Android高性能日志寫入方案的實(shí)現(xiàn)

2019-10-21 21:30:26

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

前言

公司目前在做一款企業(yè)級(jí)智能客服系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性要求很高，不過(guò)難保用戶在使用中不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，而 Android SDK 集成在客戶的 APP 中，同時(shí)由于 Android 碎片化的問(wèn)題，對(duì)于 SDK 的問(wèn)題排查就顯得尤為困難，因此記錄下用戶的操作日志就顯得極為重要。

初始方案

一開(kāi)始，SDK 記錄日志的方式是直接通過(guò)寫文件，當(dāng)有一條日志要寫入的時(shí)候，首先，打開(kāi)文件，然后寫入日志，最后關(guān)閉文件。這樣做的問(wèn)題就在于頻繁的IO操作，影響程序的性能，而且 SDK 為了保證消息的及時(shí)性，還維護(hù)了一個(gè)后臺(tái)進(jìn)程，當(dāng)其中一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行日志寫入時(shí)，另一個(gè)就會(huì)被鎖在門外等著，問(wèn)題就愈發(fā)嚴(yán)重。使用這種方案雖然當(dāng)前看上去對(duì)程序的影響不大，但是隨著日志量的增加，更多的IO操作，一定會(huì)造成性能瓶頸。

下面我們來(lái)分析下直接寫入文件的流程：

用戶發(fā)起 write 操作
操作系統(tǒng)查找頁(yè)緩存
a.若未命中，則產(chǎn)生缺頁(yè)異常，然后創(chuàng)建頁(yè)緩存，將用戶傳入的內(nèi)容寫入頁(yè)緩存
b.若命中，則直接將用戶傳入的內(nèi)容寫入頁(yè)緩存
用戶 write 調(diào)用完成
頁(yè)被修改后成為臟頁(yè)，操作系統(tǒng)有兩種機(jī)制將臟頁(yè)寫回磁盤
a.用戶手動(dòng)調(diào)用 fsync()
b.由 pdflush 進(jìn)程定時(shí)將臟頁(yè)寫回磁盤

可以看出，數(shù)據(jù)從程序?qū)懭氲酱疟P的過(guò)程中，其實(shí)牽涉到兩次數(shù)據(jù)拷貝：一次是用戶空間內(nèi)存拷貝到內(nèi)核空間的緩存，一次是回寫時(shí)內(nèi)核空間的緩存到硬盤的拷貝。當(dāng)發(fā)生回寫時(shí)也涉及到了內(nèi)核空間和用戶空間頻繁切換。

而且相對(duì)于機(jī)械硬盤，SSD 存儲(chǔ)還有一個(gè)“寫入放大”的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題主要和 SSD 存儲(chǔ)的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng) SSD 被全部寫過(guò)一遍之后，再寫入的數(shù)據(jù)是不可以直接更新，只可以通過(guò)覆蓋重寫，在覆蓋之前需要先擦除數(shù)據(jù)。但寫入的最小單位是 Page，擦除的最小單位是 Block，而 Block 遠(yuǎn)大于 Page，所以在寫入新數(shù)據(jù)時(shí)就需要先把 Block 上的數(shù)據(jù)讀出來(lái)和要寫入的數(shù)據(jù)合并在一起，再把 Block 擦除，最后把讀出來(lái)的數(shù)據(jù)重新寫入到存儲(chǔ)上，這樣導(dǎo)致實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最開(kāi)始需要寫入的數(shù)據(jù)。

沒(méi)想到簡(jiǎn)單的寫文件竟然涉及了這么多操作，只是對(duì)于應(yīng)用層透明而已。

既然每寫一次文件會(huì)執(zhí)行這么多次操作，那么我們能不能將日志緩存起來(lái)，當(dāng)達(dá)到一定的數(shù)量后再一次性的寫入磁盤中呢？
這樣確實(shí)能夠大量減少 IO 次數(shù)，但是卻會(huì)引發(fā)另一個(gè)更嚴(yán)重的問(wèn)題——丟日志

把日志緩存在內(nèi)存中，當(dāng)程序發(fā)生 Crash 或進(jìn)程被殺后就無(wú)法保證日志的完整性，而且由于 SDK 存在多進(jìn)程，也無(wú)法保證多進(jìn)程下日志的順序。

一個(gè)完善的日志方案，需要滿足

高效，不能影響系統(tǒng)性能，不能因?yàn)橐肓巳罩灸K而造成應(yīng)用卡頓
保證日志的完整性，如果不能保證日志完整，那么日志收集就沒(méi)有意義了
對(duì)于多進(jìn)程應(yīng)用，要保證最終看到的日志順序的準(zhǔn)確性

高性能方案

既然無(wú)法減少寫入次數(shù)，那么我們能不能在寫文件的過(guò)程中去優(yōu)化呢？

答案是可以的，使用 mmap

mmap是一種內(nèi)存映射文件的方法，即將一個(gè)文件或者其它對(duì)象映射到進(jìn)程的地址空間，實(shí)現(xiàn)文件磁盤地址和進(jìn)程虛擬地址空間中一段虛擬地址的一一對(duì)映關(guān)系，函數(shù)原型如下

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

m Android,高性能,日志寫入 map操作提供了一種機(jī)制，讓用戶程序直接訪問(wèn)設(shè)備內(nèi)存，這種機(jī)制，相比較在用戶空間和內(nèi)核空間互相拷貝數(shù)據(jù)，效率更高。在要求高性能的應(yīng)用中比較常用。

時(shí) mmap 能夠保證日志的完整性，mmap 的回寫時(shí)機(jī)：

內(nèi)存不足
進(jìn)程退出
調(diào)用 msync 或者 munmap
不設(shè)置 MAP_NOSYNC 情況下 30s-60s(僅限FreeBSD)

當(dāng)映射一個(gè)文件后，程序就會(huì)在 native 內(nèi)存中申請(qǐng)一塊相同大小的空間，因此建議每次映射一小段內(nèi)容，如 64k，寫滿后再重新映射文件后面的內(nèi)容。

日志寫入性能和完整性的問(wèn)題解決了，那么如何保證多進(jìn)程下日志的順序呢？

由于 mmap 是采用共享內(nèi)存的方式寫入數(shù)據(jù)，如果兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)映射一個(gè)文件，那么一定會(huì)造成日志覆蓋的問(wèn)題。

既然不能直接保證順序，那我們只能退而求其次，兩個(gè)進(jìn)程分別映射不同的文件，每天合并一次，合并時(shí)對(duì)日志進(jìn)行排序。

繼續(xù)優(yōu)化

根據(jù)上述方案，設(shè)計(jì) jni 接口，打包 so，引入 SDK，看似沒(méi)什么問(wèn)題了，但是作為一款 SDK，總覺(jué)得包含 so 不太友好，在一定程度上會(huì)增加接入的難度。

那么能不能不用 so 呢？

其實(shí) Java 中已經(jīng)提供了內(nèi)存映射的實(shí)現(xiàn)——MappedByteBuffer

MappedByteBuffer 位于 Java NIO 包下，用于將文件內(nèi)容映射到緩沖區(qū)，使用的即是 mmap 技術(shù)。通過(guò) FileChannel 的 map 方法可以創(chuàng)建緩沖區(qū)

RandomAccessFileraf = new RandomAccessFile(file, "rw");MappedByteBuffer buffer = raf.getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, position, size);

為了測(cè)試 MappedByteBuffer 的效率，我們把 64byte 的數(shù)據(jù)分別寫入內(nèi)存、MappedByteBuffer 和磁盤文件 50 萬(wàn)次，并統(tǒng)計(jì)耗時(shí)