还包括线程使用的内存(线程个数 * 每一个线程的线程栈)和元数据区。每一个内存区都可能产生 OOM,可以结合监控观察线程数、已加载类数量等指标分析。

另外,我们需要注意看一下,JVM 参数的设置是否有明显不合理的地方,限制了资源使用。

2.5、IO 相关的问题

除非是代码问题引起的资源不释放等问题,否则通常都不是由 Java 进程内部因素引发的。

2.6、网络相关的问题

一般也是由外部因素引起的。

对于连通性问题,结合异常信息通常比较容易定位;

对于性能或瞬断问题,可以先尝试使用 ping 等工具简单判断,如果不行再使用 tcpdump 或 Wireshark 来分析。

3、分析和定位问题需要注意的九个点

有些时候,我们分析和定位问题时,会陷入误区或是找不到方向。遇到这种情况,你可以借鉴下我的九个心得。

第一,考虑“鸡”和“蛋”的问题

比如,发现业务逻辑执行很慢且线程数增多的情况时,我们需要考虑两种可能性:

  • 一是,程序逻辑有问题或外部依赖慢,使得业务逻辑执行慢,在访问量不变的情况下需要更多的线程数来应对。比如,10TPS 的并发原先一次请求 1s 可以执行完成,10 个线程可以支撑;现在执行完成需要 10s,那就需要 100 个线程。
  • 二是,有可能是请求量增大了,使得线程数增多,应用本身的 CPU 资源不足,再加上上下文切换问题导致处理变慢了。

出现问题的时候,我们需要结合内部表现和入口流量一起看,确认这里的“慢”到底是根因还是结果。

第二,考虑通过分类寻找规律

在定位问题没有头绪的时候,我们可以尝试总结规律。

比如,我们有 10 台应用服务器做负载均衡,出问题时可以通过日志分析是否是均匀分布的,还是问题都出现在 1 台机器。

又比如,应用日志一般会记录线程名称,出问题时我们可以分析日志是否集中在某一类线程上。再比如,如果发现应用开启了大量 TCP 连接,通过 netstat 我们可以分析出主要集中连接到哪个服务。

如果能总结出规律,很可能就找到了突破点。

第三,分析问题需要根据调用拓扑来,不能想当然

比如,我们看到 Nginx 返回 502 错误,一般可以认为是下游服务的问题导致网关无法完成请求转发。对于下游服务,不能想当然就认为是我们的 Java 程序,比如在拓扑上可能 Nginx 代理的是 Kubernetes 的 Traefik Ingress,链路是 Nginx->Traefik-> 应用,如果一味排查 Java 程序的健康情况,那么始终不会找到根因。

又比如,我们虽然使用了 Spring Cloud Feign 来进行服务调用,出现连接超时也不一定就是服务端的问题,有可能是客户端通过 URL 来调用服务端,并不是通过 Eureka 的服务发现实现的客户端负载均衡。换句话说,客户端连接的是 Nginx 代理而不是直接连接应用,客户端连接服务出现的超时,其实是 Nginx 代理宕机所致。

第四,考虑资源限制类问题

观察各种曲线指标,如果发现曲线慢慢上升然后稳定在一个水平线上,那么一般就是资源达到了限制或瓶颈。

比如,在观察网络带宽曲线的时候,如果发现带宽上升到 120MB 左右不动了,那么很可能就是打满了 1GB 的网卡或传输带宽。

又比如,观察到数据库活跃连接数上升到 10 个就不动了,那么很可能是连接池打满了。

观察监控一旦看到任何这样的曲线,都要引起重视。

第五,考虑资源相互影响

CPU、内存、IO 和网络,这四类资源就像人的五脏六腑,是相辅相成的,一个资源出现了明显的瓶颈,很可能会引起其他资源的连锁反应。

比如,内存泄露后对象无法回收会造成大量 Full GC,此时 CPU 会大量消耗在 GC 上从而引起 CPU 使用增加。

又比如,我们经常会把数据缓存在内存队列中进行异步 IO 处理,网络或磁盘出现问题时,就很可能会引起内存的暴涨。

因此,出问题的时候,我们要考虑到这一点,以避免误判。

第六,排查网络问题:到底是客户端问题,还是服务端问题,还是传输问题

比如,出现数据库访问慢的现象,可能是客户端的原因,连接池不够导致连接获取慢、GC 停顿、CPU 占满等;

也可能是传输环节的问题,包括光纤、防火墙、路由表设置等问题;

也可能是真正的服务端问题,需要逐一排查来进行区分。

服务端慢一般可以看到 MySQL 出慢日志,传输慢一般可以通过 ping 来简单定位,排除了这两个可能,并且仅仅是部分客户端出现访问慢的情况,就需要怀疑是客户端本身的问题。

对于第三方系统、服务或存储访问出现慢的情况,不能完全假设是服务端的问题。

第七,快照类工具和趋势类工具需要结合使用

比如,jstat、top、各种监控曲线是趋势类工具,可以让我们观察各个指标的变化情况,定位大概的问题点;

而 jstack 和分析堆快照的 MAT 是快照类工具,用于详细分析某一时刻应用程序某一个点的细节。

一般情况下,我们会先使用趋势类工具来总结规律,再使用快照类工具来分析问题。

如果反过来可能就会误判,因为快照类工具反映的只是一个瞬间程序的情况,不能仅仅通过分析单一快照得出结论,如果缺少趋势类工具的帮助,那至少也要提取多个快照来对比。

第八,不要轻易怀疑监控

我曾看过一个空难事故的分析,飞行员在空中发现仪表显示飞机所有油箱都处于缺油的状态,他第一时间的怀疑是油表出现故障了,始终不愿意相信是真的缺油,结果飞行不久后引擎就断油熄火了。

同样地,在应用出现问题时,我们会查看各种监控系统,但有些时候我们宁愿相信自己的经验,也不相信监控图表的显示。这可能会导致我们完全朝着错误的方向来排查问题。

如果你真的怀疑是监控系统有问题,可以看一下这套监控系统对于不出问题的应用显示是否正常,如果正常那就应该相信监控而不是自己的经验。

第九,如果无法定位到根因

如果因为监控缺失等原因无法定位到根因的话,相同问题就有再出现的风险,

需要做好三项工作:

  1. 做好日志、监控和快照补漏工作,下次遇到问题时可以定位根因;
  2. 针对问题的症状做好实时报警,确保出现问题后可以第一时间发现;
  3. 考虑做一套热备的方案,出现问题后可以第一时间切换到热备系统快速解决问题,同时又可以保留老系统的现场。

4、总结

第一,分析问题一定是需要依据的,靠猜是猜不出来的,需要提前做好基础监控的建设。监控的话,需要在基础运维层、应用层、业务层等多个层次进行。定位问题的时候,我们同样需要参照多个监控层的指标表现综合分析。

第二,定位问题要先对原因进行大致分类,比如是内部问题还是外部问题、CPU 相关问题还是内存相关问题、仅仅是 A 接口的问题还是整个应用的问题,然后再去进一步细化探索,一定是从大到小来思考问题;在追查问题遇到瓶颈的时候,我们可以先退出细节,再从大的方面捋一下涉及的点,再重新来看问题。

第三,分析问题很多时候靠的是经验,很难找到完整的方法论。遇到重大问题的时候,往往也需要根据直觉来第一时间找到最有可能的点,这里甚至有运气成分。我还和你分享了我的九条经验,建议你在平时解决问题的时候多思考、多总结,提炼出更多自己分析问题的套路和拿手工具。

最后,值得一提的是,定位到问题原因后,我们要做好记录和复盘。每一次故障和问题都是宝贵的资源,复盘不仅仅是记录问题,更重要的是改进。

复盘时,我们需要做到以下四点:

  • 记录完整的时间线、处理措施、上报流程等信息;
  • 分析问题的根本原因;
  • 给出短、中、长期改进方案,包括但不限于代码改动、SOP、流程,并记录跟踪每一个方案进行闭环;
  • 定期组织团队回顾过去的故障。

5 线上案例分析

案例1:线上k8s管理服务,有时候oom,服务重启由k8s触发的,这将导致设置的生成dump 文件无效。有好的思路吗?

办法:k8s应该在cpu或者内存的使用率上做报警,大于90%的时候可以dump和jstack一次,甚至jstat也可以做,然后95%的时候也同样执行一次, 甚至98或者99的时候也可以做一次,这样不仅可以保留现场,同时还可以对比。可以更好的排查问题。

案例2:上线了一个新功能,正常情况下没事,但是只要运行新业务, 就发现内存的使用率慢慢升高,随后导致CPU的使用率升高,最后CPU的使用率大于90%,直接出发报警,最后导致服务挂了;

办法:在分析挂之前的dump的时候发现,JDBCClientImpl有几十万个,4G的dump文件中,JDBCClientImpl就占用了3G多,在分析jstat的文件,发现full GC特别频繁,但是回收效果并不明显,导致CPU飙升,因为使用的是vertx框架,connection是手动管理; 新功能有一个情况是A方法获取connection,但是A方法内部也要调用B方法,就把connection传递给B方法,然后在B方法中关闭链接,但是B方法并不是每次都被调用,有if条件,当时是为了做健壮性判断的,现在导致不进B方法,导致数据库连接不释放,内存使用率飙升,full GC执行多次触发CPU报警。

案例3:元数据区的问题,JDK8默认的元数据区大小是20.8M,因为class等都放在元数据去,当加载的calss文件多的时候,20.8M是不够的,只要元数据扩容,必定引起full GC,因此建议在启动的时候对于元数据区设定一个合适的大小。

案例4:如果你现在打开一个 App 后发现首页展示了一片空白,那这到底是客户端兼容性的问题,还是服务端的问题呢?

分析思路:

首先,我们需要区分客户端还是服务端错误。
我们可以先从客户端下手,排查看看是否是服务端问题,也就是通过抓包来看服务端的返回(一般而言客户端发布之前会经过测试,而且无法随时变更,所以服务端出错的可能性会更大一点)。因为一个客户端程序可能对应几百个服务端接口,先从客户端(发出请求的根源)开始排查问题,更容易找到方向。

如果服务端没有返回正确的输出,那么就需要继续排查服务端接口或是上层的负载均衡了,排查方式为:

  • 查看负载均衡(比如 Nginx)的日志;
  • 查看服务端日志;
  • 查看服务端监控。

如果服务端返回了正确的输出,那么要么是由于客户端的 Bug,要么就是外部配置等问题了,排查方式为:

  • 查看客户端报错(一般而言,客户端都会对接 SAAS 的异常服务);
  • 直接本地启动客户端调试。

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