发布于 由admin

PHP中的分布式追踪：在协程环境下利用Context传递Span ID与Baggage

PHP协程环境下的分布式追踪：Context传递Span ID与Baggage

大家好，今天我们来聊聊PHP在协程环境下实现分布式追踪的关键技术：Context传递Span ID和Baggage。随着微服务架构的普及，服务之间的调用关系变得越来越复杂，排查问题也越来越困难。分布式追踪正是解决这一问题的利器，它可以帮助我们了解请求在各个服务之间的调用链路，定位性能瓶颈和错误发生的位置。

分布式追踪的基本概念

在深入协程环境下的实现之前，我们先回顾一下分布式追踪的一些基本概念：

  • Trace： 一个Trace代表一个完整的请求链路，通常由一个用户请求触发。例如，用户在电商网站上下单，这个下单请求会涉及到多个服务，例如订单服务、支付服务、库存服务等，这些服务之间的调用构成一个Trace。
  • Span： 一个Span代表Trace中的一个独立的工作单元，通常是一个函数调用或者一个服务调用。每个Span都有一个开始时间和结束时间，以及一些元数据，例如Span的名称、所属的Service、Tags和Logs。
  • Span ID： 用于唯一标识一个Span。
  • Trace ID： 用于唯一标识一个Trace，Trace中的所有Span都共享同一个Trace ID。
  • Parent Span ID： 用于标识一个Span的父Span，用于构建Span之间的父子关系。
  • Baggage： 携带额外的上下文信息，例如用户ID、请求ID等，可以在整个Trace中传递。Baggage对于传递一些业务相关的元数据非常有用。
  • Context： 用于在不同的执行单元之间传递Trace ID、Span ID和Baggage等信息。在传统的同步编程模型中，可以使用全局变量或者ThreadLocal来传递Context。但是在协程环境下，我们需要使用更加灵活的方式来传递Context。

为什么要关注协程环境下的分布式追踪？

PHP的协程框架（例如Swoole、OpenSwoole、ReactPHP）允许我们在一个进程中并发执行多个任务，极大地提高了PHP的并发能力。然而，这也给分布式追踪带来了新的挑战。在协程环境下，传统的全局变量或者ThreadLocal不再适用，因为它们无法区分不同的协程。我们需要一种新的机制来在不同的协程之间传递Trace ID、Span ID和Baggage等信息。

Context传递的挑战

在协程环境下，Context传递面临以下挑战：

  • 协程切换： 当协程发生切换时，我们需要保存当前协程的Context，并在切换到新的协程时恢复新的Context。
  • 异步调用： 当一个协程发起异步调用时，我们需要将Context传递给异步回调函数，以便在回调函数中继续追踪。
  • 跨进程调用： 当一个协程发起跨进程调用时，我们需要将Context序列化并传递给目标进程，以便在目标进程中创建新的Span。

利用SwooleCoroutine::getContext()和SwooleCoroutine::getContextRef()

Swoole提供了SwooleCoroutine::getContext()和SwooleCoroutine::getContextRef()两个函数来获取和修改协程的上下文。我们可以利用这两个函数来实现Context传递。

SwooleCoroutine::getContext()

返回当前协程的上下文对象。如果当前不在协程环境中，则返回null。

SwooleCoroutine::getContextRef()

返回当前协程的上下文对象的引用。如果当前不在协程环境中，则返回null。 使用引用允许直接修改上下文对象，而无需重新赋值。

示例代码：

<?php

use SwooleCoroutine;

class Tracer
{
    private static string $traceIdKey = 'trace_id';
    private static string $spanIdKey = 'span_id';
    private static string $baggageKey = 'baggage';

    public static function startTrace(string $traceId = null): string
    {
        $traceId = $traceId ?? uniqid(); // Generate a unique Trace ID if none is provided

        $context = Coroutine::getContext();
        if ($context) {
            $context->{self::$traceIdKey} = $traceId;
            $context->{self::$spanIdKey} = uniqid(); // Generate a new Span ID for the root span
            $context->{self::$baggageKey} = [];
        }

        return $traceId;
    }

    public static function startSpan(string $operationName): string
    {
        $context = Coroutine::getContext();
        if (!$context || !isset($context->{self::$traceIdKey})) {
            // No trace is active, return a dummy span ID.  This is a design choice - you could
            // also throw an exception or log an error.
            return 'dummy-span-id';
        }

        $traceId = $context->{self::$traceIdKey};
        $parentSpanId = $context->{self::$spanIdKey};
        $spanId = uniqid();

        // Log span start information (e.g., to a file or a tracing system)
        self::logSpanStart($traceId, $parentSpanId, $spanId, $operationName);

        // Update the Span ID in the context, so that child spans can be created under this one.
        $context->{self::$spanIdKey} = $spanId;

        return $spanId;
    }

    public static function endSpan(string $spanId): void
    {
        $context = Coroutine::getContext();
        if (!$context || !isset($context->{self::$traceIdKey})) {
            return; // No active trace, nothing to end.
        }

        $traceId = $context->{self::$traceIdKey};
        // Log span end information (e.g., to a file or a tracing system)
        self::logSpanEnd($traceId, $spanId);

        // Restore the parent Span ID (if any)
        // This simple example doesn't track the full stack of spans, so we just clear the current span id.
        $context->{self::$spanIdKey} = null;
    }

    private static function logSpanStart(string $traceId, ?string $parentSpanId, string $spanId, string $operationName): void
    {
        echo "Starting span: Trace ID: $traceId, Parent Span ID: " . ($parentSpanId ?? 'null') . ", Span ID: $spanId, Operation: $operationName" . PHP_EOL;
    }

    private static function logSpanEnd(string $traceId, string $spanId): void
    {
        echo "Ending span: Trace ID: $traceId, Span ID: $spanId" . PHP_EOL;
    }

    public static function getTraceId(): ?string
    {
        $context = Coroutine::getContext();
        return $context ? $context->{self::$traceIdKey} ?? null : null;
    }

    public static function getSpanId(): ?string
    {
        $context = Coroutine::getContext();
        return $context ? $context->{self::$spanIdKey} ?? null : null;
    }

    public static function setBaggage(string $key, string $value): void
    {
        $context = Coroutine::getContext();
        if ($context) {
            $context->{self::$baggageKey}[$key] = $value;
        }
    }

    public static function getBaggage(string $key): ?string
    {
        $context = Coroutine::getContext();
        return $context ? $context->{self::$baggageKey}[$key] ?? null : null;
    }

    public static function getAllBaggage(): ?array
    {
        $context = Coroutine::getContext();
        return $context ? $context->{self::$baggageKey} ?? null : null;
    }
}

Coroutine::run(function () {
    $traceId = Tracer::startTrace();
    echo "Trace ID: " . $traceId . PHP_EOL;

    Tracer::setBaggage('user_id', '123');
    echo "User ID: " . Tracer::getBaggage('user_id') . PHP_EOL;

    $spanId1 = Tracer::startSpan('main_operation');
    echo "Span ID 1: " . $spanId1 . PHP_EOL;

    Coroutine::create(function () {
        $spanId2 = Tracer::startSpan('sub_operation');
        echo "Span ID 2: " . $spanId2 . PHP_EOL;

        Tracer::setBaggage('request_id', '456');
        echo "Request ID: " . Tracer::getBaggage('request_id') . PHP_EOL;

        Tracer::endSpan($spanId2);
    });

    Tracer::endSpan($spanId1);
});

代码解释：

  1. Tracer 类： 封装了分布式追踪的逻辑，包括启动Trace、启动Span、结束Span、设置Baggage和获取Baggage等方法.
  2. startTrace()： 启动一个新的Trace，生成Trace ID和根Span ID，并将它们存储在协程的Context中。
  3. startSpan()： 启动一个新的Span，生成Span ID，并将Span ID存储在协程的Context中。同时记录Span的开始时间。
  4. endSpan()： 结束一个Span，记录Span的结束时间。
  5. setBaggage()： 设置Baggage。
  6. getBaggage()： 获取Baggage。
  7. Coroutine::getContext()： 用于获取当前协程的Context。
  8. Coroutine::create()： 用于创建新的协程。

输出结果：

Trace ID: 6638103e50137
User ID: 123
Starting span: Trace ID: 6638103e50137, Parent Span ID: null, Span ID: 6638103e50138, Operation: main_operation
Span ID 1: 6638103e50138
Starting span: Trace ID: 6638103e50137, Parent Span ID: 6638103e50138, Span ID: 6638103e50139, Operation: sub_operation
Span ID 2: 6638103e50139
Request ID: 456
Ending span: Trace ID: 6638103e50137, Span ID: 6638103e50139
Ending span: Trace ID: 6638103e50137, Span ID: 6638103e50138

这个例子演示了如何在协程环境下使用SwooleCoroutine::getContext()来传递Trace ID、Span ID和Baggage。当一个新的协程被创建时，它会自动继承父协程的Context，因此我们可以在子协程中访问父协程的Trace ID和Baggage。

使用Aspect AOP进行更优雅的Span管理

上面的例子展示了手动管理Span的开始和结束。 然而，这需要我们在每个需要追踪的函数中显式地调用startSpan()和endSpan()，这可能会导致代码冗余和难以维护。

我们可以使用Aspect AOP (面向切面编程) 来自动化Span的管理。 Aspect AOP允许我们在不修改原有代码的情况下，在特定的函数执行前后插入额外的代码（例如，启动和结束Span）。

虽然PHP本身没有内置的AOP支持，但我们可以使用一些第三方库来实现AOP，例如Go! AOP。 由于引入额外的第三方库增加了复杂性，且会影响性能，在此仅提供一个概念性的示例，不包含实际可运行的代码。

概念性示例：

<?php

// This is a conceptual example and requires a PHP AOP library like Go! AOP
// to actually work.  See https://github.com/goaop/framework

use GoAopAspect;
use GoAopInterceptMethodInvocation;
use GoAopSupportAnnotatedReader;
use SwooleCoroutine;

/**
 * @Aspect
 */
class TracingAspect
{
    /**
     * Advice that is executed before the execution of a method annotated
     * with the Monitor annotation.
     *
     * @param MethodInvocation $invocation Invocation context
     *
     * @Before("@annotation(Monitor)")
     */
    public function beforeMethodExecution(MethodInvocation $invocation)
    {
        $method = $invocation->getMethod();
        $spanId = Tracer::startSpan($method->getName());
        Coroutine::getContext()->spanId = $spanId;  // Store span id in context for later use
    }

    /**
     * Advice that is executed after the execution of a method annotated
     * with the Monitor annotation.
     *
     * @param MethodInvocation $invocation Invocation context
     *
     * @After("@annotation(Monitor)")
     */
    public function afterMethodExecution(MethodInvocation $invocation)
    {
        $spanId = Coroutine::getContext()->spanId;
        Tracer::endSpan($spanId);
        Coroutine::getContext()->spanId = null;
    }
}

// Define a custom annotation
/**
 * @Annotation
 */
class Monitor
{
}

class MyService
{
    /**
     * @Monitor
     */
    public function doSomething()
    {
        // ... your code here ...
    }

    /**
     * @Monitor
     */
    public function doSomethingElse()
    {
        // ... your code here ...
    }
}

// The actual AOP setup and weaving would be handled by the AOP framework.
// This is just a conceptual example.

在这个例子中，我们定义了一个TracingAspect，它包含两个Advice：beforeMethodExecution和afterMethodExecution。 beforeMethodExecution会在被@Monitor注解标记的方法执行前被调用，用于启动Span。 afterMethodExecution会在被@Monitor注解标记的方法执行后被调用，用于结束Span。

通过使用Aspect AOP，我们可以将Span管理的逻辑与业务逻辑分离，从而提高代码的可维护性和可读性。 需要注意的是，使用AOP会增加代码的复杂性，并可能影响性能。因此，在使用AOP时需要进行权衡。

跨进程调用时的Context传递

当一个协程发起跨进程调用时，我们需要将Context序列化并传递给目标进程。常见的做法是将Trace ID、Span ID和Baggage放入HTTP Header或者消息队列的消息头中。

示例代码：

<?php

use SwooleCoroutine;
use SwooleCoroutineHttpClient;

class HttpClient
{
    public static function get(string $url, array $headers = []): string
    {
        $client = new Client('127.0.0.1', 9501);

        // Inject trace context into headers
        $traceId = Tracer::getTraceId();
        $spanId = Tracer::getSpanId();
        $baggage = Tracer::getAllBaggage();

        if ($traceId) {
            $headers['X-Trace-Id'] = $traceId;
        }
        if ($spanId) {
            $headers['X-Span-Id'] = $spanId;
        }
        if ($baggage) {
            $headers['X-Baggage'] = json_encode($baggage); // Serialize baggage
        }

        $client->setHeaders($headers);
        $client->get($url);
        $body = $client->getBody();
        $client->close();

        return $body;
    }
}

Coroutine::run(function () {
    Tracer::startTrace();
    Tracer::setBaggage('user_id', '123');

    $spanId = Tracer::startSpan('http_request');
    $response = HttpClient::get('/api/users');
    Tracer::endSpan($spanId);

    echo "Response: " . $response . PHP_EOL;
});

在这个例子中，我们在发起HTTP请求之前，将Trace ID、Span ID和Baggage放入HTTP Header中。在目标进程中，我们需要从HTTP Header中提取这些信息，并创建一个新的Span。

目标进程代码（示例）：

<?php

use SwooleHttpRequest;
use SwooleHttpResponse;
use SwooleHttpServer;

$server = new Server("0.0.0.0", 9501);

$server->on("request", function (Request $request, Response $response) {
    $traceId = $request->header['x-trace-id'] ?? null;
    $spanId = $request->header['x-span-id'] ?? null;
    $baggage = $request->header['x-baggage'] ?? null;

    if ($baggage) {
        $baggage = json_decode($baggage, true);
    }

    if ($traceId) {
        Tracer::startTrace($traceId); // Reuse existing trace ID
        if ($spanId) {
            Tracer::startSpan('api_users_handler'); // Assuming a new span for this handler
            // You might also want to set the parent span ID here (if applicable)
        }
        if ($baggage) {
            foreach ($baggage as $key => $value) {
                Tracer::setBaggage($key, $value);
            }
        }

        // Process the request...
        $response->header("Content-Type", "application/json");
        $response->end(json_encode(['users' => ['user1', 'user2']]));

        if ($spanId) {
            Tracer::endSpan('api_users_handler');
        }

    } else {
        $response->status(500);
        $response->end("Missing Trace ID");
    }
});

$server->start();

在这个例子中，目标进程从HTTP Header中提取Trace ID、Span ID和Baggage，并使用这些信息创建一个新的Span。 需要注意的是，我们需要根据实际情况来选择合适的序列化方式来传递Baggage。

监控和告警

仅仅实现分布式追踪是不够的，我们还需要对追踪数据进行监控和告警。 我们可以使用一些开源的监控和告警系统，例如Prometheus和Grafana，来对追踪数据进行可视化和告警。

选择合适的Tracing后端

选择合适的Tracing后端是至关重要的。常见的Tracing后端包括：

Tracing 后端 描述 优点 缺点
Jaeger 一个开源的分布式追踪系统，由Uber开源。支持多种数据存储后端，例如Cassandra、Elasticsearch和Kafka。 易于部署，功能完善，社区活跃。 部署和维护成本较高，需要额外的存储后端。
Zipkin 一个开源的分布式追踪系统，由Twitter开源。支持多种数据存储后端，例如Cassandra、Elasticsearch和MySQL。 成熟稳定，支持多种存储后端。 功能相对较少，界面不够友好。
SkyWalking 一个开源的应用性能监控系统，由Apache开源。除了分布式追踪，还提供了Metrics和Logging功能。 功能强大，集成了Tracing、Metrics和Logging，支持多种协议。 配置复杂，学习曲线陡峭。
Datadog APM 一个商业的APM解决方案，提供了分布式追踪、Metrics和Logging功能。 功能强大，易于使用，提供了全面的监控和告警功能。 商业产品，需要付费。
New Relic APM 一个商业的APM解决方案，提供了分布式追踪、Metrics和Logging功能。 功能强大，易于使用，提供了全面的监控和告警功能。 商业产品，需要付费。
Google Cloud Trace Google Cloud Platform提供的分布式追踪服务。 无需部署和维护，与Google Cloud Platform集成紧密。 仅适用于Google Cloud Platform。

选择Tracing后端时需要考虑以下因素：

  • 性能： Tracing后端应该具有低延迟和高吞吐量，避免对应用程序的性能产生影响。
  • 可扩展性： Tracing后端应该能够处理大量的追踪数据，并能够随着应用程序的增长而扩展。
  • 易用性： Tracing后端应该易于部署、配置和使用。
  • 成本： Tracing后端应该具有合理的成本。

总结：

我们讨论了PHP协程环境下分布式追踪的实现方式，包括利用SwooleCoroutine::getContext()传递Context，使用Aspect AOP自动化Span管理，以及跨进程调用时的Context传递。
Context传递是实现分布式追踪的关键技术，它可以帮助我们在不同的执行单元之间传递Trace ID、Span ID和Baggage等信息。
选择合适的Tracing后端对于实现有效的分布式追踪至关重要，需要根据实际需求进行权衡。

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注