追踪Redis Sentinel的CPU占有率长期接近100%的问题 二

Posted 2023-03-24

参考技术A 在 《追踪Redis Sentinel的CPU占有率长期接近100%的问题》 一文中，通过结合Redis Sentinel的源码，发现由于出现了"Too many open files"问题，致使Sentinel的acceptTcpHandler事件处理函数会被频繁并快速调用，最终导致了CPU长期接近100%的现象。但对于为什么会出现“Too many open files”这个问题，本文将在上一篇的基础上，继续探讨和分析。

“Too many open files”这个错误其实很常见，想必大家早已对其有一定的了解，这里打算再简单的介绍一下。

很明显，“Too many open files”即说明打开的文件（包括socket）数量过多，已经超出了系统设定给某个进程最大的文件描述符的个数，超过后即无法继续打开新的文件，并且报这个错误。

首先，我们需要了解有关open files的基本知识。详细的概念大家可以谷歌，网上也有各种各样的解决办法，这里只对open files做简单的介绍和总结。

我们在linux上运行ulimit -a 后，出现：

如图open files的个数为1024，很明显这个值太小了（linux默认即为1024），当进程耗尽1024个文件或socket后，就会出现“Too many open files”错误。现实生产环境中这个值很容易达到，所以一般都会进行相应修改。

最简单的修改方式是ulimit -n 65535，但这样重启系统后又会恢复。永久生效的方法是修改/etc/security/limits.conf 文件，在最后加入：

修改完成后，重启系统或者运行sysctl -p使之生效。

soft 和hard，表示对进程所能打开的文件描述符个数限制，其概念为：

他们的区别就是软限制可以在程序的进程中自行改变(突破限制)，而硬限制则不行(除非程序进程有root权限)。
上面的规则大家最好自己尝试一下，以增加印象。

重启后，运行ulimit -a，可以看到open files 的值改变为：

简单介绍完open files，我们再来了解下file-max。这个参数相信有很多人经常与ulimit中的open files混淆，他们的区别我们必须了解。

file-max 从字面意思就可以看出是文件的最大个数，运行cat /proc/sys/fs/file-max，可以看到：

这表示当前系统所有进程一共可以打开的文件数量为387311。请务必注意”系统所有进程"这几个字。

运行 vim /etc/sysctl.conf ，有时候你会看到类似：fs.file-max = 8192。出现这个则表示用户手动设置了这个值，没有则系统会有其默认值。手动设置的话，只需要在sysctl.conf 中加上上述语句即可。

回到ulimit中的open files，它与file-max的区别就是：opem filese表示当前shell以及由它启动的进程的文件描述符的限制，也就是说ulimit中设置的open files，只是当前shell及其子进程的文件描述符的限定。是否清楚？可以简单的理解为：

好了，对于 file-max与open files的简单介绍到此为止。现在的问题就是，“Too many open files”到底是碰到哪个设置的雷区造成的。

结合上一篇，我们知道sentinel主要在执行accept函数时出现了“Too many open files”错误，熟悉accept这个系统调用的朋友很清楚，accept会接收客户端的请求，成功的话会建立连接，并返回新的socket描述符。所以，我们确定这里的“Too many open files”指的即是socket的数目过多。

我们猜测，是否是有大量的Jedis连接同时存在，耗尽服务器的socket资源，导致新的连接请求无法建立。所以，我们查看一下sentinel服务器的TCP连接，运行：netstat -anp | grep 26379，得到：

由上图可以发现，有非常多处于ESTABLISHED状态的TCP连接，运行 netstat -anp | grep 118:26379 | wc -l查看他们的个数：

可以看到，Sentinel同时维持了4071个TCP连接，而且过了很久之后，仍然是这么多，不会有大幅变化。

这时，也许你会想到，是否因为系统文件描述符的限制导致Sentinel无法建立更多的Socket，从而产生“Too many open files”的错误。所以，马上在Sentinel服务器上运行cat /proc/sys/fs/file-max，发现：

这个值很大，看似一切正常。继续运行sudo cat /proc/5515/limits，发现：

看到上图，我们似乎发现了端倪，这里的hard和soft都是4096，与前面的4072比较接近。为什么会这么低？我们继续查看一下ulimit，运行ulimit -a ：

可以看到，ulimit中open files 的设置为64000，为什么会不一致？按理说sentinel应该最大有64000+的open files。

对于这个矛盾，一开始我怎么也想不明白。最后我推测：应该是在最早启动sentinel启动的时候，系统的设置为4096，sentinel启动之后，又在某个时间又改为64000，而sentinel进程确保持原有设置，从而导致很快达到限制。

我马上查看了进程的启动时间，运行ps -eo pid,lstart,etime | grep 5515：

发现进程启动于2015年12月2日，接着再次运行 ll /etc/security/limits.conf：

发现确实在2016年4月改动过， 然后我咨询了运维人员，他们告知我，确实改动过，但由多少改动到多少，他们也忘了。。。

为了了解Sentinel启动时的状况，紧接着查看了Sentinel的日志，下面是Sentinel启动时打印的画面：

上图说明了进程是2015年12月2日启动的，特别注意最开头的几行，非常关键：

这几句的意思是：

问题很清楚了，redis sentinel最大可以支持10000个客户端，也就是10032个文件描述符，但由于当前被人为限制到4096 了，所以，自动降低了标准。

因此，我猜测，最早open files的限制为4096时，Sentinel已经启动了，只要进程启动，改多少都没有用。很明显，在生产环境上，4096个连接请求很快就会达到。

接着，我继续查看了Sentinel的配置文件，如下图所示：

上图中， “Generated by CONFIG REWRITE”之前的都是是人工配置，其后为Sentinel自动重写的配置。

熟悉Redis的朋友都知道。Sentinel可能会对其配置文件进行更新重写：

我们很快注意到了maxclients 4064这个配置项，此时我很迷惑。我们知道，在Sentinel中是无法手动运行config set命令的，那这个4096必然不是来自于人工配置，Sentinel为什么要自动重写4064这个值。其实，仔细发现，这里Sentinel限制了最多4064个连接，加上32个预留，刚好为4096。

于是，综上，我猜测，Sentinel在启动的时候发现自己的10032个open files的预期与事实设置的4096不符，所以被迫遵守4096，减去预留的32，最终maxclients 只有4064，并且之后因为某些原因重写了配置，所以输出了这个值。

好吧，我的一贯作风，先猜测，再让源码说话。

我们可以通过异常信息定位异常所处源码，所以我搜索了前面提到的Sentinel在启动时打印的关于maxclients 的日志信息中的文本，如“You requested maxclients of ...”。

这个异常出现在adjustOpenFilesLimit函数,通过函数名可以清楚它的作用，然后发现它的调用链只是：
``main()->initServer()->adjustOpenFilesLimit()```

所以，可以确定，在Sentinel服务器启动并进行初始化的时候，会调用adjustOpenFilesLimit函数对open files个数进行调整。调整策略是什么呢？我们查看源码：

在第1行中，REDIS_MIN_RESERVED_FDS即预留的32，是Sentinel保留的用于额外的的操作，如listening sockets, log files 等。同时，这里读取了server.maxclients的值，看来server.maxclients具有初始化值，通过经过定位源码，发现调用链：

即Sentinel在启动时，调用initServerConfig()初始化配置，执行了server.maxclients = REDIS_MAX_CLIENTS（REDIS_MAX_CLIENTS为10000），所以server.maxclients就有了初始值10000。

回到adjustOpenFilesLimit()函数，adjustOpenFilesLimit最终目的就是得到适合的soft，并存在server.maxclients中，因为该函数比较重要，下面专门作出解释：
1 先得到maxfiles的初始值，即Sentinel的期望10032
2 然后获取进程当前的soft和hard，并存入limit ，即执行getrlimit(RLIMIT_NOFILE,&limit) ：

调整过程为：
1 先用oldlimit变量保存进程当前的soft的值（如4096）
2 然后，判断oldlimit<maxfiles ，如果真，表示当前soft达不到你要求，需要调整。调整的时候，策略是从最大值往下尝试，以逐步获得Sentinel能申请到的最大soft。

尝试过程为：
1 首先f保存要尝试的soft值，初始值为maxfiles （10032），即从10032开始调整。
2 然后开始一个循环判断，只要f大于oldlimit，就执行一次setrlimit(RLIMIT_NOFILE,&limit) ，然后f减16：

这样，用这种一步一步尝试的方法，最终可用得到了Sentiel能获得的最大的soft值，最后减去32再保存在server.maxclients中。

另外，当得到Sentinel能获得的最合适的soft值f后，还要判断f与oldlimit（系统最初的soft限制，假设为4096），原因如下：
也许会直到f==4096才设置成功，但也会出现f<4096的情况，这是因为跨度为16，最后一不小心就减多了，但最后的soft值不应该比4096还小。所以，f=oldlimit就是这个意思。

最后，还有一个判断：

上面的过程我们用简单的表示为：

adjustOpenFilesLimit()的分析到此结束。但有一点一定要明确，adjustOpenFilesLimit()只会在Sentinel初始化的时候执行一次，目的就是将最合适的soft保存到了server.maxclients （第xx行），以后不会再调用。这样，一旦设置了server.maxclients ，只要Sentinel不重启，这个值就不会变化，这也就解释了为什么Sentinel启动之后再改变open files没有效果的原因了。

那什么时候发生了重写呢？即“Generated by CONFIG REWRITE”这句话什么时候会输出？接着上面，我又在源码里搜索了“Generated by CONFIG REWRITE”这句话，发现了常量REDIS_CONFIG_REWRITE_SIGNATURE，通过它继而发现如下调用链：

上面的调用链中，*表示有很多地方会调用sentinelFlushConfig()。

什么时候调用sentinelFlushConfig()呢？经过查找，发现有很多条件都可以触发sentinelFlushConfig函数的调用，包括Leader选举、故障转移、使用Sentinel set 设置命令、Sentinel处理info信息等等。

而sentinelFlushConfig()则会利用rewriteConfig()，针对具体的配置项，分别进行重写，最终将Sentinel所有的状态持久化到了配置文件中。如下所示，在rewriteConfig()中，可以看到非常多的重写类型， 这些重写类型都是与redis的各个配置选项一一对应的：

当然，我们只需要找到其中关于max clients的重写即可，所以在该函数中，我们找到了调用：

可以看到，该函数传入了Sentinel当前的server.maxclients（已经在启动时调整过了，前面分析过），以及默认的REDIS_MAX_CLIENTS即10032。该函数作用就是将当前的server.maxclients的值重写到配置文件中去。什么时候重写呢，即当默认值与当前值不同的时候（也就是force==true的时候），具体可以查看其源码，篇幅限制我们不做详细介绍。

通过前面一大堆的分析，我们可以得出结论：

讲到这里，还有一个问题就是，为什么Sentinel服务器会长期持有4000多个Established状态的TCP连接而不释放。按目前生产环境的规模，正常情况下业务客户端使用的Jedis建立的TCP连接不应该有这么多。

经过查看，发现Sentinel上的很多连接在对应的客户端中并没有存在。如红框所示IP10.X.X.74上：

总计有992个连接：

而实际上在10.X.X.74上，只有5个与Sentinel的连接长期存在：

也就是说，在Sentinel中有大量的连接是无效的，客户端并没有持有，Sentinel一直没有释放。这个问题， 就涉及到了TCP保活的相关知识。

我们首先要了解，操作系统通常会自身提供TCP的keepalive机制，如在linux默认配置下，运行sysctl -a |grep keep，会看到如下信息：

上面表示如果连接的空闲时间超过 7200 秒（2 小时），Linux 就发送保持活动的探测包。每隔75秒发一次，总共发9次，如果9次都失败的话，表示连接失效。

TCP提供这种机制帮助我们判断对端是否存活，当TCP检测到对端不可用时，会出错并通知上层进行处理。keepalive机制默认是关闭的，应用程序需要使用SO_KEEPALIVE进行启用。

了解到这个知识之后，我们开始分析。在Redis的源码中，发现有如下调用链：

还记得acceptTcpHandler吗，acceptTcpHandler是TCP连接的事件处理器，当它为客户端成功创建了TCP连接后，会通过调用createClient函数为每个连接（fd）创建一个redisClient 实例，这个redisClient 与客户端是一一对应的。并且，还会设置一些TCP选项，如下所示。

如果用户在Redis中没有手动配置tcpkeepalive的话，server.tcpkeepalive = REDIS_DEFAULT_TCP_KEEPALIVE，默认为0。
由第x-x行我们可以明确，Redis服务器与客户端的连接默认是关闭保活机制的,因为只有当server.tcpkeepalive不为0（修改配置文件或config set）时，才能调用anetKeepAlive方法设置TCP的keepalive选项。

我们知道，Sentinel是特殊模式的Redis，我们无法使用config set命令去修改其配置，包括tcpkeepalive 参数。所以，当Sentinel启动后，Sentinel也使用默认的tcpkeepalive ==0这个设置，不会启用tcpkeepalive ，与客户端的TCP连接都没有保活机制。也就是说，Sentinel不会主动去释放连接,哪怕是失效连接。

但是，TCP连接是双向的，Sentinel无法处理失效连接，那Jedis客户端呢？它是否可以主动断掉连接？我们定位到了Jedis建立连接的函数connect()，如下所示：

由第x行可以看到，Jedis启用了TCP的keepalive机制，并且没有设置其他keepalive相关选项。也就是说，Jedis客户端会采用linux默认的TCP keepalive机制，每隔7200秒去探测连接的情况。这样，即使与Sentinel的连接出问题，Jedis客户端也能主动释放掉，虽然时间有点久。

但是，实际上，如前面所示，Sentinel服务器上有很多失效连接持续保持，为什么会有这种现象？

对于上面的问题，能想到的原因就是，在Jedis去主动释放掉TCP连接前，该连接被强制断掉，没有进行完整的四次挥手的过程。而Sentinel却因为没有保活机制，没有感知到这个动作，导致其一直保持这个连接。

能干掉连接的元凶，马上想到了防火墙，于是我又询问了运维，结果，他们告知了我一个噩耗：
目前，生产环境上防火墙的设置是主动断掉超过10分钟没有数据交换的TCP连接。

好吧，绕了一大圈，至此，问题已经很清楚了。

终于，我们得出了结论：

有了前面的分析，其实解决办法很简单：

关于“追踪Redis Sentinel的CPU占有率长期接近100%的问题”到此就结束了，在写这两篇博文的时候，我收货了很多自己没有掌握的知识和技巧。现在觉得，写博文真的是一件值得坚持和认真对待的事情，早应该开始。不要问我为什么，当你尝试之后，也就和我一样明白了。

这两篇文章的分析过程肯定有疏漏和不足之处，个人能力有限，希望大家能够理解，并多多指教，非常感谢！我会继续进步！

前面提到过，在每个客户端上，都可以发现5个正常的TCP连接，他们是什么呢？让我们重新回到Jedis。

在《追踪Redis Sentinel的CPU占有率长期接近100%的问题 一》中，我们提到Jedis SentinelPool会为每一个Sentinel建立一个MasterListener线程，该线程用来监听主从切换，保证客户端的Jedis句柄始终对应在Master上。在这里，即会有5个MasterListener来对应5个Sentinel。

其实，MasterListener的监听功能根据Redis的pub sub功能实现的。MasterListener线程会去订阅+switch-master消息，该消息会在master节点地址改变时产生，一旦产生，MasterListener就重新初始化连接池，保证客户端使用的jedis句柄始终关联到Master上。

如下所示为MasterListener的线程函数，它会在一个无限循环中不断的创建Jedis句柄，利用该句柄去订阅+switch-master消息，只要发生了主从切换，就会触发onMessage。

如何实现订阅功能呢，我们需要查看subscribe函数的底层实现，它实际使用client.setTimeoutInfinite()->connect建立了一个TCP连接，然后使用JedisPubSub的proceed方法去订阅频道，并且无限循环的读取订阅的信息。

在procee的方法中，实际先通过subscribe订阅频道，然后调用process方法读取订阅信息。

其实，subscribe函数就是简单的向服务器发送了一个SUBSCRIBE命令。

而process函数，篇幅较长，此处省略，其主要功能就是以无限循环的方式不断地读取订阅信息

综上，MasterListener线程会向Sentinel创建+switch-master频道的TCP订阅连接，并且会do while循环读取该频道信息。如果订阅或读取过程中出现Tcp连接异常，则释放Jedis句柄，然后等待5000ms 后重新创建Jedis句柄进行订阅。当然，这个过程会在一个循环之中。

至此，也就解释了为何每个业务客户端服务器和Sentinel服务器上，都有5个长期保持的、状态正常的TCP连接的原因了。