【Go】優雅的讀取 http 請求或響應的資料

qiyin發表於2019-01-26

原文連結：https://blog.thinkeridea.com/...

從 http.Request.Body 或 http.Response.Body 中讀取資料方法或許很多，標準庫中大多數使用 ioutil.ReadAll 方法一次讀取所有資料，如果是 json 格式的資料還可以使用 json.NewDecoder 從 io.Reader 建立一個解析器，假使使用 pprof 來分析程式總是會發現 bytes.makeSlice 分配了大量記憶體，且總是排行第一，今天就這個問題來說一下如何高效優雅的讀取 http 中的資料。

背景介紹

我們有許多 api 服務，全部採用 json 資料格式，請求體就是整個 json 字串，當一個請求到服務端會經過一些業務處理，然後再請求後面更多的服務，所有的服務之間都用 http 協議來通訊 (啊，為啥不用 RPC，因為所有的服務都會對第三方開放，http + json 更好對接)，大多數請求資料大小在 1K~4K，響應的資料在 1K~8K，早期所有的服務都使用 ioutil.ReadAll 來讀取資料，隨著流量增加使用 pprof 來分析發現 bytes.makeSlice 總是排在第一，並且佔用了整個程式 1/10 的記憶體分配，我決定針對這個問題進行優化，下面是整個優化過程的記錄。

pprof 分析

這裡使用 https://github.com/thinkeridea/go-extend/blob/master/exnet/exhttp/expprof/pprof.go 中的 API 來實現生產環境的 /debug/pprof 監測介面，沒有使用標準庫的 net/http/pprof 包因為會自動註冊路由，且長期開放 API，這個包可以設定 API 是否開放，並在規定時間後自動關閉介面，避免存在工具嗅探。

服務部署上線穩定後 (大約過了一天半)，通過 curl 下載 allocs 資料，然後使用下面的命令檢視分析。

$ go tool pprof allocs
File: xxx
Type: alloc_space
Time: Jan 25, 2019 at 3:02pm (CST)
Entering interactive mode (type "help" for commands, "o" for options)
(pprof) top
Showing nodes accounting for 604.62GB, 44.50% of 1358.61GB total
Dropped 776 nodes (cum <= 6.79GB)
Showing top 10 nodes out of 155
      flat  flat%   sum%        cum   cum%
  111.40GB  8.20%  8.20%   111.40GB  8.20%  bytes.makeSlice
  107.72GB  7.93% 16.13%   107.72GB  7.93%  github.com/sirupsen/logrus.(*Entry).WithFields
   65.94GB  4.85% 20.98%    65.94GB  4.85%  strings.Replace
   54.10GB  3.98% 24.96%    56.03GB  4.12%  github.com/json-iterator/go.(*frozenConfig).Marshal
   47.54GB  3.50% 28.46%    47.54GB  3.50%  net/url.unescape
   47.11GB  3.47% 31.93%    48.16GB  3.55%  github.com/json-iterator/go.(*Iterator).readStringSlowPath
   46.63GB  3.43% 35.36%   103.04GB  7.58%  handlers.(*AdserviceHandler).returnAd
   42.43GB  3.12% 38.49%    84.62GB  6.23%  models.LogItemsToBytes
   42.22GB  3.11% 41.59%    42.22GB  3.11%  strings.Join
   39.52GB  2.91% 44.50%    87.06GB  6.41%  net/url.parseQuery

從結果中可以看出採集期間一共分配了 1358.61GB top 10 佔用了 44.50% 其中 bytes.makeSlice 佔了接近 1/10，那麼看看都是誰在呼叫 bytes.makeSlice 吧。

(pprof) web bytes.makeSlice

從上圖可以看出呼叫 bytes.makeSlice 的最終方法是 ioutil.ReadAll, (受篇幅影響就沒有擷取 ioutil.ReadAll 上面的方法了)，而 90% 都是 ioutil.ReadAll 讀取 http 資料呼叫，找到地方先別急想優化方案，先看看為啥 ioutil.ReadAll 會導致這麼多記憶體分配。

func readAll(r io.Reader, capacity int64) (b []byte, err error) {
    var buf bytes.Buffer
    // If the buffer overflows, we will get bytes.ErrTooLarge.
    // Return that as an error. Any other panic remains.
    defer func() {
        e := recover()
        if e == nil {
            return
        }
        if panicErr, ok := e.(error); ok && panicErr == bytes.ErrTooLarge {
            err = panicErr
        } else {
            panic(e)
        }
    }()
    if int64(int(capacity)) == capacity {
        buf.Grow(int(capacity))
    }
    _, err = buf.ReadFrom(r)
    return buf.Bytes(), err
}

func ReadAll(r io.Reader) ([]byte, error) {
    return readAll(r, bytes.MinRead)
}

以上是標準庫 ioutil.ReadAll 的程式碼，每次會建立一個 var buf bytes.Buffer 並且初始化 buf.Grow(int(capacity)) 的大小為 bytes.MinRead, 這個值呢就是 512，按這個 buffer 的大小讀取一次資料需要分配 2~16 次記憶體，天啊簡直不能忍，我自己建立一個 buffer 好不好。

看一下火焰圖吧，其中紅框標記的就是 ioutil.ReadAll 的部分，顏色比較鮮豔。

優化讀取方法

自己建立足夠大的 buffer 減少因為容量不夠導致的多次擴容問題。

buffer := bytes.NewBuffer(make([]byte, 4096))
_, err := io.Copy(buffer, request.Body)
if err !=nil{
    return nil, err
}

恩恩這樣應該差不多了，為啥是初始化 4096 的大小，這是個均值，即使比 4096 大基本也就多分配一次記憶體即可，而且大多數資料都是比 4096 小的。

但是這樣真的就算好了嗎，當然不能這樣，這個 buffer 個每請求都要建立一次，是不是應該考慮一下複用呢，使用 sync.Pool 建立一個緩衝池效果就更好了。

以下是優化讀取請求的簡化程式碼：

package adapter

import (
    "bytes"
    "io"
    "net/http"
    "sync"

    "github.com/json-iterator/go"
    "github.com/sirupsen/logrus"
    "github.com/thinkeridea/go-extend/exbytes"
)

type Adapter struct {
    pool sync.Pool
}

func New() *Adapter {
    return &Adapter{
        pool: sync.Pool{
            New: func() interface{} {
                return bytes.NewBuffer(make([]byte, 4096))
            },
        },
    }
}

func (api *Adapter) GetRequest(r *http.Request) (*Request, error) {
    buffer := api.pool.Get().(*bytes.Buffer)
    buffer.Reset()
    defer func() {
        if buffer != nil {
            api.pool.Put(buffer)
            buffer = nil
        }
    }()

    _, err := io.Copy(buffer, r.Body)
    if err != nil {
        return nil, err
    }

    request := &Request{}
    if err = jsoniter.Unmarshal(buffer.Bytes(), request); err != nil {
        logrus.WithFields(logrus.Fields{
            "json": exbytes.ToString(buffer.Bytes()),
        }).Errorf("jsoniter.UnmarshalJSON fail. error:%v", err)
        return nil, err
    }
    api.pool.Put(buffer)
    buffer = nil

    // ....
    
    return request, nil
}

使用 sync.Pool 的方式是不是有點怪，主要是 defer 和 api.pool.Put(buffer)；buffer = nil 這裡解釋一下，為了提高 buufer 的複用率會在不使用時儘快把 buffer 放回到緩衝池中，defer 之所以會判斷 buffer != nil 主要是在業務邏輯出現錯誤時，但是 buffer 還沒有放回緩衝池時把 buffer 放回到緩衝池，因為在每個錯誤處理之後都寫 api.pool.Put(buffer) 不是一個好的方法，而且容易忘記，但是如果在確定不再使用時 api.pool.Put(buffer)；buffer = nil 就可以儘早把 buffer 放回到緩衝池中，提高複用率，減少新建 buffer。

這樣就好了嗎，別急，之前說服務裡面還會構建請求，看看構建請求如何優化吧。

package adapter

import (
    "bytes"
    "fmt"
    "io"
    "io/ioutil"
    "net/http"
    "sync"

    "github.com/json-iterator/go"
    "github.com/sirupsen/logrus"
    "github.com/thinkeridea/go-extend/exbytes"
)

type Adapter struct {
    pool sync.Pool
}

func New() *Adapter {
    return &Adapter{
        pool: sync.Pool{
            New: func() interface{} {
                return bytes.NewBuffer(make([]byte, 4096))
            },
        },
    }
}

func (api *Adapter) Request(r *Request) (*Response, error) {
    var err error
    buffer := api.pool.Get().(*bytes.Buffer)
    buffer.Reset()
    defer func() {
        if buffer != nil {
            api.pool.Put(buffer)
            buffer = nil
        }
    }()

    e := jsoniter.NewEncoder(buffer)
    err = e.Encode(r)
    if err != nil {
        logrus.WithFields(logrus.Fields{
            "request": r,
        }).Errorf("jsoniter.Marshal failure: %v", err)
        return nil, fmt.Errorf("jsoniter.Marshal failure: %v", err)
    }

    data := buffer.Bytes()
    req, err := http.NewRequest("POST", "http://xxx.com", buffer)
    if err != nil {
        logrus.WithFields(logrus.Fields{
            "data": exbytes.ToString(data),
        }).Errorf("http.NewRequest failed: %v", err)
        return nil, fmt.Errorf("http.NewRequest failed: %v", err)
    }

    req.Header.Set("User-Agent", "xxx")

    httpResponse, err := http.DefaultClient.Do(req)
    if httpResponse != nil {
        defer func() {
            io.Copy(ioutil.Discard, httpResponse.Body)
            httpResponse.Body.Close()
        }()
    }

    if err != nil {
        logrus.WithFields(logrus.Fields{
            "url": "http://xxx.com",
        }).Errorf("query service failed %v", err)
        return nil, fmt.Errorf("query service failed %v", err)
    }

    if httpResponse.StatusCode != 200 {
        logrus.WithFields(logrus.Fields{
            "url":         "http://xxx.com",
            "status":      httpResponse.Status,
            "status_code": httpResponse.StatusCode,
        }).Errorf("invalid http status code")
        return nil, fmt.Errorf("invalid http status code")
    }

    buffer.Reset()
    _, err = io.Copy(buffer, httpResponse.Body)
    if err != nil {
        return nil, fmt.Errorf("adapter io.copy failure error:%v", err)
    }

    respData := buffer.Bytes()
    logrus.WithFields(logrus.Fields{
        "response_json": exbytes.ToString(respData),
    }).Debug("response json")

    res := &Response{}
    err = jsoniter.Unmarshal(respData, res)
    if err != nil {
        logrus.WithFields(logrus.Fields{
            "data": exbytes.ToString(respData),
            "url":  "http://xxx.com",
        }).Errorf("adapter jsoniter.Unmarshal failed, error:%v", err)
        return nil, fmt.Errorf("adapter jsoniter.Unmarshal failed, error:%v", err)
    }
    
    api.pool.Put(buffer)
    buffer = nil

    // ...
    return res, nil
}

這個示例和之前差不多，只是不僅用來讀取 http.Response.Body 還用來建立一個 jsoniter.NewEncoder 用來把請求壓縮成 json 字串，並且作為 http.NewRequest 的 body 引數，如果直接用 jsoniter.Marshal 同樣會建立很多次記憶體，jsoniter 也使用 buffer 做為緩衝區，並且預設大小為 512, 程式碼如下：

func (cfg Config) Froze() API {
    api := &frozenConfig{
        sortMapKeys:                   cfg.SortMapKeys,
        indentionStep:                 cfg.IndentionStep,
        objectFieldMustBeSimpleString: cfg.ObjectFieldMustBeSimpleString,
        onlyTaggedField:               cfg.OnlyTaggedField,
        disallowUnknownFields:         cfg.DisallowUnknownFields,
    }
    api.streamPool = &sync.Pool{
        New: func() interface{} {
            return NewStream(api, nil, 512)
        },
    }
    // .....
    return api
}

而且序列化之後會進行一次資料拷貝：

func (cfg *frozenConfig) Marshal(v interface{}) ([]byte, error) {
    stream := cfg.BorrowStream(nil)
    defer cfg.ReturnStream(stream)
    stream.WriteVal(v)
    if stream.Error != nil {
        return nil, stream.Error
    }
    result := stream.Buffer()
    copied := make([]byte, len(result))
    copy(copied, result)
    return copied, nil
}

既然要用 buffer 那就一起吧^_^，這樣可以減少多次記憶體分配，下讀取 http.Response.Body 之前一定要記得 buffer.Reset()，這樣基本就已經完成了 http.Request.Body 和 http.Response.Body 的資料讀取優化了，具體效果等上線跑一段時間穩定之後來檢視吧。

效果分析

上線跑了一天，來看看效果吧

$ go tool pprof allocs2
File: connect_server
Type: alloc_space
Time: Jan 26, 2019 at 10:27am (CST)
Entering interactive mode (type "help" for commands, "o" for options)
(pprof) top
Showing nodes accounting for 295.40GB, 40.62% of 727.32GB total
Dropped 738 nodes (cum <= 3.64GB)
Showing top 10 nodes out of 174
      flat  flat%   sum%        cum   cum%
   73.52GB 10.11% 10.11%    73.52GB 10.11%  git.tvblack.com/tvblack/connect_server/vendor/github.com/sirupsen/logrus.(*Entry).WithFields
   31.70GB  4.36% 14.47%    31.70GB  4.36%  net/url.unescape
   27.49GB  3.78% 18.25%    54.87GB  7.54%  git.tvblack.com/tvblack/connect_server/models.LogItemsToBytes
   27.41GB  3.77% 22.01%    27.41GB  3.77%  strings.Join
   25.04GB  3.44% 25.46%    25.04GB  3.44%  bufio.NewWriterSize
   24.81GB  3.41% 28.87%    24.81GB  3.41%  bufio.NewReaderSize
   23.91GB  3.29% 32.15%    23.91GB  3.29%  regexp.(*bitState).reset
   23.06GB  3.17% 35.32%    23.06GB  3.17%  math/big.nat.make
   19.90GB  2.74% 38.06%    20.35GB  2.80%  git.tvblack.com/tvblack/connect_server/vendor/github.com/json-iterator/go.(*Iterator).readStringSlowPath
   18.58GB  2.56% 40.62%    19.12GB  2.63%  net/textproto.(*Reader).ReadMIMEHeader

哇塞 bytes.makeSlice 終於從前十中消失了，真的太棒了，還是看看 bytes.makeSlice 的其它呼叫情況吧。

(pprof) web bytes.makeSlice

從圖中可以發現 bytes.makeSlice 的分配已經很小了，且大多數是 http.Request.ParseForm 讀取 http.Request.Body 使用 ioutil.ReadAll 原因，這次優化的效果非常的好。

看一下更直觀的火焰圖吧，和優化前對比一下很明顯 ioutil.ReadAll 看不到了

優化期間遇到的問題

比較慚愧在優化的過程出現了一個過失，導致生產環境 2 分鐘故障，通過自動部署立即回滾才得以快速恢復，之後分析程式碼解決之後上線才完美優化，下面總結一下出現的問題吧。

在構建 http 請求時我分了兩個部分優化，序列化 json 和讀取 http.Response.Body 資料，保持一個觀點就是儘早把 buffer 放回到緩衝池，因為 http.DefaultClient.Do(req) 是網路請求會相對耗時，在這個之前我把 buffer 放回到緩衝池中，之後讀取 http.Response.Body 時在重新獲取一個 buffer，大概程式碼如下：

package adapter

import (
    "bytes"
    "fmt"
    "io"
    "io/ioutil"
    "net/http"
    "sync"

    "github.com/json-iterator/go"
    "github.com/sirupsen/logrus"
    "github.com/thinkeridea/go-extend/exbytes"
)

type Adapter struct {
    pool sync.Pool
}

func New() *Adapter {
    return &Adapter{
        pool: sync.Pool{
            New: func() interface{} {
                return bytes.NewBuffer(make([]byte, 4096))
            },
        },
    }
}

func (api *Adapter) Request(r *Request) (*Response, error) {
    var err error
    buffer := api.pool.Get().(*bytes.Buffer)
    buffer.Reset()
    defer func() {
        if buffer != nil {
            api.pool.Put(buffer)
            buffer = nil
        }
    }()

    e := jsoniter.NewEncoder(buffer)
    err = e.Encode(r)
    if err != nil {
        return nil, fmt.Errorf("jsoniter.Marshal failure: %v", err)
    }

    data := buffer.Bytes()
    req, err := http.NewRequest("POST", "http://xxx.com", buffer)
    if err != nil {
        return nil, fmt.Errorf("http.NewRequest failed: %v", err)
    }

    req.Header.Set("User-Agent", "xxx")

    api.pool.Put(buffer)
    buffer = nil
    
    httpResponse, err := http.DefaultClient.Do(req)
    
    
    // ....

    buffer = api.pool.Get().(*bytes.Buffer)
    buffer.Reset()
    defer func() {
        if buffer != nil {
            api.pool.Put(buffer)
            buffer = nil
        }
    }()
    _, err = io.Copy(buffer, httpResponse.Body)
    if err != nil {
        return nil, fmt.Errorf("adapter io.copy failure error:%v", err)
    }

    // ....
    
    api.pool.Put(buffer)
    buffer = nil

    // ...
    return res, nil
}

上線之後馬上發生了錯誤 http: ContentLength=2090 with Body length 0 傳送請求的時候從 buffer 讀取資料發現資料不見了或者資料不夠了，我去這是什麼鬼，馬上回滾恢復業務，然後分析 http.DefaultClient.Do(req) 和 http.NewRequest，在呼叫 http.NewRequest 是並沒有從 buffer 讀取資料，而只是建立了一個 req.GetBody 之後在 http.DefaultClient.Do 是才讀取資料，因為在 http.DefaultClient.Do 之前把 buffer 放回到緩衝池中，其它 goroutine 獲取到 buffer 並進行 Reset 就發生了資料爭用，當然會導致資料讀取不完整了，真實汗顏，對 http.Client 瞭解太少，爭取有空擼一遍原始碼。

總結

使用合適大小的 buffer 來減少記憶體分配，sync.Pool 可以幫助複用 buffer，一定要自己寫這些邏輯，避免使用三方包，三方包即使使用同樣的技巧為了避免資料爭用，在返回資料時候必然會拷貝一個新的資料返回，就像 jsoniter 雖然使用了 sync.Pool 和 buffer 但是返回資料時還需要拷貝，另外這種通用包並不能給一個非常貼合業務的初始 buffer 大小，過小會導致資料發生拷貝，過大會太過浪費記憶體。

程式中善用 buffer 和 sync.Pool 可以大大的改善程式的效能，並且這兩個組合在一起使用非常的簡單，並不會使程式碼變的複雜。

轉載：

本文作者：戚銀（thinkeridea）

本文連結： https://blog.thinkeridea.com/201901/go/you_ya_de_du_qu_http_qing_qiu_huo_xiang_ying_de_shu_ju.html

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