架構師日記-軟體高可用實踐那些事兒

語言: CN / TW / HK
時間 2023-03-13 13:02:09

作者：京東零售 劉慧卿

一 前言

關於軟體的高可用，是一個老生常談的話題。“高可用性”（High Availability）通常來描述一個系統經過專門的設計，從而減少停工時間，而保持其服務的高度可用性。其計算公式是：可用率=（總時間-不可用時間）/總時間。

本文重點從落地實踐的視角作為切入點，帶領大家從協作效率，技術落地和運營規範幾個方面來展現高可用的實施步驟和落地細節。為了方便理解，先來統一語言話術，看一下軟體交付過程中的各個階段，如下圖：



 

為什麼說軟體的高可用會面臨著諸多挑戰呢？

◦ 從需求交付鏈路來看，要完成目標交付，需要產品，研發，測試，運維，運營等多方利益相關者的密切配合。有些專案需求，合作者有時能夠達到上百人，每個人職責分工各不相同，但卻相互配合依賴，任何一個環節出現紕漏，可用率就有可能受到影響；
◦ 從時間角度來看，如果要達到全年99.99%的可用率，就意味著一年當中，允許有故障的時間為：365*24*60*（100%-99.99%）=52分鐘，如果要達到5個9的可用率，允許故障的時間僅為5分鐘，這差不多是我們發現問題後，重啟應用的耗時；
◦ 從迭代效率來看，不迭代，不上線，問題出現的概率一定會小很多。軟體的迭代效率和可用率之間存在著負相關的關係，平衡好兩者之間的關係，也會面臨著不小的挑戰。

總結一下，我們具體面臨的問題如下：

◦ 如何解決需求交付相關協作者多，鏈路長的問題？
◦ 如何應對故障時間容忍度低的問題？
◦ 如何在頻繁需求迭代的現狀下，保持可用率不受到大的衝擊問題？

二 協作效率保障

認知誤區

從整個需求交付鏈路我們可以發現，隨著鏈路的逐級遞增，資訊的傳遞鏈路分支就會越多，傳遞層級就會越深。這會導致兩個問題：

1. 資訊傳遞效率降低；
2. 資訊準確性變差。

這兩個問題最終導致的結果，就是協作效率的降低。





 

一個沒有實戰經驗的同學往往會認為增加人數，就會提高需求交付效率。其實這種想法不完全正確，具體關係參考下圖：





 

這就像蓋樓房，如果一個人按部就班的建設，需要100天完成。如果請了100個人來幫忙，能否用1天的時間完成房子建設呢？答案是否定的。

這裡面有協作的成本，比如：團隊默契（設計師，瓦工，泥工，水電工），崗位匹配，風險控制；

這裡面有流程的依賴，比如：施工依賴於設計，軟裝總在硬裝之後；

這裡面有成本預算，比如：整個組織的人才梯度，規模大小（承建方，代理商，承包商）；

以上這些，都不是簡單的通過人力鋪設來解決的。

流程規範

提高協作效率的底層邏輯是通過減少交付鏈路層級，縮簡訊息傳遞鏈路，進而保證資訊的準確性和傳遞效率。（組織建設層面的內容這裡不做展開）

這就要求具有今日事，今日畢的行動力。組織層面這叫流程規範，個人層面這叫做事方法，責任心。

儘量避免將當下的事情拖延到下一個環節，否則就會影響後續鏈路的排期計劃和交付效率，極端情況甚至會出現返工的情形。簡言之，考慮清楚，不埋坑。產品需求對研發，研發設計對測試，測試用例對產品等各個交付節點都是如此，交付物一定是靠譜的。

三 技術落地保障

在需求響應週期中，高質量的落實架構設計，編碼實現，安全上線，部署運營等生產階段，是軟體高可用落地保障的前提和基礎。

架構設計

架構設計往往影響著系統的前期實現成本（即ROI）和後續運維難度，屬於軟體的頂層設計，這裡面既包含巨集觀的設計方案，也包含落地細節裡的正規化約束。

• 流程保障

邀請架構師參與：核心交易節點、重大需求改動邀請架構師參與，這是閉坑最直接有效的方式；

重視設計文件：方案描述清楚了，並取得相關利益者的認可，是走在正確道路上的前提。

• 設計保障

容災設計：要預留後路，提前想清楚，做好容災設計。可回滾，可熔斷，可重試，可降級。

魯棒性設計：無狀態設計，防重設計，冪等設計，資料一致性設計

編碼實現

如果說架構設計是骨架，那麼編碼實現就是神經，血管和肌肉。前者決定了能走多穩，走多久，後者決定著走多快，走多遠。落實到編碼層面，就是程式碼的衰老腐敗程度。

• 流程規範

程式碼評審機制：程式碼評審不僅僅是發現系統中存在的問題這麼簡單。它是一種長期行為，是進行組織文化貫徹和傳承的一種形式和載體。評審的過程中，明確了業務職責邊界，設計與編碼共識，優秀的標準導向等研發共識。相當於通過具象化的案例，給出針對性的指導，這些都是保證團隊戰鬥力的基石。

研發過程中的很多問題，通過程式碼評審機制可以被發現和解決，比如：

◦ 如何對待臨時需求的設計與實現？
◦ 如何看待“Hello World!”的N中寫法？
◦ 如何理解設計模式和過度設計的邊界？
◦ 如何評價當前階段的交付物？
◦ 是否有必要引入單元測試？
• 編碼規範
◦ 有沒有對錯誤進行處理？對於呼叫的外部服務，是否檢查了返回值或處理了異常？
◦ 設計是否遵從已知的設計模式或專案中常用的模式？
◦ 開發者新寫的程式碼能否用已有的SDK/Framework中的功能實現？在本專案中是否存在類似的功能可以呼叫而不用全部重新實現？
◦ 工程中是否引入了無用的，功能重複的，不同版本的jar包依賴？（json類庫，各種utils）
◦ 有沒有無用的程式碼可以清除？
◦ 程式碼可讀性如何？有沒有足夠的註釋？
◦ 引數傳遞有無錯誤，有沒有使用斷言（Assert）或判斷來保證我們認為不變的條件真的得到滿足？
◦ 邊界條件是如何處理的？ switch語句的default分支是如何處理的？迴圈有沒有可能出現死迴圈？
◦ 對資源的利用，是在哪裡申請，在哪裡釋放的？有無可能存在資源洩漏（包括超時時間，記憶體、檔案、物件引用，大物件，執行緒數等）？有沒有優化的空間？
◦ 程式碼的效能如何？最壞的情況是怎樣的？
◦ 程式碼中，特別是迴圈中是否有明顯可優化的部分（string的操作是否能用StringBuilder來優化）？
◦ 對於系統和網路的呼叫是否會超時？如何處理?
◦ 程式碼是否易於測試（方法行數，圈複雜度，出入參定義是否合理）？
◦ 改動是否影響到舊版本、歷史資料、上游能否相容？
◦ 介面設計是否有考慮冪等、併發、越權，降級等問題？
◦ 是否存在快取、資料庫效能問題以及多資料來源資料一致性的問題？
◦ 上線方案是否考慮了灰度方案，資料狀態不一致問題？

安全上線

線上70%的故障都是由某種變更而觸發的，其中相當一部分佔比是不規範的上線引起的。所以安全上線這一環節至關重要。

• 流程規範
◦ 嚴禁頻繁上線：比如，每週不大於2次；
◦ 嚴禁高峰期上線：降低問題影響範圍；
◦ 嚴禁私自上線：有改動，必須通過測試驗證，產品迴歸確認；
• 過程規範
◦ 摘流量：選擇第一批機器jsf下線/np摘流量(選為冷備)；
◦ 看日誌：觀察日誌確認摘除機器無流量；
◦ 服務預熱：確認機器啟動成功，核心業務介面需要介面預熱；
◦ 掛流量：掛載上線機器流量；
◦ 看指標：觀察上線機器mdc指標是否異常(cpu、記憶體、負載)、日誌是否有異常

部署運營

實現高可用的一個很重要的手段就是能力冗餘。下面給出方向和思路，具體落地細節和策略，可以根據具體情況各自延展。

• 網路
◦ 運營商層面，聯通，電信，移動等；
◦ 鏈路節點方面，VIP，CDN，路由器/交換機，反向代理，客戶端，瀏覽器等；
• 儲存
◦ 無論是資料庫主從架構，還是ES的副本架構，都是實現儲存高可用的手段，重要資料要利用好相關特性；
◦ 在進行資料結構設計時，同樣也需要做好分流策略，容量規劃，資料拆分或異構。比如：避免快取熱key，資料庫表吞吐量瓶頸，資料庫連線數限制等各種影響高可用的問題出現。
• 服務
◦ 橫向擴容：服務要保證可以通過新增資源的方式進行能力擴容，這一點非常重要；
◦ 服務分組：按照業務方或使用場景，對服務進行不同粒度的隔離，防止極端情況導致服務相互影響；
◦ 極限策略：主要是一些極端異常情況下的防禦策略，目的是意外發生後，儘量保持服務的可靠性。比如：限流，熔斷，重試，快速失敗等；
◦ 灰度策略：新功能上線，往往是最容易出現問題的時候，擁有成熟的流量灰度能力，是控制問題影響範圍的關鍵；

四 運營規範保障

運營規範

1. 可監控：系統執行狀況
2. 可報警：異常情況能夠通知到系統相關人員
3. 可定位：出現問題後，能夠快速定位問題原因
4. 可修復：出現異常情況，能夠在第一時間進行問題修復；

應急預案

高可用意味著對故障時間的容忍性差，意味著沒有時間進行故障排查和修復，更沒有時間開啟程式碼進行漏洞排查。這就要求我們有一套完備的應急預案，這套預案能夠解決大部分可預見的故障問題。

• 流程規範
◦ 恢復生產第一；
◦ 排查問題第二；

詳細事故應急處理手冊，可以參照下圖：





 

• 過程規範
◦ 網路，服務，儲存分三個維度制定對應方案，並將應急預案清單（檔名：checklist）填寫到自己的程式碼庫中，保持內容傳承和更新；
◦ 可預見性，即問題觸發場景要寫清楚。舉例：按照當前進度（1萬/天），隨著資料庫資料的增加，預計10個月後，資料庫表（xxx表名）會出現慢查詢；
◦ 可執行性，能夠消除問題的解決方案。舉例：啟動歷史資料歸檔任務（xxxWorker），將歷史資料進行轉移到歸檔資料庫中；

規範達標

再好的流程和規範都需要有對應的機制來貫徹執行，否則就是鏡中花，水中月，看著美好，實則沒用。可執行，能度量，是按照目標變好的前提。所以這裡給出一個《高可用達標定期自查表》的工具，輔助規範落地。

五 總結

本文從“高可用為什麼存在著很大挑戰？”的問題展開探討，強調了需求交付過程中，協作效率的重要性，並指出了為什麼要遵從“今日事，今日畢”的工作原則。又從架構設計，編碼實現，安全上線，部署運營等幾個方面，詳細介紹了技術落地保障相關的指導規範和落地細節。最後又從上線後運營的角度，給出了應急預案三板斧，規範達標定期自查表等比較實用的運營保障工具。希望能夠給讀者帶來幫助。

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