APM-SkyWalking介绍

2024-05-07 04:32
文章标签 介绍 apm skywalking

本文主要是介绍APM-SkyWalking介绍，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

APM-SkyWalking介绍

APM学习架构图

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APM 介绍

APM是什么？

​ APM的全称是 Application Performance Monitor 即 应用性能监控，APM致力于监控和管理应用软件性能和可用性。通过监测和诊断处理复杂应用程序的性能问题，来保证软件应用程序的良好运行(预期的服务)。
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主流APM对比

有 zipkin,pinpoint,skywalking ，下面主要对pinpoint和skywalking 进行对比：

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Pinpoint的优势在于：追踪数据粒度非常细、功能强大的用户界面，以及使用HBase作为存储带来的海量存储能力。

skywalking的优势在于：非常活跃的中文社区，支持多种语言的探针，对国产开源软件非常全面的支持，以及使用es作为底层存储带来的强大的检索能力，并且skywalking的扩展性以及定制化要更优于Pinpoint。

SkyWalking介绍

SkyWalking 是中国人开发的，也是国内唯一一个发展成为Apache顶级项目的个人开源项目。SkyWalking 是一个为了微服务，容器化，和分布式系统而生的高度组件化的APM项目。

SkyWalking 结构分析

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SkyWalking原理介绍

SkyWalking 基础架构图

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JavaAgent 介绍

SkyWalking 探针在使用上是无代码侵入的，而这种无侵入的自动埋点基于Java 的JavaAgent 技术。

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JavaAgent 主要有两个方法实现–premain 和transform;

premain是javaAgent 的入口方法

public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) throws PluginException {final PluginFinder pluginFinder;try {SnifferConfigInitializer.initialize(agentArgs);//创建插件查找器pluginFinder = new PluginFinder(new PluginBootstrap().loadPlugins());} catch (Exception e) {logger.error(e, "Skywalking agent initialized failure. Shutting down.");return;}final ByteBuddy byteBuddy = new ByteBuddy().with(TypeValidation.of(Config.Agent.IS_OPEN_DEBUGGING_CLASS));AgentBuilder agentBuilder = new AgentBuilder.Default(byteBuddy).ignore(nameStartsWith("net.bytebuddy.").or(nameStartsWith("org.slf4j.")).or(nameStartsWith("org.apache.logging.")).or(nameStartsWith("org.groovy.")).or(nameContains("javassist")).or(nameContains(".asm.")).or(nameStartsWith("sun.reflect")).or(allSkyWalkingAgentExcludeToolkit()).or(ElementMatchers.<TypeDescription>isSynthetic()));try {agentBuilder = BootstrapInstrumentBoost.inject(pluginFinder, agentBuilder, instrumentation);} catch (Exception e) {logger.error(e, "SkyWalking agent inject bootstrap instrumentation failure. Shutting down.");return;}agentBuilder.type(pluginFinder.buildMatch()).transform(new Transformer(pluginFinder)).with(AgentBuilder.RedefinitionStrategy.RETRANSFORMATION).with(new Listener()).installOn(instrumentation);instrumentation.addTransformer(new MainClassTransformer());try {ServiceManager.INSTANCE.boot();} catch (Exception e) {logger.error(e, "Skywalking agent boot failure.");}Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(new Runnable() {@Override public void run() {ServiceManager.INSTANCE.shutdown();}}, "skywalking service shutdown thread"));}

transfrom的主要作用是进行字节码数据转换，码返回转换后的字节码；

@Override
public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {if (ContainerLifecycle.INSTANCE.getCurState().equals(ContainerLifecycleState.NEW)){String mainClassName = findMainClass();if (!StringUtil.isEmpty(mainClassName)){logger.info("Find main class :{}",mainClassName);if (mainClassName.equals(ContainerType.TOMCAT.getMainClassName())){ContainerInfo.INSTANCE.setType(ContainerType.TOMCAT);ContainerLifecycle.INSTANCE.fireLifecycleEvent(ContainerLifecycleState.INIT);} else {ContainerInfo.INSTANCE.setType(ContainerType.UNKNOWN);ContainerLifecycle.INSTANCE.fireLifecycleEvent(ContainerLifecycleState.STARTED);}}}return classfileBuffer;
}

classFileTransformer:用途— classFileTransformer.md

OAL体系

OAL 是用户可自定义的描述分析过程的可扩展，轻量级，编译型语言。SkyWalking 可以将OAL 编译成Java class 文件，使用Skywalking 流计算引擎加载运行。

OAL实现原理,SkyWalking 流计算引擎可以接受类型为Source的数据源，每种Source 会通过指定类型的Dispatcher 转换为流计算引擎可以处理的原始数据类型。目前，存在以下4中原始数据类型：

Inventory 数据，即元数据，如服务名称定义，EndPoint，通过注册模型处理数据；

Record 数据，即明细数据，如Trace，访问日志，通过明细模型处理数据；

Metrics 数据，指标数据，绝大多数OAL指标都会生成这个类型，通过指标模型处理数据；

TopN 数据，周期抽样数据，如慢SQL的周期数据，通过采样模型处理数据；

OAL 工作的三个阶段： 语法与词法解析-》动态代码生成-》流计算注册。

OAL 语法忽略–自查。

存储模型

通过上面讲解OAL，我们了解了SkyWalking 的四种模型，数据的存储就是通过这四种模型来实现的。

  • 注册模型
  • 明细模型
  • 指标模型
  • 采样模型

四种模型的结构不详细讲了。讲下数据存储的过程：

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  • 时序图 1–收集Trace Segment 数据
  • 时序图2~4 解析Trace Segment 数据，进行流数据与注册模板的管理
  • 时序图5~8 Listener 类监听上游来的Trace Segment 数据，并完成Source类的构造，通过Dispatch 转换为储存模型
  • 时序图9~10 StreammProcess 入参存储模型回调指定PersistentWork 进行存储模型的存储
追踪模型

SkyWalking 的追踪模型主要包含几个元素：Segment,Trace,Span

解释：一个Segment 是Trace 在一个进程内的所有Span 的集合。

设计原则
轻量化设计
轻量化队列内核

​ SkyWalking 的轻量级队列内核是基于无锁环状队列的生产者----消费者内存消息队列，主要是在生产者与消费者之间创建一个缓冲的异步内存队列。该缓存队列的组成元素有Buffer,Channel 和 DataCarrier。

​ Buffer 是SkyWalking队列内核中的数据载体。

public class Buffer<T> {private final Object[] buffer;  //用于数据存储private BufferStrategy strategy; //淘汰策略 private AtomicRangeInteger index;  //一个原子的循环索引，与buffer 一起实现环状队列private List<QueueBlockingCallback<T>> callbacks;
}

Channel 是管理Buffer 的载体。

public class Channels<T> {private final Buffer<T>[] bufferChannels;   // Buffer 的数组， 队列数据载体private IDataPartitioner<T> dataPartitioner;// 确定数据写入那个Buffer以及写入失败后的重试private BufferStrategy strategy;//队列策略private final long size;//channel 能容纳的数据量 =  Buffer.size()*Buffer.buffer.size()
}

DataCarrier 是轻量队列的门户。

public class DataCarrier<T> {private final int bufferSize; //每个Buffer队列 的大小private final int channelSize;  //channal 数量private Channels<T> channels;private IDriver driver; private String name;}

消息生产

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消息消费

主要通过实现IConsumer接口——consumer() 来实现，为了防止多线程重复消费消息，Skywalking采取一个线程对一个Buffer 消费，如果存在Buffer 数小于线程数的情况，会采取分割Buffer 给每个线程，以此杜绝重复消费。

模块化架构设计

模块化结构设计是指，整个程序不使用硬编码耦合的方式进行程序链接，而是按照预先的设计，划分成多个模块（Module），模块间无耦合关系，只定义了模块对外开放的服务接口(API)。每个模块有多个实现，但每次启动只能将一个实现激活。

面向协议设计

SkyWalkeing的几种协议介绍：

  • 注册与心跳保持协议；
  • 数据收集协议；
  • 其他领域协议
探针与后端消息通信模式开发

探针 与后端的通信模式主要分为两种：注册通信和数据上报通信，官方支持gRPC与HTTP /1.1 通信。

注册通信

主要通过定时器 向后端发送注册信息，详情看代码：

//监听器确认 定时任务开启
public void run() {logger.debug("ServiceAndEndpointRegisterClient running, status:{}.", status);boolean shouldTry = true;while (GRPCChannelStatus.CONNECTED.equals(status) && shouldTry) {shouldTry = false;JsonObject appInfoJson = AppInfoLoader.getAppInfoJson();try {//SERVICE_ID 由Agent 在本地内存中维护的，由后端分发的Service 唯一ID//判断 SERVICE_ID 是否存在，若不存在 执行注册if (RemoteDownstreamConfig.Agent.SERVICE_ID == DictionaryUtil.nullValue()) {if (registerBlockingStub != null) {ServiceRegisterMapping serviceRegisterMapping = registerBlockingStub.doServiceRegister(Services.newBuilder().addServices(Service.newBuilder().addProperties(KeyStringValuePair.newBuilder().setKey("service_info").setValue(appInfoJson.toString()).build()).setServiceName(Config.Agent.SERVICE_NAME)).build());if (serviceRegisterMapping != null) {for (KeyIntValuePair registered : serviceRegisterMapping.getServicesList()) {if (Config.Agent.SERVICE_NAME.equals(registered.getKey())) {RemoteDownstreamConfig.Agent.SERVICE_ID = registered.getValue();RegisterNotifier.notify(new RegisterSource(RegisterSource.TYPE.SERVICE,Config.Agent.SERVICE_NAME,RemoteDownstreamConfig.Agent.SERVICE_ID));shouldTry = true;}}}}} else {if (registerBlockingStub != null) {// SERVICE_INSTANCE_ID Serivce中某个进程的具体实例ID，也是有Agent 本地内存维护，由后端分发 的ID//SERVICE_ID注册后 ，执行SERVICE_INSTANCE_ID 注册if (RemoteDownstreamConfig.Agent.SERVICE_INSTANCE_ID == DictionaryUtil.nullValue()) {ServiceInstance.Builder instanceBuilder = ServiceInstance.newBuilder().setServiceId(RemoteDownstreamConfig.Agent.SERVICE_ID).setInstanceUUID(INSTANCE_UUID).setTime(System.currentTimeMillis()).addProperties(KeyStringValuePair.newBuilder().setKey("instance_name").setValue(INSTANCE_NAME).build()).addProperties(KeyStringValuePair.newBuilder().setKey("agent_version").setValue(Config.Agent.VERSION).build()).addAllProperties(OSUtil.buildOSInfo()).addAllProperties(ContainerInfo.INSTANCE.build()).addProperties(KeyStringValuePair.newBuilder().setKey("app_info").setValue(appInfoJson.toString()).build());//向后端发起 注册ServiceInstanceRegisterMapping instanceMapping = registerBlockingStub.doServiceInstanceRegister(ServiceInstances.newBuilder().addInstances(instanceBuilder).build());for (KeyIntValuePair serviceInstance : instanceMapping.getServiceInstancesList()) {if (INSTANCE_UUID.equals(serviceInstance.getKey())) {//获取 后端返回的注册 serviceInstanceIdint serviceInstanceId = serviceInstance.getValue();if (serviceInstanceId != DictionaryUtil.nullValue()) {RegisterNotifier.notify(new RegisterSource(RegisterSource.TYPE.SERVICE_INSTANCE,null,serviceInstanceId));//保存 后端返回的注册 serviceInstanceIdRemoteDownstreamConfig.Agent.SERVICE_INSTANCE_ID = serviceInstanceId;}}}} else {//发送 心跳通信// Commands 由后端返回前端的指令消息，Commands commands = serviceInstancePingStub.doPing(ServiceInstancePingPkg.newBuilder().setServiceInstanceId(RemoteDownstreamConfig.Agent.SERVICE_INSTANCE_ID).setTime(System.currentTimeMillis()).setServiceInstanceUUID(INSTANCE_UUID).build());//发起 NetworkAddress 注册//NetworkAddress 指的是 网络IP 地址 NetworkAddressDictionary.INSTANCE.syncRemoteDictionary(registerBlockingStub);//发起 Endpoint 注册//EndpointName 端口名称EndpointNameDictionary.INSTANCE.syncRemoteDictionary(registerBlockingStub);}}}} catch (Throwable t) {logger.error(t, "ServiceAndEndpointRegisterClient execute fail.");ServiceManager.INSTANCE.findService(GRPCChannelManager.class).reportError(t);}}
}

后端收到注册后,仅以doServiceRegister 为例：

@Override public void doServiceRegister(Services request, StreamObserver<ServiceRegisterMapping> responseObserver) {ServiceRegisterMapping.Builder builder = ServiceRegisterMapping.newBuilder();request.getServicesList().forEach(service -> {String serviceName = service.getServiceName();if (logger.isDebugEnabled()) {logger.debug("Register service, service code: {}", serviceName);}List<KeyStringValuePair> propertiesList = service.getPropertiesList();JsonObject propJson = null;if (propertiesList!=null&&!propertiesList.isEmpty()){propJson = new JsonObject();for (KeyStringValuePair valuePair:propertiesList) {propJson.addProperty(valuePair.getKey(),valuePair.getValue());}}//获取 已经存在的service  的serviceId 或者创建一个新的int serviceId = serviceInventoryRegister.getOrCreate(serviceName, propJson);if (serviceId != Const.NONE) {// 返回 serviceId KeyIntValuePair value = KeyIntValuePair.newBuilder().setKey(serviceName).setValue(serviceId).build();builder.addServices(value);}});responseObserver.onNext(builder.build());responseObserver.onCompleted();
}

数据上报通信：

初始化队列：

public void boot() throws Throwable {lastLogTime = System.currentTimeMillis();segmentUplinkedCounter = 0;segmentAbandonedCounter = 0;carrier = new DataCarrier<TraceSegment>(CHANNEL_SIZE, BUFFER_SIZE);carrier.setBufferStrategy(BufferStrategy.IF_POSSIBLE);carrier.consume(this, 1);
}

收集消息：

@Override
public void afterFinished(TraceSegment traceSegment) {if (traceSegment.isIgnore()) {return;}if (!carrier.produce(traceSegment)) {if (logger.isDebugEnable()) {logger.debug("One trace segment has been abandoned, cause by buffer is full.");}}
}

上报消息：

public void consume(List<TraceSegment> data) {if (CONNECTED.equals(status)) {final GRPCStreamServiceStatus status = new GRPCStreamServiceStatus(false);StreamObserver<UpstreamSegment> upstreamSegmentStreamObserver = serviceStub.collect(new StreamObserver<Commands>() {@Overridepublic void onNext(Commands commands) {}@Overridepublic void onError(Throwable throwable) {status.finished();if (logger.isErrorEnable()) {logger.error(throwable, "Send UpstreamSegment to collector fail with a grpc internal exception.");}ServiceManager.INSTANCE.findService(GRPCChannelManager.class).reportError(throwable);}@Overridepublic void onCompleted() {status.finished();}});try {for (TraceSegment segment : data) {//发送数据到后端UpstreamSegment upstreamSegment = segment.transform();upstreamSegmentStreamObserver.onNext(upstreamSegment);}upstreamSegmentStreamObserver.onCompleted();status.wait4Finish();segmentUplinkedCounter += data.size();} catch (Throwable t) {logger.error(t, "Transform and send UpstreamSegment to collector fail.");}} else {segmentAbandonedCounter += data.size();}printUplinkStatus();
}

Java探针开发介绍

探针插件开发

探针开发中主要涉及到的概念：Span,Trace Segment ,ContextCarrier 和ContextSnapshop

Span 泛指 一次方法调用，一个程序块的调用，一次RPC 调用和SQL调用

Trace Segment 值 一个线程中 同一操作的所有span 的集合

ContextCarrier 处理跨进程 调用链

ContextSnapshop 处理跨线程调用链

探针开发的API…(省略)

拿金融网关为例子，举例说明；

探针开发首先需要 “定义拦截”，其次在定义的拦截器中调用 探针接口，补充链路关键信息，实现消费者与提供者的链路串联。

定义拦截：

class OutBoundMethodInstrumentation extends ClassInstanceMethodsEnhancePluginDefine {//插件中定义的具体拦截类private static final String INTERCEPT_CLASS = "org.apache.skywalking.apm.msoa.plugin.rpc.OutBoundMethodHandlerInterceptor";//网关 需要拦截的接口类private static final String ENHANCE_CLASS = "com.baidu.ub.msoa.rpc.outbound.DefaultOutboundMethodHandler";//增强的实列类@Overrideprotected ClassMatch enhanceClass() {return NameMatch.byName(ENHANCE_CLASS);}// 构造器方法的拦截形式@Overrideprotected ConstructorInterceptPoint[] getConstructorsInterceptPoints() {return new ConstructorInterceptPoint[]{new ConstructorInterceptPoint() {@Overridepublic ElementMatcher<MethodDescription> getConstructorMatcher() {return any();}@Overridepublic String getConstructorInterceptor() {return INTERCEPT_CLASS;}}};}//实例方法的拦截形式@Overrideprotected InstanceMethodsInterceptPoint[] getInstanceMethodsInterceptPoints() {return new InstanceMethodsInterceptPoint[] {new InstanceMethodsInterceptPoint() {//增强的实列类方法匹配器@Overridepublic ElementMatcher<MethodDescription> getMethodsMatcher() {return named("createInvoker");}//方法拦截类@Overridepublic String getMethodsInterceptor() {return getInstanceMethodsInterceptor();}//不更改引用参数@Overridepublic boolean isOverrideArgs() {return false;}}};}}

拦截器具体实现：

public class OutBoundMethodHandlerInterceptor implements InstanceConstructorInterceptor,InstanceMethodsAroundInterceptor {private static final ILog logger = LogManager.getLogger(OutBoundMethodHandlerInterceptor.class);@Overridepublic void onConstruct(EnhancedInstance objInst, Object[] allArguments) {Method getBundleServiceMetaMethod = null;try {getBundleServiceMetaMethod = DefaultOutboundMethodHandler.class.getDeclaredMethod("getBundleServiceMeta", new Class[]{BundleService.class, Object.class, Method.class});getBundleServiceMetaMethod.setAccessible(true);objInst.setSkyWalkingDynamicField(getBundleServiceMetaMethod);} catch (NoSuchMethodException e) {logger.error("NoSuchMethodException OutBoundMethodHandlerInterceptor.getBundleServiceMeta",e);}}@Overridepublic void beforeMethod(EnhancedInstance objInst, Method method, Object[] allArguments, Class<?>[] argumentsTypes, MethodInterceptResult result) throws Throwable {Object skyWalkingDynamicField = objInst.getSkyWalkingDynamicField();if (skyWalkingDynamicField == null)return;try {BundleService rpcSettings = (BundleService) allArguments[0];Object rpcObject = allArguments[1];Method rpcMethod = (Method) allArguments[2];Object[] rpcArgs = (Object[]) allArguments[3];Method getBundleServiceMetaMethod = (Method) skyWalkingDynamicField;BundleServiceMeta metaInfo = (BundleServiceMeta) getBundleServiceMetaMethod.invoke(objInst,rpcSettings,rpcObject,rpcMethod);String operationName = new StringBuilder().append("Consumer:").append(metaInfo.provider).append("/").append(metaInfo.service).append("/").append(metaInfo.version).append("/").append(metaInfo.method).toString();AbstractSpan span = ContextManager.createLocalSpan(operationName);RpcHeadCacheManager.extractRequestIntoSpan(rpcArgs,span);span.setComponent(ComponentsDefine.MSOA);SpanLayer.asRPCFramework(span);}catch (Exception ex){logger.error("parse msoa request failed",ex);}}@Overridepublic Object afterMethod(EnhancedInstance objInst, Method method, Object[] allArguments, Class<?>[] argumentsTypes, Object ret) throws Throwable {Object skyWalkingDynamicField = objInst.getSkyWalkingDynamicField();if (skyWalkingDynamicField == null)return ret;AbstractSpan activeSpan = ContextManager.activeSpan();try {RpcHeadCacheManager.extractResponseIntoSpan(ret,activeSpan);}catch (Exception ex) {logger.error("parse msoa response failed",ex);}ContextManager.stopSpan();return ret;}@Overridepublic void handleMethodException(EnhancedInstance objInst, Method method, Object[] allArguments, Class<?>[] argumentsTypes, Throwable throwable) {Object skyWalkingDynamicField = objInst.getSkyWalkingDynamicField();if (skyWalkingDynamicField == null)return;AbstractSpan activeSpan = ContextManager.activeSpan();activeSpan.errorOccurred();activeSpan.log(throwable);}
}

SkyWalking 未来展望

下一代监控体系–SkyWalking 观测Service Mesh。

Service Mesh (服务网格)，被看作是未来新一代服务间通信的基础设施。Service Mesh 有如下特点：

  • 应用之间通信的中间层；

  • 轻量级网络代理；

  • 应用程序无感知；

  • 解耦应用程序的各种机制。

    目前两款流行的Service Mesh 开源软件 Istio 和 Linkerd ，都可以直接在K8S中继承和单独在VM中部署。

    简单解释，Istio 包含 服务发现，和负载均衡的基本服务还可以对网络流量进行更精细的控制。

    Service Mesh 的监控往往称之为可观测性，其内涵是要超越传统的监控体系。它一般包含，监控，告警，可视化，分布式追踪与日志分析。

转发请标注出处，谢谢~

参考：《Apache SkyWalking 实战》作者：吴晟等

这篇关于APM-SkyWalking介绍的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/966326。

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