分布式系统中如何优雅地追踪日志（原理篇）
- 2020 年 2 月 10 日
- 筆記
本文只讲原理，不讲框架。
分布式系统中日志追踪需要考虑的几个点？
- 需要一个全服务唯一的id，即traceId，如何保证？
- traceId如何在服务间传递？
- traceId如何在服务内部传递？
- traceId如何在多线程中传递？
我们一一来解答：
- 全服务唯一的traceId，可以使用uuid生成，正常来说不会出现重复的；
- 关于服务间传递，对于调用者，在协议头加上traceId，对于被调用者，通过前置拦截器或者过滤器统一拦截；
- 关于服务内部传递，可以使用ThreadLocal传递traceId，一处放置，随处可用；
- 关于多线程传递，分为两种情况：
- 子线程，可以使用InheritableThreadLocal
- 线程池，需要改造线程池对提交的任务进行包装，把提交者的traceId包装到任务中
比如，上面这个系统，系统入口在A处，A调用B的服务，B里面又起了一个线程B1去访问D的服务，B本身又去访问C服务。
我们就可以这么来跟踪日志：
- 所有服务都需要一个全局的InheritableThreadLocal保存服务内部traceId的传递；
- 所有服务都需要一个前置拦截器或者过滤器，检测如果请求头没有traceId就生成一个，如果有就取出来，并把traceId放到全局的InheritableThreadLocal里面；
- 一个服务调用另一个服务的时候把traceId塞到请求头里，比如http header；
- 改造线程池，在提交的时候包装任务，这个工作量比较大，因为服务内部可能依赖其它框架，这些框架的线程池有可能也需要修改；
实现
我们模拟A到B这两个服务来实现一个日志跟踪系统。
为了简单起见，我们使用SpringBoot，它默认使用的日志框架是logback，而且Slf4j提供了一个包装了InheritableThreadLocal的类叫MDC，我们只要把traceId放在MDC中，打印日志的时候统一打印就可以了，不用显式地打印traceId。
我们分成三个模块：
- 公共包：封装拦截器，traceId的生成，服务内传递，请求头的传递等；
- A服务：只依赖于公共包，并提供一个接口接收外部请求；
- B服务：依赖于公共包，并内部起一个线程池，用于发送B1->D的请求，当然我们这里不发送请求，只在线程池中简单地打印一条日志；
公共包
- TraceFilter.java
前置过滤器，用拦截器实现也是一样的。
从请求头中获取traceId，如果不存在就生成一个，并放入MDC中。
@Slf4j @WebFilter("/**") @Component public class TraceFilter implements Filter { @Override public void init(FilterConfig filterConfig) throws ServletException { } @Override public void doFilter(ServletRequest servletRequest, ServletResponse servletResponse, FilterChain chain) throws IOException, ServletException { HttpServletRequest request = (HttpServletRequest) servletRequest; // 从请求头中获取traceId String traceId = request.getHeader("traceId"); // 不存在就生成一个 if (traceId == null || "".equals(traceId)) { traceId = UUID.randomUUID().toString(); } // 放入MDC中 MDC.put("traceId", traceId); chain.doFilter(servletRequest, servletResponse); } @Override public void destroy() { } }
- TraceThreadPoolExecutor.java
改造线程池，提交任务的时候进行包装。
public class TraceThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor { public TraceThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue) { super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue); } public TraceThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory) { super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory); } public TraceThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, RejectedExecutionHandler handler) { super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, handler); } public TraceThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) { super(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, handler); } @Override public void execute(Runnable command) { // 提交者的本地变量 Map<String, String> contextMap = MDC.getCopyOfContextMap(); super.execute(()->{ if (contextMap != null) { // 如果提交者有本地变量，任务执行之前放入当前任务所在的线程的本地变量中 MDC.setContextMap(contextMap); } try { command.run(); } finally { // 任务执行完，清除本地变量，以防对后续任务有影响 MDC.clear(); } }); } }
- TraceAsyncConfigurer.java
改造Spring的异步线程池，包装提交的任务。
@Slf4j @Component public class TraceAsyncConfigurer implements AsyncConfigurer { @Override public Executor getAsyncExecutor() { ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor(); executor.setCorePoolSize(8); executor.setMaxPoolSize(16); executor.setQueueCapacity(100); executor.setThreadNamePrefix("async-pool-"); executor.setTaskDecorator(new MdcTaskDecorator()); executor.setWaitForTasksToCompleteOnShutdown(true); executor.initialize(); return executor; } @Override public AsyncUncaughtExceptionHandler getAsyncUncaughtExceptionHandler() { return (throwable, method, params) -> log.error("asyc execute error, method={}, params={}", method.getName(), Arrays.toString(params)); } public static class MdcTaskDecorator implements TaskDecorator { @Override public Runnable decorate(Runnable runnable) { Map<String, String> contextMap = MDC.getCopyOfContextMap(); return () -> { if (contextMap != null) { MDC.setContextMap(contextMap); } try { runnable.run(); } finally { MDC.clear(); } }; } } }
- HttpUtils.java
封装Http工具类，把traceId加入头中，带到下一个服务。
@Slf4j public class HttpUtils { public static String get(String url) throws URISyntaxException { RestTemplate restTemplate = new RestTemplate(); MultiValueMap<String, String> headers = new HttpHeaders(); headers.add("traceId", MDC.get("traceId")); URI uri = new URI(url); RequestEntity<?> requestEntity = new RequestEntity<>(headers, HttpMethod.GET, uri); ResponseEntity<String> exchange = restTemplate.exchange(requestEntity, String.class); if (exchange.getStatusCode().equals(HttpStatus.OK)) { log.info("send http request success"); } return exchange.getBody(); } }
A服务
A服务通过Http调用B服务。
@Slf4j @RestController public class AController { @RequestMapping("a") public String a(String name) { log.info("Hello, " + name); try { // A中调用B return HttpUtils.get("http://localhost:8002/b"); } catch (Exception e) { log.error("call b error", e); } return "fail"; } }
A服务的日志输出格式：
中间加了 [%X{traceId}]一串表示输出traceId。
logging: pattern: console: '%clr(%d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS}){faint} %clr(%5p) %clr(${PID:- }){magenta} %clr(---){faint} %clr([%15.15t]){faint} %clr([%X{traceId}]){faint} %clr(%-40.40logger{39}){cyan} %clr(:){faint} %m%n%wEx'
B服务
B服务内部有两种跨线程调用：
- 利用Spring的异步线程池
- 使用自己的线程池
BController.java
@Slf4j @RestController public class BController { @Autowired private BService bService; @RequestMapping("b") public String b() { log.info("Hello, b receive request from a"); bService.sendMsgBySpring(); bService.sendMsgByThreadPool(); return "ok"; } }
BService.java
@Slf4j @Service public class BService { public static final TraceThreadPoolExecutor threadPool = new TraceThreadPoolExecutor(5, 5, 60, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(100)); @Async public void sendMsgBySpring() { log.info("send msg by spring success"); } public void sendMsgByThreadPool() { threadPool.execute(()->log.info("send msg by thread pool success")); } }
B服务的日志输出格式：
中间加了 [%X{traceId}]一串表示输出traceId。
logging: pattern: console: '%clr(%d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS}){faint} %clr(%5p) %clr(${PID:- }){magenta} %clr(---){faint} %clr([%15.15t]){faint} %clr([%X{traceId}]){faint} %clr(%-40.40logger{39}){cyan} %clr(:){faint} %m%n%wEx'
测试
打开浏览器，输入 http://localhost:8001/a?name=andy。
A服务输出日志：
2019-12-26 21:36:29.132 INFO 5132 --- [nio-8001-exec-2] [8a59cb96-bbc8-42a9-aa62-df7a52875447] com.alan.trace.a.AController : Hello, andy 2019-12-26 21:36:35.380 INFO 5132 --- [nio-8001-exec-2] [8a59cb96-bbc8-42a9-aa62-df7a52875447] com.alan.trace.common.HttpUtils : send http request success
B服务输出日志：
2019-12-26 21:36:29.244 INFO 2368 --- [nio-8002-exec-1] [8a59cb96-bbc8-42a9-aa62-df7a52875447] com.alan.trace.b.BController : Hello, b receive request from a 2019-12-26 21:36:29.247 INFO 2368 --- [nio-8002-exec-1] [8a59cb96-bbc8-42a9-aa62-df7a52875447] o.s.s.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor : Initializing ExecutorService 2019-12-26 21:36:35.279 INFO 2368 --- [ async-pool-1] [8a59cb96-bbc8-42a9-aa62-df7a52875447] com.alan.trace.b.BService : send msg by spring success 2019-12-26 21:36:35.283 INFO 2368 --- [pool-1-thread-1] [8a59cb96-bbc8-42a9-aa62-df7a52875447] com.alan.trace.b.BService : send msg by thread pool success
可以看到，A服务成功生成了traceId，并且传递给了B服务，且B服务线程间可以保证同一个请求的traceId是可以传递的。
