使用 Delve 调试 Go 服务的一次经历

Vladimir Varankin 写于 2018/12/02

某天，我们生产服务上的几个实例突然不能处理外部进入的流量，HTTP 请求成功通过负载均衡到达实例，但是之后却 hang 住了。接下来记录的是一次调试在线 Go 服务的惊心动魄的经历。

正是下面逐步演示的操作，帮助我们定位了问题的根本原因。

简单起见，我们将起一个 Go 写的 HTTP 服务作为调试使用，这个服务实现的细节暂时不做深究（之后我们将深入分析代码）。一个真实的生产应用可能包含很多组件，这些组件实现了业务罗和服务的基础架构。我们可以确信，这些应用已经在生产环境“身经百战” :)。

源代码以及配置细节可以查看 GitHub 仓库 。为了完成接下来的工作，你需要一台 Linux 系统的虚机，这里我使用 vagrant-hostmanager 插件。 Vagrantfile 在 GitHub 仓库的根目录，可以查看更多细节。

让我们开启虚机，构建 HTTP 服务并且运行起来，可以看到下面的输出：

$ Vagrant up
Bringing Machine 'server-test-1' up with 'virtualbox' provider...

$ Vagrant SSH server-test-1
Welcome to Ubuntu 18.04.1 LTS (GNU/Linux 4.15.0-33-generic x86_64)
···
vagrant@server-test-1:~$ cd /vagrant/example/server
vagrant@server-test-1:/vagrant/example/server$ Go build
vagrant@server-test-1:/vagrant/example/server$ ./server --addr=:10080
server listening addr=:10080

通过 curl 发送请求到所起的 HTTP 服务，可以判断其是否处于工作状态，新开一个 terminal 并执行下面的命令：

$ curl 'http://server-test-1:10080'
OK

为了模拟失败的情况，我们需要发送大量请求到 HTTP 服务，这里我们使用 HTTP benchmark 测试工具 wrk 进行模拟。我的 MacBook 是 4 核的，所以使用 4 个线程运行 wrk，能够产生 1000 个连接，基本能够满足需求。

$ wrk -d1m -t4 -c1000 'http://server-test-1:10080'
Running 1m test @ http://server-test-1:10080
  4 threads and 1000 connections
  ···

一会的时间，服务器 hang 住了。甚至等 wrk 跑完之后，服务器已经不能处理任何请求：

$ curl --max-time 5 'http://server-test-1:10080/'
curl: (28) Operation timed out after 5001 milliseconds with 0 bytes received

我们遇到麻烦了！让我们分析一下。

在我们生产服务的真实场景中，服务器起来以后，goroutines 的数量由于请求的增多而迅速增加，之后便失去响应。对 pprof 调试句柄的请求变得非常非常慢，看起来就像服务器“死掉了”。同样，我们也尝试使用 SIGQUIT 命令杀掉进程以 释放所运行 Goroutines 堆栈 ，但是收不到任何效果。

GDB 和 Coredump

我们可以使用 GDB（GNU Debugger）尝试进入正在运行的服务内部。

在生产环境运行调试器可能需要额外的权限，所以与你的团队提前沟通是很明智的。

在虚机上再开启一个 SSH 会话，找到服务器的进程 id 并使用调试器连接到该进程：

$ Vagrant SSH server-test-1
Welcome to Ubuntu 18.04.1 LTS (GNU/Linux 4.15.0-33-generic x86_64)
···
vagrant@server-test-1:~$ pgrep server
1628
vagrant@server-test-1:~$ cd /vagrant
vagrant@server-test-1:/vagrant$ sudo gdb --pid=1628 example/server/server
GNU gdb (Ubuntu 8.1-0ubuntu3) 8.1.0.20180409-git
···

调试器连接到服务器进程之后，我们可以运行 GDB 的 bt 命令（aka backtrace）来检查当前线程的堆栈信息：

(gdb) bt
#0  runtime.futex () at /usr/local/go/src/runtime/sys_linux_amd64.s:532
#1  0x000000000042b08b in runtime.futexsleep (addr=0xa9a160 <runtime.m0+320>, ns=-1, val=0) at /usr/local/go/src/runtime/os_linux.go:46
#2  0x000000000040c382 in runtime.notesleep (n=0xa9a160 <runtime.m0+320>) at /usr/local/go/src/runtime/lock_futex.go:151
#3  0x0000000000433b4a in runtime.stoplockedm () at /usr/local/go/src/runtime/proc.go:2165
#4  0x0000000000435279 in runtime.schedule () at /usr/local/go/src/runtime/proc.go:2565
#5  0x00000000004353fe in runtime.park_m (gp=0xc000066d80) at /usr/local/go/src/runtime/proc.go:2676
#6  0x000000000045ae1b in runtime.mcall () at /usr/local/go/src/runtime/asm_amd64.s:299
#7  0x000000000045ad39 in runtime.rt0_go () at /usr/local/go/src/runtime/asm_amd64.s:201
#8  0x0000000000000000 in ?? ()

说实话我并不是 GDB 的专家，但是显而易见 Go 运行时似乎使线程进入睡眠状态了，为什么呢？

调试一个正在运行的进程是不明智的，不如将该线程的 coredump 保存下来，进行离线分析。我们可以使用 GDB 的 gcore 命令，该命令将 core 文件保存在当前工作目录并命名为 core.<process_id> 。

(gdb) gcore
Saved corefile core.1628
(gdb) quit
A debugging session is active.

	Inferior 1 [process 1628] will be detached.

Quit anyway? (y or n) y
Detaching from program: /vagrant/example/server/server, process 1628

core 文件保存后，服务器没必要继续运行，使用 kill -9 结束它。

我们能够注意到，即使是一个简单的服务器，core 文件依然会很大（我这一份是 1.2G）, 对于生产的服务来说，可能会更加巨大。

如果需要了解更多使用 GDB 调试的技巧，可以继续阅读 使用 GDB 调试 Go 代码 。

使用 Delve 调试器

Delve 是一个针对 Go 程序的调试器。它类似于 GDB，但是更关注 Go 的运行时、数据结构以及其他内部的机制。

如果你对 Delve 的内部实现机制很感兴趣，那么我十分推荐你阅读 Alessandro Arzilli 在 GopherCon EU 2018 所作的演讲，[ Internal Architecture of Delve, a Debugger For Go ]。

Delve 是用 Go 写的，所以安装起来非常简单：

$ Go get -u Github.com/derekparker/delve/cmd/dlv

Delve 安装以后，我们就可以通过运行 dlv core <path to service binary> <core file> 来分析 core 文件。我们先列出执行 coredump 时正在运行的所有 Goroutines。Delve 的 goroutines 命令如下：

$ dlv core example/server/server core.1628

(dlv) Goroutines
  ···
  Goroutine 4611 - User: /vagrant/example/server/metrics.go:113 main.(*Metrics).CountS (0x703948)
  Goroutine 4612 - User: /vagrant/example/server/metrics.go:113 main.(*Metrics).CountS (0x703948)
  Goroutine 4613 - User: /vagrant/example/server/metrics.go:113 main.(*Metrics).CountS (0x703948)

不幸的是，在真实生产环境下，这个列表可能会很长，甚至会超出 terminal 的缓冲区。由于服务器为每一个请求都生成一个对应的 Goroutine，所以 goroutines 命令生成的列表可能会有百万条。我们假设现在已经遇到这个问题，并想一个方法来解决它。

Delve 支持 "headless" 模式，并且能够通过 JSON-RPC API 与调试器交互。

运行 dlv core 命令，指定想要启动的 Delve API server：

$ dlv core example/server/server core.1628 --listen :44441 --headless --log
API server listening at: [::]:44441
INFO[0000] opening core file core.1628 (executable example/server/server)  layer=debugger

调试服务器运行后，我们可以发送命令到其 TCP 端口并将返回结果以原生 JSON 的格式存储。我们以上面相同的方式得到正在运行的 Goroutines，不同的是我们将结果存储到文件中：

$ Echo -n '{"method":"RPCServer.ListGoroutines","params":[],"id":2}' | nc -w 1 localhost 44441 > server-test-1_dlv-rpc-list_goroutines.json

现在我们拥有了一个（比较大的）JSON 文件，里面存储大量原始信息。推荐使用 jq 命令进一步了解 JSON 数据的原貌，举例：这里我获取 JSON 数据的 result 字段的前三个对象：

$ jq '.result[0:3]' server-test-1_dlv-rpc-list_goroutines.json
[
  {
    "id": 1,
    "currentLoc": {
      "pc": 4380603,
      "file": "/usr/local/go/src/runtime/proc.go",
      "line": 303,
      "function": {
        "name": "runtime.gopark",
        "value": 4380368,
        "type": 0,
        "goType": 0,
        "optimized": true
      }
    },
    "userCurrentLoc": {
      "pc": 6438159,
      "file": "/vagrant/example/server/main.go",
      "line": 52,
      "function": {
        "name": "main.run",
        "value": 6437408,
        "type": 0,
        "goType": 0,
        "optimized": true
      }
    },
    "goStatementLoc": {
      "pc": 4547433,
      "file": "/usr/local/go/src/runtime/asm_amd64.s",
      "line": 201,
      "function": {
        "name": "runtime.rt0_go",
        "value": 4547136,
        "type": 0,
        "goType": 0,
        "optimized": true
      }
    },
    "startLoc": {
      "pc": 4379072,
      "file": "/usr/local/go/src/runtime/proc.go",
      "line": 110,
      "function": {
        "name": "runtime.main",
        "value": 4379072,
        "type": 0,
        "goType": 0,
        "optimized": true
      }
    },
    "threadID": 0,
    "unreadable": ""
  },
  ···
]

JSON 数据中的每个对象都代表了一个 Goroutine。通过 命令手册

可知， goroutines 命令可以获得每一个 Goroutines 的信息。通过手册我们能够分析出 userCurrentLoc 字段是服务器源码中 Goroutines 最后出现的地方。

为了能够了解当 core file 创建的时候，goroutines 正在做什么，我们需要收集 JSON 文件中包含 userCurrentLoc 字段的函数名字以及其行号：

$ jq -c '.result[] | [.userCurrentLoc.function.name, .userCurrentLoc.line]' server-test-1_dlv-rpc-list_goroutines.json | sort | uniq -c

   1 ["internal/poll.runtime_pollWait",173]
1000 ["main.(*Metrics).CountS",95]
   1 ["main.(*Metrics).SetM",105]
   1 ["main.(*Metrics).startOutChannelConsumer",179]
   1 ["main.run",52]
   1 ["os/signal.signal_recv",139]
   6 ["runtime.gopark",303]

大量的 Goroutines( 上面是 1000 个 ) 在函数 main.(*Metrics).CoutS 的 95 行被阻塞。现在我们回头看一下我们服务器的 源码 。

在 main 包中找到 Metrics 结构体并且找到它的 CountS 方法（example/server/metrics.go）。

// CountS increments counter per second.
func (m *Metrics) CountS(key string) {
    m.inChannel <- NewCountMetric(key, 1, second)
}

我们的服务器在往 inChannel 通道发送的时候阻塞住了。让我们找出谁负责从这个通道读取数据，深入研究代码之后我们找到了 下面的函数 ：

// starts a consumer for inChannel
func (m *Metrics) startInChannelConsumer() {
    for inMetrics := range m.inChannel {
   	    // ···
    }
}

这个函数逐个地从通道中读取数据并加以处理，那么什么情况下发送到这个通道的任务会被阻塞呢？

当处理通道的时候，根据 Dave Cheney 的 通道准则 ，只有四种情况可能导致通道有问题：

• 向一个 nil 通道发送
• 从一个 nil 通道接收
• 向一个已关闭的通道发送
• 从一个已关闭的通道接收并立即返回零值

第一眼就看到了“向一个 nil 通道发送”，这看起来像是问题的原因。但是反复检查代码后， inChannel 是由 Metrics 初始化的，不可能为 nil。

n 你可能会注意到，使用 jq 命令获取到的信息中，没有 startInChannelConsumer 方法。会不会是因为在 main.(*Metrics).startInChannelConsumer 的某个地方阻塞而导致这个（可缓冲）通道满了？

Delve 能够提供从开始位置到 userCurrentLoc 字段之间的初始位置信息，这个信息存储到 startLoc 字段中。使用下面的 jq 命令可以查询出所有 Goroutines, 其初始位置都在函数 startInChannelConsumer 中：

$ jq '.result[] | select(.startLoc.function.name | test("startInChannelConsumer$"))' server-test-1_dlv-rpc-list_goroutines.json

{
  "id": 20,
  "currentLoc": {
    "pc": 4380603,
    "file": "/usr/local/go/src/runtime/proc.go",
    "line": 303,
    "function": {
      "name": "runtime.gopark",
      "value": 4380368,
      "type": 0,
      "goType": 0,
      "optimized": true
    }
  },
  "userCurrentLoc": {
    "pc": 6440847,
    "file": "/vagrant/example/server/metrics.go",
    "line": 105,
    "function": {
      "name": "main.(*Metrics).SetM",
      "value": 6440672,
      "type": 0,
      "goType": 0,
      "optimized": true
    }
  },
  "startLoc": {
    "pc": 6440880,
    "file": "/vagrant/example/server/metrics.go",
    "line": 109,
    "function": {
      "name": "main.(*Metrics).startInChannelConsumer",
      "value": 6440880,
      "type": 0,
      "goType": 0,
      "optimized": true
    }
  },
  ···
}

结果中有一条信息非常振奋人心！

在 main.(*Metrics).startInChannelConsumer ，109 行（看结果中的 startLoc 字段），有一个 id 为 20 的 Goroutines 阻塞住了！

拿到 Goroutines 的 id 能够大大降低我们搜索的范围（并且我们再也不用深入庞大的 JSON 文件了）。使用 Delve 的 goroutines 命令我们能够将当前 Goroutines 切换到目标 Goroutines，然后可以使用 stack 命令打印该 Goroutines 的堆栈信息：

$ dlv core example/server/server core.1628

(dlv) Goroutine 20
Switched from 0 to 20 (thread 1628)

(dlv) stack -full
0  0x000000000042d7bb in runtime.gopark
   at /usr/local/go/src/runtime/proc.go:303
       lock = unsafe.Pointer(0xc000104058)
       reason = waitReasonChanSend
···
3  0x00000000004066a5 in runtime.chansend1
   at /usr/local/go/src/runtime/chan.go:125
       c = (unreadable empty OP stack)
       elem = (unreadable empty OP stack)

4  0x000000000062478f in main.(*Metrics).SetM
   at /vagrant/example/server/metrics.go:105
       key = (unreadable empty OP stack)
       m = (unreadable empty OP stack)
       value = (unreadable empty OP stack)

5  0x0000000000624e64 in main.(*Metrics).sendMetricsToOutChannel
   at /vagrant/example/server/metrics.go:146
       m = (*main.Metrics)(0xc000056040)
       scope = 0
       updateInterval = (unreadable could not find loclist entry at 0x89f76 for address 0x624e63)

6  0x0000000000624a2f in main.(*Metrics).startInChannelConsumer
   at /vagrant/example/server/metrics.go:127
       m = (*main.Metrics)(0xc000056040)
       inMetrics = main.Metric {Type: TypeCount, Scope: 0, Key: "server.req-incoming",...+2 more}
       nextUpdate = (unreadable could not find loclist entry at 0x89e86 for address 0x624a2e)

从下往上分析：

（6）一个来自通道的新 inMetrics 值在 main.(*Metrics).startInChannelConsumer 中被接收

（5）我们调用 main.(*Metrics).sendMetricsToOutChannel 并且在 example/server/metrics.go 的 146 行进行处理

（4）然后 main.(*Metrics).SetM 被调用

一直运行到 runtime.gopark 中的 waitReasonChanSend 阻塞！

一切的一切都明朗了！

单个 Goroutines 中，一个从缓冲通道读取数据的函数，同时也在往通道中发送数据。当进入通道的值达到通道的容量时，消费函数继续往已满的通道中发送数据就会造成自身的死锁。由于单个通道的消费者死锁，那么每一个尝试往通道中发送数据的请求都会被阻塞。

这就是我们的故事，使用上述调试技术帮助我们发现了问题的根源。那些代码是很多年前写的，甚至从没有人看过这些代码，也万万没有想到会导致这么大的问题。

如你所见，并不是所有问题都能由 工具 解决，但是工具能够帮助你更好地工作。我希望，通过此文能够激励你多多尝试这些工具。我非常乐意倾听你们处理类似问题的其它解决方案。

Vladimir 是一个后端开发工程师，目前就职于 adjust.com. @tvii on Twitter, @narqo on Github