如何实现一个APMwatchdog，你学会了吗？

Hello，大家好，之前说不打算更新公众号了，后面有时间的话还是会偶尔更新下，记录和分享下一些技术相关的内容，今天分享下如何实现一个 APM watchdog。

专业领域包括成都做网站、成都网站建设、成都外贸网站建设、商城网站定制开发、微信营销、系统平台开发， 与其他网站设计及系统开发公司不同，创新互联建站的整合解决方案结合了帮做网络品牌建设经验和互联网整合营销的理念，并将策略和执行紧密结合，为客户提供全网互联网整合方案。

在 APM 中，保证及时并准确地获取应用的信息是非常重要的，这样才能保证应用出现问题时，我们可以高效地找到并解决问题。本文以之前提交给 Node.js 的 PR 为例，介绍如何实现一个 APM watchdog 来对应用进行监控。这个 PR 的实现思想来自我们在内部实现的 APM watchdog，但是因为逻辑复杂，目前暂时还没有时间去推进。

首先来看一下如何使用，然后看看一下如何实现。

new MemoryProfileWatchdog({
    // 内存阈值，达到该阈值则采集堆快照
    maxRss: 1024 * 1024,
    maxUsedHeapSize: 1024 * 1024,
    // 轮询间隔
    interval: 1000,
    // 快照写到哪个文件
    filename: filepath,
});

可以看到，启动一个 watchdog 非常简单，我们只需要配置一些监控的阈值和轮训时间。监控的数据是基于定时轮询的，因为没有相关的订阅发布机制，当 watchdog 监控到数据达到阈值时就会采集堆快照，因为这里是一个内存 watchdog，我们也可以实现 CPU watchdog，原理是一样的。接着看看实现，首先看 JS 层的实现。

class MemoryProfileWatchdog {
  #handle;
  constructor(options) {
    this.#handle = new profiler.MemoryProfileWatchdog({
      ...options,
      filename,
    });

    this.#handle.start();
  }
  stop() {
    if (this.#handle) {
      this.#handle.stop();
      this.#handle = null;
    }
  }
}

JS 层的实现非常简单，只是对 C++ 层的简单封装，所以直接来看 C++ 层的实现，我们忽略一些细节，只关注核心逻辑。

class ProfileWatchdog : public BaseObject {
 public:
  enum class ProfileWatchdogState { kInitialized, kRunning, kClosing, kClosed };
  ProfileWatchdog(Environment* env, v8::Local object);
  ~ProfileWatchdog() override;
  static v8::Local GetConstructorTemplate(Environment* env);
  // 启动 / 停止 watchdog
  static void Start(const v8::FunctionCallbackInfo& args);
  static void Stop(const v8::FunctionCallbackInfo& args);
  void Start(Environment* env);
  void Stop();
  // 提交一个任务
  template 
  void AddTask(Fn&& cb, CallbackFlags::Flags flags = CallbackFlags::Flags::kRefed);
  // 处理一个任务
  void HandleTasks();
  // 启动一个定时器
  void SetTimeout();
  // 定时器回调，具体的逻辑由子类实现
  virtual bool TimeoutHandler() = 0;

 protected:
  // 轮询间隔
  uint64_t interval_;
 private:
  static void Run(void* arg);
  static void Timer(uv_timer_t* timer);
  // 子线程
  uv_thread_t thread_;
  uv_loop_t loop_;
  // 主线程和子线程的通信结构体
  uv_async_t async_;
  // 定时器
  uv_timer_t timer_;
  // 任务队列
  CallbackQueue tasks_;
  Mutex task_mutex_;
};

ProfileWatchdog 实现了 watchdog 机制，具体需要监控什么数据由子类实现，比如内存 watchdog。

class MemoryProfileWatchdog : public ProfileWatchdog {
 public:
  MemoryProfileWatchdog(Environment* env,
                        v8::Local object,
                        v8::Local options);
  static void Init(Environment* env, v8::Local target);
  static void New(const v8::FunctionCallbackInfo& args);
  bool TimeoutHandler() override;

 private:
  // 需要监控的数据指标
  size_t max_rss_ = 0;
  size_t max_used_heap_size_ = 0;
  std::string filename_;
};

有了基本的了解后，接下来看具体实现。

void ProfileWatchdog::Start(Environment* env) {
    int rc;
    // 初始化一个事件循环结构体
    rc = uv_loop_init(&loop_);
    // 初始化线程间通信结构体
    rc = uv_async_init(&loop_, &async_, [](uv_async_t* task_async) {
      ProfileWatchdog* w = ContainerOf(&ProfileWatchdog::async_, task_async);
      w->HandleTasks();
    });
    // 初始化并启动一个定时器
    rc = uv_timer_init(&loop_, &timer_);
    rc = uv_timer_start(&timer_, &ProfileWatchdog::Timer, interval_, 0);
    // 创建 watchdog 线程
    rc = uv_thread_create(&thread_, &ProfileWatchdog::Run, this);
}

当启动一个 watchdog 时就会执行 Start，Start 函数中主要初始化了线程间通信的结构体，然后启动一个定时器，最后创建一个 watchdog 线程。因为 Node.js 是单线程的，为了保证 watchdog 在 JS 繁忙时仍可正常工作，我们需要借助子线程。创建子线程后，子线程就会开始执行 ProfileWatchdog::Run。

void ProfileWatchdog::Run(void* arg) {
  ProfileWatchdog* wd = static_cast(arg);
  uv_run(&wd->loop_, UV_RUN_DEFAULT);
  CheckedUvLoopClose(&wd->loop_);
}

Run 的逻辑很简单，就是启动一个事件循环，因为我们前面启动了一个定时器，所以这个事件循环里就会定时执行定时器回调 ProfileWatchdog::Timer。

void ProfileWatchdog::Timer(uv_timer_t* timer) {
  ProfileWatchdog* w = ContainerOf(&ProfileWatchdog::timer_, timer);
  // 往主线程插入一个任务
  env->RequestInterrupt([watchdog = std::move(w)](Environment* env) {
    // 执行定时器的逻辑，由具体的 watchdog 实现，返回 true 表示重启定时器，否则监控到此为止
    if (watchdog->TimeoutHandler()) {
      // 往子线程里插入一个任务，该任务是重启定时器
      watchdog->AddTask(
          [watchdog = std::move(watchdog)]() { watchdog->SetTimeout(); });
    }
  });
}

Timer 中通过 env->RequestInterrupt 往主线程插入一个任务，因为有些代码是不能在子线程里执行的，另外 RequestInterrupt 可以保证在 JS 繁忙或阻塞在事件驱动模块时仍然可以执行我们的任务，那么这个任务具体做什么呢？看看内存 watchdog 的 TimeoutHandler 实现。

bool MemoryProfileWatchdog::TimeoutHandler() {
  bool reached = false;
  if (max_rss_) {
    size_t rss = 0;
    uv_resident_set_memory(&rss);
    if (rss >= max_rss_) {
      reached = true;
    }
  }

  if (!reached && max_used_heap_size_) {
    Isolate* isolate = env()->isolate();
    HeapStatistics heap_statistics;
    isolate->GetHeapStatistics(&heap_statistics);
    if (heap_statistics.used_heap_size() >= max_used_heap_size_) {
      reached = true;
    }
  }
  // 内存达到阈值，采集快照
  if (reached) {
    HeapProfiler::HeapSnapshotOptions options;
    options.numerics_mode = HeapProfiler::NumericsMode::kExposeNumericValues;
    options.snapshot_mode = HeapProfiler::HeapSnapshotMode::kExposeInternals;
    heap::WriteSnapshot(env(), filename_.c_str(), options);
    // 采集完快照，停止 watchdog
    return false;
  }
  return true;
}

TimeoutHandler 就是获取主线程的内存信息，并判断是否超过了我们配置的阈值，是的话则采集堆快照并停止 watchdog，防止采集过多的重复信息，我们也可以改成隔久一点再开始重新监控，而内存如果没有超过阈值，则重启定时器，等待下一轮判断。从前面的代码可以看到，如果没有达到阈值，我们会调用 AddTask 往子线程插入一个任务。

watchdog->AddTask([watchdog = std::move(watchdog)]() { 
    watchdog->SetTimeout(); 
});

看一下 AddTask 的实现。

template 
void ProfileWatchdog::AddTask(Fn&& cb, CallbackFlags::Flags flags) {
  auto callback = tasks_.CreateCallback(std::move(cb), flags);
  {
    Mutex::ScopedLock lock(task_mutex_);
    // 追加一个任务
    tasks_.Push(std::move(callback));
  }
  // 通知子线程有任务处理
  uv_async_send(&async_);
}

AddTask 往子线程的任务队列中插入一个任务，并通知子线程处理，接着看看子线程如何处理任务。

void ProfileWatchdog::HandleTasks() {
  while (tasks_.size() > 0) {
    CallbackQueue queue;
    {
      Mutex::ScopedLock lock(task_mutex_);
      queue.ConcatMove(std::move(tasks_));
    }
    while (auto head = queue.Shift()) head->Call();
  }
}

HandleTasks 会逐个任务处理，也就是执行一个个函数，我们刚才插入的函数如下。

void ProfileWatchdog::SetTimeout() {
  uv_timer_start(&timer_, &ProfileWatchdog::Timer, interval_, 0);
}

也就是重启定时器，这样就开始等待下次超时，直到触发了阈值。

这就是 APM watchdog 的实现原理，核心思想是利用子线程和 env->RequestInterrupt 机制，保证我们对目的线程进行相对实时的监控（取决于设置的轮询时间），并在发现问题采集相关信息来协助我们排查问题，利用这个思路，我们可以实现不同类型的 watchdog 来解决不同的问题，比如 CPU watchdog 可以在 JS 死循环时采集 CPU Profile 信息帮助我们找到有问题的代码，本文就分享到这里，最后贴上目前的实现 PR（见文章末尾）。因为涉及到多线程和 Node.js 内部的一些知识，实现起来有很多地方需要考虑的，希望后面有时间继续推进。

PR：https://github.com/nodejs/node/pull/45714

分享标题：如何实现一个APMwatchdog，你学会了吗？
网页路径：http://www.shufengxianlan.com/qtweb/news24/257224.html

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