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2018
08-14

RxJava 在闲鱼系统吞吐量提升上的实践

引言

响应式编程最简单的定义是Reactive programming is programming with asynchronous data streams。无论是从Spring5中引入的响应式编程框架还是java9中集成的响应式流，都能看到响应式编程的影子。可以说响应式编程代表了未来编程的方向。

响应式编程其天然就是非阻塞的，当数据准备完成后自动触发下一个动作而不是等待数据完成。这种思想再结合异步化编程使得我们在统一线程模型，降低多线程编程成本的同时提升整个系统的吞吐量。

闲鱼当前的业务场景本身足够复杂，然而目前大规模使用的仍然是阻塞式编程，每个业务场景的流程被串行同步执行。它最大的问题在于大量线程等待IO(日志记录，RPC调用，HTTP请求等)完成。有鉴于此，闲鱼引入RxJava 2.0来作为响应式编程框架对应用进行异步化改造。目前app内的鱼塘首页，留言列表以及鱼塘详情已经完成异步化改造并上线。

响应式异步化编程实践

异步化编程不同于传统的阻塞式编程，他们的区别可以用下面的图来表达，C代表computation任务，I代表IO任务。原来的一个线程中执行完所有的computation和IO任务转变成现在computation和IO任务分离，这样做的好处是CPU只关注computation任务，理论上CPU核数个线程就能满足所有的computation任务，大大减少线程切换开销。

线程模型 RxJava框架背后是线程模型的演进。在引入RxJava前传统Java自带多线程框架(Executor)和异步Future,它们的问题在于

  • 线程池无法统一。开发在自己的场景下都可能去定义线程池。

  • 上下文切换。随着线程数的增多，线程上下文的切换必然增多。

  • Future异步方式仍然是一种阻塞等待式方法。

RxJava结合全异步编程方式的优势在于

  • 线程利用率大幅提高。当线程需要做阻塞操作时及时切换避免长时间占有线程，整个流程无阻塞。

  • RxJava统一了线程池模型。我们可以根据不同的场景选择对应的线程调度模型。

  • 极致线程模型变得可能。理论上只需要cpu核数个线程就可以运行所有computation任务，这意味线程切换带来的开销几乎被消除。

应用改造

响应式全异步编程天生拒绝阻塞，任何阻塞点都可能导致性能的退步。更严重的如果我们控制了线程数，当任务因为阻塞而产生堆积，随着堆积的任务变多应用会gc影响线上服务。目前闲鱼应用中存在4类阻塞点

  • 应用日志。

  • HTTP请求。

  • RPC调用。

  • 缓存读写。

闲鱼中的日志不仅仅作为异常输出手段，也是数据统计的一个主要方法。因为日志的性能显得很重要。虽然log4j和logback都提供了异步方式，但是它们本质上还是基于锁来实现。log4j2是新一代的基于LMAX Disruptor的无锁异步日志系统，在多线程程序中，其吞吐量比log4j和logback高10倍左右。

而HTTP，RPC以及缓存的读写都需要改造成纯异步方式：当请求发生时线程被释放，请求完成后继续在新的线程中执行余下业务流程。

执行范式

对闲鱼中的场景进行一下归纳，可以梳理出三种执行范式，下面会分别简单展示这三种范式。为了简单起见，其中涉及到的IO操作都用一个函数加以抽象。

串行请求以常用的电商场景为例，查看我买的商品详情。业务流程上要先查询订单详情，然后从订单详情中拿到商品，最后根据商品去查询商品详情。

并发请求商品详情中往往还会有一些额外的信息，比如浏览量以及留言内容。浏览量和留言它们彼此是互不依赖的，但是都依赖查到的商品信息。

更新缓存热门商品详情往往意味高并发访问，我们可以将这些数据缓存来减轻数据库的压力。但是缓存成功与否都不影响本次请求(缓存失败导致下次请求仍然走db，本次请求的数据仍然返回给用户)。更新缓存本质上代表这样一类操作，它们在请求完成后执行一些额外的操作(缓存，通知用户，日志记录等)，这些额外操作的成功与否不对主流程造成任何影响。

需要强调的是上面流中所有的方法都对应着一次IO操作(RPC，缓存读写等)，这些IO操作都应该是全异步方式实现(不能等待IO完成，而是IO完成后主动唤醒)。幸运的是已经有一些第三方库来帮我们完成这些IO异步化。

改造结果

我们对改造完的接口进行了一轮性能测试，分别从接口rt，线程数以及cpu利用率三个方面对阻塞式执行和响应式纯异步方式进行对比

rt因为我们在异步方式中增加了并行操作， 所以rt降低是必然的，rt下降50%左右。当请求QPS达到650的时候，传统阻塞方式rt飙升，服务开始不可用；响应式纯异步方式rt较为稳定，QPS达到850的时候开始明显上涨。

线程数阻塞式执行方式因为在IO发生时线程会等待IO完成，而异步方式下线程直接释放，所以异步方式下线程利用效率明显更高。下面的测试结果也表面异步方式的线程数一直较为稳定；阻塞模式下线程在QPS到达650时被耗尽，这意味着新的请求将被直接拒绝。

CPU由于异步模式下我们增加了并发，因此CPU使用必然会较阻塞模式高，测试结果也说明了这一点。然而当QPS到达650的时候，阻塞模式下服务已经不可用，因此CPU利用率最高只能到达75%左右；而异步模式CPU能够到达97%。

总结

本文介绍了响应式编程在闲鱼的应用现状，我们选用了RxJava作为响应式编程框架，并选取了闲鱼留言列表，鱼塘首页以及鱼塘详情页进行改造并进行了性能测试。测试数据表明闲鱼群聊首页场景下，在rt降低50%的同时整个系统的吞吐量能提升约30%。

目前响应式纯异步编程在闲鱼仍然处于起步阶段，我们的线程池模型仍然没法做到极致(暂时没法完全消除阻塞点)。接下来会朝着极致线程模型进行尝试，可能的改造点包括

  • 阻塞点消除。

  • cpu核数个线程来调度所有的computation任务。

  • 底层的IO线程模型统一。现在IO操作(RPC,HTTP,缓存)都是各自维护自己的线程池，理论上这些线程池都可以趋于统一。

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