一次错误使用 go-cache 导致出现的线上问题

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话说一个美滋滋的上午, 突然就出现大量报警, 接口大量请求都响应超时了.

排查过程

查看服务器的监控系统, CPU, 内存, 负载等指标正常
排查日志, 日志能够响应的结果也正常. request.log 中响应时长高达数秒
查看数据库, codis 监控, 各项指标正常

不得已, 只能打开线上 pprof 查看 Go 相关参数是否正常. 果真一下子就找到问题发生的原因

这是当时线上 pprof 的截图, 发现 40 多万 goroutine 都阻塞在 go-cache 的 Set 函数上. 更准确的说 40 多万 goroutine 在发生很严重的锁竞争. 这就让人觉得很意外了.

幸好当时在压测接口的时候, 为了避免 go-cache 的影响结果的影响, 引入了一个配置项来控制是否开启 go-cache, 于是立马线上关闭 go-cache, 接口响应恢复正常.

问题来了

虽说问题解决了, 但是是由于什么原因造成的呢?

为什么 go-cache 会发生这么严重的锁竞争 ?
是由于 go-cache 有代码 bug 吗 ?
如何才能稳定复现呢 ?

go-cache 源码剖析

为了探究这个 bug 引起的原因, 我将整个 go-cache的源码读了一遍, 其实 go-cache 相对于 freecache, bigcache 还是相对简单许多.

type cache struct {
	defaultExpiration time.Duration
	items             map[string]Item
	mu                sync.RWMutex
	onEvicted         func(string, interface{})
	janitor           *janitor
}

从结构体上, go-cache 主要还是由 map + RWMutex 组成.

Set -- go-cache 最重要的函数

// Add an item to the cache, replacing any existing item. If the duration is 0
// (DefaultExpiration), the cache's default expiration time is used. If it is -1
// (NoExpiration), the item never expires.
func (c *cache) Set(k string, x interface{}, d time.Duration) {
	// "Inlining" of set
	var e int64
	if d == DefaultExpiration {
		d = c.defaultExpiration
	}
	if d > 0 {
		e = time.Now().Add(d).UnixNano()
	}
	c.mu.Lock()
	c.items[k] = Item{
		Object:     x,
		Expiration: e,
	}
	// TODO: Calls to mu.Unlock are currently not deferred because defer
	// adds ~200 ns (as of go1.)
	c.mu.Unlock()
}

Set 需要三个参数: key, value, d(过期时间). 如果 d 为 0, 则使用 go-cache 默认过期时间, 这个默认过期时间是go-cache.New()时设置的. 如果 d 为 -1, 那么这个 key 不会过期

实现过程:

RWMutex.Lock
设置过期时间, 将 value 放入 map 中
RWMutex.Unlock

还有另外几个衍生函数: SetDefault, Add, Replace, 这里就不做具体介绍

Get go-cache 最重要的函数

func (c *cache) Get(k string) (interface{}, bool) {
	c.mu.RLock()
	// "Inlining" of get and Expired
	item, found := c.items[k]
	if !found {
		c.mu.RUnlock()
		return nil, false
	}
	if item.Expiration > 0 {
		if time.Now().UnixNano() > item.Expiration {
			c.mu.RUnlock()
			return nil, false
		}
	}
	c.mu.RUnlock()
	return item.Object, true
}

RWMutex.RLock
判断是否存在
判断是否过期
RLock.RUnlock

Increment/Decrement

go-cache 对数值类型的值是比较友好的, 提供大量函数 Increment, IncrementFloat等函数, 能够轻松对内存中的各种数值进行加减, 其实现也简单

func (c *cache) IncrementUint16(k string, n uint16) (uint16, error) {
	c.mu.Lock()
	v, found := c.items[k]
	if !found || v.Expired() {
		c.mu.Unlock()
		return 0, fmt.Errorf("Item %s not found", k)
	}
	rv, ok := v.Object.(uint16)
	if !ok {
		c.mu.Unlock()
		return 0, fmt.Errorf("The value for %s is not an uint16", k)
	}
	nv := rv + n
	v.Object = nv
	c.items[k] = v
	c.mu.Unlock()
	return nv, nil
}

RWMutex.Lock
判断某个 key 在 map 中是否存在
判断是否这个 key 是否过期
对这个值加 n
RWMutex.Unlock

落盘/恢复方案

go-cache 自带落盘/恢复方案, 将内存中的值进行落盘, 同时将文件中的内容恢复. 不过我感觉这个功能挺鸡肋的, 没必要在生产环境中使用. 这里就不做过多的介绍了.

go-cache 过期清理方案


func (c *cache) DeleteExpired() {
	log.Printf("start check at:%v", time.Now())
	var evictedItems []keyAndValue
	now := time.Now().UnixNano()
	c.mu.Lock()
	for k, v := range c.items {
		// "Inlining" of expired
		if v.Expiration > 0 && now > v.Expiration {
			ov, evicted := c.delete(k)
			if evicted {
				evictedItems = append(evictedItems, keyAndValue{k, ov})
			}
		}
	}
	c.mu.Unlock()
	for _, v := range evictedItems {
		c.onEvicted(v.key, v.value)
	}
}

func (j *janitor) Run(c *cache) {
	ticker := time.NewTicker(j.Interval)
	for {
		select {
		case <-ticker.C:
			c.DeleteExpired()
		case <-j.stop:
			ticker.Stop()
			return
		}
	}
}

func runJanitor(c *cache, ci time.Duration) {
	j := &janitor{
		Interval: ci,
		stop:     make(chan bool),
	}
	c.janitor = j
	go j.Run(c)
}

func newCacheWithJanitor(de time.Duration, ci time.Duration, m map[string]Item) *Cache {
	c := newCache(de, m)
	// This trick ensures that the janitor goroutine (which--granted it
	// was enabled--is running DeleteExpired on c forever) does not keep
	// the returned C object from being garbage collected. When it is
	// garbage collected, the finalizer stops the janitor goroutine, after
	// which c can be collected.
	C := &Cache{c}
	if ci > 0 {
		runJanitor(c, ci)
		runtime.SetFinalizer(C, stopJanitor)
	}
	return C
}

可以看到 go-cache 每过一段时间(j.Interval, 这个值也是通过 go-cache.New 设置), 就会启动清理工作.

清理时原理:

RWMutex.Lock()
遍历整个map, 检查 map 中的 value 是否过期
RWMutex.Unlock()

同时, 还利用了 runtime.SetFinalizer 在 go-cache 生命周期结束时, 主动完成对过期清理协程的终止

源码分析总结

遍览整个 go-cache 源码, 会发现 go-cache 完全靠着 RWMutex 保证数据的正确性.

考虑下面的问题:

当 go-cache.New() 时设置的定时清理的时间过长, 同时 Set 的 key 的过期时间比较长, 这样会不会导致 go-cache.map 中的元素过多?
会不会当清理启动时, 锁定了 go-cache.map (注意这个时候是写锁), 由于 go-cache.map 中元素过多, 导致 map 一直被锁定, 那么这个时候所有的 Set 函数是不是就会产生 Lock 竞争?
使用 go-cache 的时候, 当某个接口的 QPS 很高, 程序里由于使用问题, 将某些不该往 go-cache 存的 value 也存了进去, 那么会不会导致 Set 之间的 Lock 竞争呢?

场景还原

利用下面的程序可以轻松还原上面的问题场景. 上面提出的问题, 都会造成 go-cache lock 竞争. 这里利用 pprof 查看程序的指标

var goroutineNums = flag.Int("gn", 2, "goroutine nums")
func main() {
	flag.Parse()
	go func() {
		log.Println(http.ListenAndServe("localhost:6060", nil))
	}()

	rand.Seed(time.Now().Unix())
	lc := cache.New(time.Minute*5, time.Minute*2)
	log.Printf("start at:%v", time.Now())
	aaaKey := "aaa:%d:buy:cnt"
	log.Println("set run over")

	for i := 0; i < *goroutineNums; i++ {
		go func(idx int) {
			for {
				key := fmt.Sprintf(aaaKey, rand.Int())
				newKey := fmt.Sprintf("%s:%d", key, rand.Int())
				v := rand.Int()
				lc.Set(newKey, v, time.Millisecond)
			}
		}(i)
	}

	// 查看 go-cache 中 key 的数量
	go func() {
		ticker := time.NewTicker(time.Second)
		for {
			select {
			case <-ticker.C:
				log.Printf("lc size:%d", lc.ItemCount())
			}
		}
	}()
	select {}
}

模拟接口高QPS

./go-cache-test -gn 2000
2020/03/12 00:32:33 start at:2020-03-12 00:32:33.949073 +0800 CST m=+0.001343027
2020/03/12 00:32:34 lc size:538398
2020/03/12 00:32:35 lc size:1149109

瞬间就会出现锁竞争

模拟 go-cache 启动清理时的情形

./go-cache-test -gn 2   
2020/03/12 00:37:33 start at:2020-03-12 00:37:33.171238 +0800 CST m=+0.001457393
...
2020/03/12 00:40:35 lc size:54750220
2020/03/12 00:40:35 start clear at:2020-03-12 00:40:35.103586 +0800 CST m=+120.005547323
2020/03/12 00:41:51 lc size:33
2020/03/12 00:41:51 lc size:50

会看到当清理 map 的时候, 如果 map 中的数据过多就会造成 Lock 竞争, 造成其他数据无法写入 map

总结

我使用的问题

背景: 某接口 QPS 有点高

当时考虑到用户购买状态(这个状态可能随时变化)如果能够在本地缓存中缓存 10s, 那么用户再次点进来的时候能从本地取了, 就造成大量的数据都写入了 map 中
由于接口 QPS 比较高, 设置用户购买状态时就可能造成竞争, 造成接口响应超时

go-cache 使用注意点

尽量存放那些相对不怎么变化的数据, 适用于所有的 local cache(包括 map, sync.map)
go-cache 的过期检查时间要设置相对较小, 也不能过小
那些高 QPS 的接口尽量不要去直接 Set 数据, 如果必须 Set 可以采用异步操作
监控 go-cache 里面 key 的数量, 如果过多时, 需要及时调整参数

资料

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