文｜李旭东（花名：向旭 )
蚂蚁集团技术专家
蚂蚁中间件研发，专注于 SOFARegistry 及其周边基础设施的开发与优化
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｜前言｜
MOSN 使用了 Subset 算法作为其标签匹配路由负载均衡的方式。本文主要介绍 Subset 的原理，包括了在超大规模集群下 MOSN 的 Subset 所遇到的一些性能瓶颈与采用的优化算法。
首先，为什么要优化 Subset 呢？
总体而言，性能瓶颈往往会由于集群规模的增大逐渐暴露出来。在蚂蚁的超大规模的集群上，注册中心推送地址列表会对应用造成一定的开销。
在我所参与过的某一次大规模压测中，核心应用的机器数目非常庞大，当进行发布或者运维的时候，它的地址列表会被推送给所有调用它的应用。
而 MOSN 会接收这份地址列表重新构建自己的路由。当地址列表非常庞大的时候，MOSN 更新 cluster 的性能瓶颈逐渐地暴露出来，出现了较高的 CPU 毛刺，内存在短时间内出现了上涨，gc 频率也大幅度增加。
通过下方的火焰图，我们可以看到这次压测期间对某应用的 MOSN 的 pprof：
- Alloc：
- CPU：
从 pprof 可以看到，无论是 CPU 还是 alloc 的开销， 构建 SubsetLoadBalancer 都明显占了大头，所以优化这部分的构建是亟待去做的一件事。
最终通过探索优化，我们可以减少 SubsetLoadBalancer 构建过程中 95% 的 CPU 开销和 75% 的 alloc 开销。
下面让我们一起回顾下本次优化的过程与思路。
PART. 1--Subset 基本原理介绍
在一个集群里，通常机器会有不同的标签，那么如何将一个请求路由到指定标签的一组机器呢？
MOSN 的做法是把一个服务下的机器按照机标签组合进行预先分组，形成多个子集。在请求的时候，根据请求中的 metadata 信息可以快速查询到这个请求对应应该匹配到的子集。
如下图所示，可以看到当前有 4 个节点：
标签匹配规则会根据 zone 、mosn_aig 、mosn_version 这 3 个字段进行匹配路由，根据这 3 个 key 的排序进行组合得到以下匹配路径：
相对应的匹配树如下：
假设需要访问 {zone: zone1, mosn_aig: aig1}，那么经过排序后查找顺序为 mosn_aig:aig1 -> zone:zone1，查找到 [h1, h2]。
以上就是 Subset 的基本原理介绍。
PART. 2--MOSN 对 Subset 的构建
首先需要输入的参数有两个：
- 带标签的机器列表 hosts，比如 [h1, h2, h3, h4]；
- 用于匹配的 subSetKeys, 如下图：
接着我们先带上思路，然后阅读源码来看一下 MOSN 的 SubsetLoadBalancer 是如何构建这棵树的。
核心思路如下：
- 遍历每一个 host 的 labels 和 subSetKeys 递归去创建一棵树；
- 对于树的每一个节点，都会遍历一次 hosts 列表，过滤出匹配这个节点的 kvs 的 subHosts，每个节点创建一个子 load balancer。
我们来看源码图：
整体的构建复杂度是 O (MNK) (M: Subset 树节点个数，N: Hosts 个数, K: 匹配的 Keys）
PART. 3--构建性能瓶颈分析
通过对生产的 profile 分析，我们发现 SubsetLoadBalancer 的 createSubsets 在 CPU 和 alloc 的火焰图中的占比都较高。所以下面我们开始编写 benchmark，来优化这一部分的性能。
我们的输入参数为：
- subSetKeys：
- 8000 个 hosts （每个 hosts 都有 4 个 label, 每个 label 对应 3 种 value） ：
接着，我们来看 CPU 和 alloc_space 的占用情况。
- CPU：
- alloc_space：
从上面两张火焰图中，我们可以看出 HostMatches 和 setFinalHost 占用了较多的 CPU_time 和 alloc_space。我们首先来看下 HostMatches：
它的作用是判断一个 host 是不是完全匹配给定的键值对，且判断这个 host 是否匹配这个匹配树节点。
它的开销主要在于执行次数过多：treeNodes * len(hosts) ，所以在集群变大时，这边的运行开销会大幅度上升。
然后我们再来看一下 setFinalHost：
他的主要逻辑是按 IP 进行去重，同时会附带 copy。如果我们在 SubsetLoadBalancer 的顶层进行去重，那么它的任意 Subset 都不需要再次去重。因此，这边可以把它改成不去重。
PART. 4--倒排索引优化构建
在 HostMatches 的这么多次匹配中，实际上有很多的重复操作，比如对 host label 中某个 kv 判断 equals，在构建过程中重复的次数相当之多。
所以优化的思路可以基于避免这部分重复的开销，从预先构建倒排索引出发。具体步骤展开如下：
1. 输入两项参数:
- subSetKeys：
- hosts：
2. 遍历一次 hosts，针对每个 kv 我们用 bitmap 构建倒排索引：
3. 根据 subSetKeys 和倒排索引中的 kvs，构建出匹配树，因为索引中是去重的与 hosts 数目无关，这个操作开销占比很低；
4. 对于树的每个节点，利用倒排索引中的 bitmap 做交集快速得到匹配全部 kv 的 hosts 的索引 bitmap；
5. 使用 bitmap 中存储的 index 从 hosts 中取出对应 subHosts 构建子 load balancer，同时注意此处不需要使用 setFinalHosts 进行去重。
基于上述思路过程开发新的 Subset preIndex 构建算法，可以在 MOSN 的对应 Pull Request 页面查看详情：
https://github.com/mosn/mosn/pull/2010
再分享下添加 benchmark 进行测试的地址：
可以看到相对之前的构建方式，构建速度快了 20 倍，alloc_space 减小了 75% 。同时，alloc 次数出现了少量的上升，这是因为需要额外的构建一次倒排索引所致。
下面观察一下 gc：
我们可以发现，相较于之前的构建方式，运行期间的内存更小了，而且 CPU 回收的内存也变少了，同时 gc 并行扫描的时长小幅上涨，STW 时间变的更短。
最后，测试一下在不同 hosts 数目下的优化程度，可以看到在 hosts 数目较多时 （>100) ， 新的构建算法都会大幅的优于旧的构建算法。
PART. 5--总结
我们看到在大规模生产环境中，一些以前不会注意到的性能瓶颈往往会暴露出来，但通过压测，我们能提前发现并优化这些问题。
目前，该构建算法已经合并到 MOSN master，作为 MOSN 默认的 SubsetLoadBalancer 构建方式。
在这次优化过程中，我们用到了一些常见的优化手段，如：倒排索引、bitmap。不难看出，这些优化手段虽然基础常见， 但也取得了理想的优化效果，希望能对大家有所帮助。
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