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libp2p-rs 关于监测指标的实现

互联网 diligentman 4天前 8次浏览

模块地址: https://github.com/netwarps/l…

libp2p-rs 作为一个 p2p 网络项目,有时候我们可能需要观察网络数据的收发情况,并对其进行收集和汇总。基于这个前提,设计了一个 metric 模块去实现相关内容。

metric实现构想

由于 libp2p 支持连接多个 peer,而每个 peer 支持的 protocol 类型也不尽相同。我们不但需要汇总收发包的数据,同时也需要根据 peer_id 和 protocol,去分类记录相应的网络流量情况。很明显,这是一个 key-value 结构,自然会想到使用 HashMap 去存储相关数据,但是 HashMap 不是一个线程安全的数据结构,那我们就需要考虑实现一个支持多线程安全并发的 HashMap

安全并发

在设计的初始,首先考虑到的就是使用 Arc 包裹 Mutex 的方式去保证线程安全,但由于目前的使用场景是统计网络收发包情况,如果频繁进行 lock 的操作,会导致性能极其低下。于是我参考了go-libp2p 的相关 metric 实现,Go 的底层是使用了一个 sync.Map 的结构,通过 Atomic+Mutex 保证了多线程并发安全。因此设计的逻辑就变成了,能否使用 CAS 之类的原子操作,实现一个 lock-free 的 HashMap

垃圾回收

除了线程安全,还有一种情况也需要考虑。在Java和Go中,变量使用完后,GC会自动帮我们执行释放内存的操作。在 Rust 中,裸指针是指向内存地址的指针,只能通过手动释放的方式去回收内存;同时,在手动回收的时候,还需要考虑是否有其他线程正在通过裸指针使用某块内存地址。而 AtomicPtr 的 compare_and_swap() 方法返回的恰好是一个可变的裸指针(即*mut T),这无疑是一个棘手的问题。

crossbeam-epoch

针对上述两种情况,我们可以使用 Crossbeam-Epoch 来解决遇到的问题。它提供了 Atomic 的相关原子操作和一个延迟删除的功能。正如其名,epoch 使用世代和延迟队列的方式,当 local epoch 与 global epoch 相差两代时,代表可以安全回收队列中两代前的内存地址,弥补了前文提到的裸指针释放操作带来的漏洞。crossbeam 通过 epoch 这个机制,保证了所有的对象只有在未被引用的情况下才会被删除,避免了出现野指针的情况。

MetricMap

MetricMap 作为 Metric 的核心,内部实现是一个包裹了crossbeam_epoch::Atomic 的 HashMap。通过 crossbeam_epoch 提供的 pin(), load(),defer_destroy() 等一系列方法,实现了 lock-free 的 HashMap

MetricMap 的实现与 go-libp2p 中的 DeepCopyMap 相似,都是通过深拷贝的方式实现 map 结构的替换。Clone() 操作在 map 的数据量较大时,对性能的影响较为明显,后续考虑优化相关结构。

以 store_or_modify() 方法举例:

  1. 首先使用 pin() 方法”pin”住当前 thread,防止全局 epoch 升级导致当前线程的 drop() 方法被调用;
  2. 然后起一个 loop,循环加载 Atomic 中的 HashMap
  3. 对 HashMap 解引用,由于在 rust 中解裸指针的引用是不安全的,因此需要用 unsafe 方法包裹;
  4. as_ref() 方法返回的是不可变引用,需要通过 clone() 得到一份新的 HashMap。如果 key 值存在,通过向闭包传值获取新的返回值,更新 value;否则插入新的 key-value;
  5. 调用 Owned::new 为新的 HashMap 分配一个在堆上的内存地址,执行 CAS 操作;
  6. 如果 CAS 成功,将旧的 HashMap 地址添加到待清除的列表中,这个列表就是前文提到的延迟删除的队列。
    /// If map contains key, replaces original value with the result that return by F.
    /// Otherwise, create a new key-value and insert.
    pub fn store_or_modify<F: Fn(&K, &V) -> V>(&self, key: &K, value: V, on_modify: F) {
        let guard = crossbeam_epoch::pin();

        loop {
            let shared = self.data.load(SeqCst, &guard);

            let mut new_hash = HashMap::new();

            match unsafe { shared.as_ref() } {
                Some(old_hash) => {
                    new_hash = old_hash.clone();
                    if let Some(old_value) = new_hash.get(key) {
                        let new_value = on_modify(key, old_value);
                        new_hash.insert(key.clone(), new_value.clone());
                    } else {
                        new_hash.insert(key.clone(), value.clone());
                    }
                }
                None => {
                    new_hash.insert(key.clone(), value.clone());
                }
            }

            let owned = Owned::new(new_hash);

            match self.data.compare_and_set(shared, owned, SeqCst, &guard) {
                Ok(_) => {
                    unsafe {
                        guard.defer_destroy(shared);
                        break;
                    }
                    // break;
                }
                Err(_e) => {}
            }
        }
    }

Metric

Metric 的主体实现如下,可以看到与 peer 和 protocol 相关的数据结构都是基于 MetricMap 的。总数据包的个数和字节数大小不需要区分,所以直接使用 std 的 AtomicUize 即可:

pub struct Metric {
    /// The accumulative counter of packets sent.
    pkt_sent: AtomicUsize,
    /// The accumulative counter of packets received.
    pkt_recv: AtomicUsize,
    /// The accumulative counter of bytes sent.
    byte_sent: AtomicUsize,
    /// The accumulative counter of bytes received.
    byte_recv: AtomicUsize,

    /// A hashmap that key is protocol name and value is a counter of bytes received.
    protocol_in: MetricMap<ProtocolId, usize>,
    /// A hashmap that key is protocol name and value is a counter of bytes sent.
    protocol_out: MetricMap<ProtocolId, usize>,

    /// A hashmap that key is peer_id and value is a counter of bytes received.
    peer_in: MetricMap<PeerId, usize>,
    /// A hashmap that key is peer_id and value is a counter of bytes sent.
    peer_out: MetricMap<PeerId, usize>,
}

总结

以上是 Metric 相关结构从实现到完工,中间若有理解上的错误,还请各位不吝赐教。目前而言,MetricMap 的设计适合于一次新增多次修改的情况。后续考虑通过起一个 Web Server 的方式,通过 Restful API 的方式暴露相关监控数据,方便在外部查看。


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