OpenTelemetry 实战：gRPC 监控的实现原理2

前言

最近在给 opentelemetry-java-instrumentation 提交了一个 PR，是关于给 gRPC 新增四个 metrics：rpc.client.request.size: 客户端请求包大小rpc.client.response.size：客户端收到的响应包大小rpc.server.request.size：服务端收到的请求包大小rpc.server.response.size：服务端响应的请求包大小这个 PR 的主要目的就是能够在指标监控中拿到 RPC 请求的包大小，而这里的关键就是如何才能拿到这些包的大小。首先支持的是 gRPC（目前在云原生领域使用的最多），其余的 RPC 理论上也是可以支持的：

在实现的过程中我也比较好奇 OpenTelemetry 框架是如何给 gRPC 请求创建 span 调用链的，如下图所示：

这是一个 gRPC 远程调用，java-demo 是 gRPC 的客户端，k8s-combat 是 gRPC 的服务端在开始之前我们可以根据 OpenTelemetry 的运行原理大概猜测下它的实现过程。首先我们应用可以创建这些链路信息的前提是：使用了 OpenTelemetry 提供的 javaagent，这个 agent 的原理是在运行时使用了 byte-buddy 增强了我们应用的字节码，在这些字节码中代理业务逻辑，从而可以在不影响业务的前提下增强我们的代码（只要就是创建 span、metrics 等数据）Spring 的一些代理逻辑也是这样实现的gRPC 增强原理而在工程实现上，我们最好是不能对业务代码进行增强，而是要找到这些框架提供的扩展接口。拿 gRPC 来说，我们可以使用它所提供的 io.grpc.ClientInterceptor 和 io.grpc.ServerInterceptor 接口来增强代码。打开 io.opentelemetry.instrumentation.grpc.v1_6.TracingClientInterceptor 类我们可以看到它就是实现了 io.grpc.ClientInterceptor：

而其中最关键的就是要实现 io.grpc.ClientInterceptor#interceptCall 函数：@Override public <REQUEST, RESPONSE> ClientCall<REQUEST, RESPONSE> interceptCall( MethodDescriptor<REQUEST, RESPONSE> method, CallOptions callOptions, Channel next) { GrpcRequest request = new GrpcRequest(method, null, null, next.authority()); Context parentContext = Context.current(); if (!instrumenter.shouldStart(parentContext, request)) { return next.newCall(method, callOptions); } Context context = instrumenter.start(parentContext, request); ClientCall<REQUEST, RESPONSE> result; try (Scope ignored = context.makeCurrent()) { try { // call other interceptors result = next.newCall(method, callOptions); } catch (Throwable e) { instrumenter.end(context, request, Status.UNKNOWN, e); throw e; } } return new TracingClientCall<>(result, parentContext, context, request); }

这个接口是 gRPC 提供的拦截器接口，对于 gRPC 客户端来说就是在发起真正的网络调用前后会执行的方法。所以在这个接口中我们就可以实现创建 span 获取包大小等逻辑。使用 byte-buddy 增强代码不过有一个问题是我们实现的 io.grpc.ClientInterceptor 类需要加入到拦截器中才可以使用：var managedChannel = ManagedChannelBuilder.forAddress(host, port) .intercept(new TracingClientInterceptor()) // 加入拦截器.usePlaintext().build();但在 javaagent 中是没法给业务代码中加上这样的代码的。此时就需要 byte-buddy 登场了，它可以动态修改字节码从而实现类似于修改源码的效果。在 io.opentelemetry.javaagent.instrumentation.grpc.v1_6.GrpcClientBuilderBuildInstr umentation 类里可以看到 OpenTelemetry 是如何使用 byte-buddy 的。 @Override public ElementMatcher<TypeDescription> typeMatcher() { return extendsClass(named("io.grpc.ManagedChannelBuilder")) .and(declaresField(named("interceptors"))); } @Override public void transform(TypeTransformer transformer) { transformer.applyAdviceToMethod( isMethod().and(named("build")), GrpcClientBuilderBuildInstrumentation.class.getName() + "$AddInterceptorAdvice"); } @SuppressWarnings("unused") public static class AddInterceptorAdvice { @Advice.OnMethodEnter(suppress = Throwable.class) public static void addInterceptor( @Advice.This ManagedChannelBuilder<?> builder, @Advice.FieldValue("interceptors") List<ClientInterceptor> interceptors) { VirtualField<ManagedChannelBuilder<?>, Boolean> instrumented = VirtualField.find(ManagedChannelBuilder.class, Boolean.class); if (!Boolean.TRUE.equals(instrumented.get(builder))) { interceptors.add(0, GrpcSingletons.CLIENT_INTERCEPTOR); instrumented.set(builder, true); } } }

从这里的源码可以看出，使用了 byte-buddy 拦截了 io.grpc.ManagedChannelBuilder#intercept(java.util.List<io.grpc.ClientInterceptor>) 函数。io.opentelemetry.javaagent.extension.matcher.AgentElementMatchers#extendsClass/ isMethod 等函数都是 byte-buddy 库提供的函数。而这个函数正好就是我们需要在业务代码里加入拦截器的地方。interceptors.add(0, GrpcSingletons.CLIENT_INTERCEPTOR);GrpcSingletons.CLIENT_INTERCEPTOR = new TracingClientInterceptor(clientInstrumenter, propagators);通过这行代码可以手动将 OpenTelemetry 里的 TracingClientInterceptor 加入到拦截器列表中，并且作为第一个拦截器。而这里的：extendsClass(named("io.grpc.ManagedChannelBuilder")) .and(declaresField(named("interceptors")))通过函数的名称也可以看出是为了找到 继承了io.grpc.ManagedChannelBuilder 类中存在成员变量 interceptors 的类。transformer.applyAdviceToMethod( isMethod().and(named("build")), GrpcClientBuilderBuildInstrumentation.class.getName() + "$AddInterceptorAdvice");然后在调用 build 函数后就会进入自定义的 AddInterceptorAdvice 类，从而就可以拦截到添加拦截器的逻辑，然后把自定义的拦截器加入其中。获取 span 的 attribute

我们在 gRPC 的链路中还可以看到这个请求的具体属性，比如：gRPC 服务提供的 IP 端口。请求的响应码请求的 service 和 method线程等信息。这些信息在问题排查过程中都是至关重要的。可以看到这里新的 attribute 主要是分为了三类：net. 是网络相关的属性rpc. 是和 grpc 相关的属性thread.* 是线程相关的属性所以理论上我们在设计 API 时最好可以将这些不同分组的属性解耦开，如果是 MQ 相关的可能还有一些 topic 等数据，所以各个属性之间是互不影响的。带着这个思路我们来看看 gRPC 这里是如何实现的。clientInstrumenterBuilder .setSpanStatusExtractor(GrpcSpanStatusExtractor.CLIENT) .addAttributesExtractors(additionalExtractors) .addAttributesExtractor(RpcClientAttributesExtractor.create(rpcAttributesGetter)) .addAttributesExtractor(ServerAttributesExtractor.create(netClientAttributesGetter)) .addAttributesExtractor(NetworkAttributesExtractor.create(netClientAttributesGetter))OpenTelemetry 会提供一个 io.opentelemetry.instrumentation.api.instrumenter.InstrumenterBuilder#addAttributesExtractor构建器函数，用于存放自定义的属性解析器。从这里的源码可以看出分别传入了网络相关、RPC 相关的解析器；正好也就对应了图中的那些属性，也满足了我们刚才提到的解耦特性。而每一个自定义属性解析器都需要实现接口 io.opentelemetry.instrumentation.api.instrumenter.AttributesExtractorpublic interface AttributesExtractor<REQUEST, RESPONSE> {}这里我们以 GrpcRpcAttributesGetter 为例。enum GrpcRpcAttributesGetter implements RpcAttributesGetter<GrpcRequest> { INSTANCE; @Override public String getSystem(GrpcRequest request) { return "grpc"; } @Override @Nullable public String getService(GrpcRequest request) { String fullMethodName = request.getMethod().getFullMethodName(); int slashIndex = fullMethodName.lastIndexOf('/'); if (slashIndex == -1) { return null; } return fullMethodName.substring(0, slashIndex); }

可以看到 system 是写死的 grpc，也就是对于到页面上的 rpc.system 属性。而这里的 getService 函数则是拿来获取 rpc.service 属性的，可以看到它是通过 gRPC 的method 信息来获取 service 的。public interface RpcAttributesGetter<REQUEST> { @Nullable String getService(REQUEST request);}而这里 REQUEST 其实是一个泛型，在 gRPC 里是 GrpcRequest，在其他 RPC 里这是对应的 RPC 的数据。这个 GrpcRequest 是在我们自定义的拦截器中创建并传递的。

而我这里需要的请求包大小也是在拦截中获取到数据然后写入进 GrpcRequest。

static <T> Long getBodySize(T message) { if (message instanceof MessageLite) { return (long) ((MessageLite) message).getSerializedSize(); } else { // Message is not a protobuf message return null; }}这样就可以实现不同的 RPC 中获取自己的 attribute，同时每一组 attribute 也都是隔离的，互相解耦。自定义 metrics每个插件自定义 Metrics 的逻辑也是类似的，需要由框架层面提供 API 接口：public InstrumenterBuilder<REQUEST, RESPONSE> addOperationMetrics(OperationMetrics factory) { operationMetrics.add(requireNonNull(factory, "operationMetrics")); return this; }// 客户端的 metrics.addOperationMetrics(RpcClientMetrics.get()); // 服务端的 metrics.addOperationMetrics(RpcServerMetrics.get());之后也会在框架层面回调这些自定义的 OperationMetrics: if (operationListeners.length != 0) { // operation listeners run after span start, so that they have access to the current span // for capturing exemplars long startNanos = getNanos(startTime); for (int i = 0; i < operationListeners.length; i++) { context = operationListeners[i].onStart(context, attributes, startNanos); } } if (operationListeners.length != 0) { long endNanos = getNanos(endTime); for (int i = operationListeners.length - 1; i >= 0; i--) { operationListeners[i].onEnd(context, attributes, endNanos); } }这其中最关键的就是两个函数 onStart 和 onEnd，分别会在当前这个 span 的开始和结束时进行回调。所以通常的做法是在 onStart 函数中初始化数据，然后在 onEnd 结束时统计结果，最终可以拿到 metrics 所需要的数据。以这个 rpc.client.duration 客户端的请求耗时指标为例：@Override public Context onStart(Context context, Attributes startAttributes, long startNanos) { return context.with( RPC_CLIENT_REQUEST_METRICS_STATE, new AutoValue_RpcClientMetrics_State(startAttributes, startNanos)); } @Override public void onEnd(Context context, Attributes endAttributes, long endNanos) { State state = context.get(RPC_CLIENT_REQUEST_METRICS_STATE); Attributes attributes = state.startAttributes().toBuilder().putAll(endAttributes).build(); clientDurationHistogram.record( (endNanos - state.startTimeNanos()) / NANOS_PER_MS, attributes, context);}在开始时记录下当前的时间，结束时获取当前时间和结束时间的差值正好就是这个 span 的执行时间，也就是 rpc client 的处理时间。在 OpenTelemetry 中绝大多数的请求时间都是这么记录的。Golang 增强而在 Golang 中因为没有 byte-buddy 这种魔法库的存在，不可以直接修改源码，所以通常的做法还是得硬编码才行。还是以 gRPC 为例，我们在创建 gRPC server 时就得指定一个 OpenTelemetry 提供的函数。s := grpc.NewServer( grpc.StatsHandler(otelgrpc.NewServerHandler()), )

在这个 SDK 中也会实现刚才在 Java 里类似的逻辑，限于篇幅具体逻辑就不细讲了。总结以上就是 gRPC 在 OpenTelemetry 中的具体实现，主要就是在找到需要增强框架是否有提供扩展的接口，如果有就直接使用该接口进行埋点。如果没有那就需要查看源码，找到核心逻辑，再使用 byte-buddy 进行埋点。

比如 Pulsar 并没有在客户端提供一些扩展接口，只能找到它的核心函数进行埋点。而在具体埋点过程中 OpenTelemetry 提供了许多解耦的 API，方便我们实现埋点所需要的业务逻辑，也会在后续的文章继续分析 OpenTelemetry 的一些设计原理和核心 API 的使用。这部分 API 的设计我觉得是 OpenTelemetry 中最值得学习的地方。参考链接：