中间件增强框架之-CaptureFramework框架
一、背景
应用服务监控是智能运维系统的重要组成部分。在UAV系统中，中间件增强框架（MOF）探针提供了应用画像及性能数据收集等功能，其中数据收集功能主要采集四类数据：实时数据、画像数据、调用链接数据生成以及线程数据分析数据。为实现实时数据采集，UAVStack设计了CaptureFramework框架，提供统一的数据抓取行为和生成抓取结果能力。
二、CaptureFramework运行原理
2.1 关键技术说明
- JavaAssist
- Monitor捕获体系
- precap/docap
2.2 架构说明
- 捕获点：支持Tomcat、MSCP、Springboot、Jetty埋点。
- UAVServer单例：作为统一的捕获入口点，提供了同步和异步方法。
- StandardMonitor：实现了Monitor接口，是实时数据抓取实现类，提供了doCapture方法，负责抓取行为和生成抓取结果。
- MonitorElemCapHandler：不同的抓取逻辑和抓取点的共同接口实现不同的埋点逻辑，提供了抓取行为的方法preCap与doCap以及生成抓取结果的方法preStore。
- StandardMonitorRepository：存储实时数据抓取数据结构。
- DataObserver：暴露了JMX/HTTP接口数据。
2.3 关键类说明
- Monitor实时监控主要是从DefaultMonitorSupporter类启动初始化StandardMonitor对象，通过CaptureFramework将monitor对象安装到DataStore对象中。
- DataObserver提供JMX/HTTP服务，供后续MA抓取使用，其中Http服务注册了三个handler，分别为HttpJEEJVMObserver、HttpJEEMonitorObserver、 HttpJEEProfileObserver。不同的handler暴露了不同的接口。
- MonitorHandler包下的Handler类具体处理Monitor的指标数据计算和统计。
2.4 捕获点剖析
CaptureFrameWork框架提供了统一的捕获入口点，在UAVServer中分别提供了同步方法与异步方法：
- 同步捕获入口点：runMonitorCaptureOnServerCapPoint
- 异步捕获入口点：runMonitorAsyncCaptureOnServerCapPoint
2.4.1 同步与异步调用的差异分析
异步比同步多增加了一个参数CaptureContextMapFromAnotherThread，该参数若不为空，则需要合并上下文的信息。一般情况下在使用异步方法埋点时，在方法执行前调用异步捕获方法传入的CaptureContextMapFromAnotherThread为空，并返回封装好的上下文信息，在方法执行结束后调用异步捕获方法传入上下文信息，并进行上下文信息合并，再进行具体的捕获操作，具体可参考以下代码片段：
- 方法执行前的异步调用
- 方法执行后的异步调用如下，其中ccMap为异步调用返回的封装好的上下文信息
2.5 抓取行为剖析
- Monitor接口：提供了多个接口，其中最主要的是doCapture与doPreStore方法，doCapture用来实现在特定的捕获点执行抓取数据行为，doPreStore方法用来实现在存储到数据结构之前的一些捕获动作，做一些特殊数据的处理。
- StandardMonitor类： Monitor接口的具体实现类。
- StandardMonitorRepository类：存储实时数据抓取数据结构。
- MonitorElementInstance接口：存储实时数据抓取数据结构的实例接口。
- StandardMonitorElementInstance类：MonitorElementInstance接口的具体实现类。
无论是同步捕获入口点还是异步捕获入口点都会执行doCapture方法，代码片段如下：
monitor.doCapture是调用了Monitor接口中的doCapture，其实现类是StandardMonitor。
StandardMonitor中的doCapture方法主要做了如下操作：
- 根据参数获取当前的MonitorElement数组，MonitorElement数组通过StandardMonitorRepository的getElementByCapId实现；
- 循环处理MonitorElement数组，获取捕捉数据实现类，根据实现类获取当前要执行的handler，最后根据当前获取的handler判断捕获阶段（precap/docap），然后进行相应的处理。不同的handler根据不同的特性处理生成MonitorElementInstance，最后将结果存储在StandardMonitorRepository数据结构中。
以ServerEndRespTimeCapHandler（服务端抓取行为）为例：
- preCap方法：只记录了服务的开始请求时间。
- doCap方法：根据不同的monitorElemId进行不同的逻辑处理，最后封装好MonitorElementInstance实例，然后再进行抓取行为结果的处理，其中包含最大值消峰、最大值、最小值、返回状态码、时间戳更新、计数等相应的数据处理。
三、实时数据采集
3.1 什么是实时数据
即运行时数据，指的是在程序运行时产生的信息，程序占用的CPU、堆内存、JVM信息以及提供服务访问与客户端调用的相关统计信息(平均响应时间、访问计数等)。
3.2 服务端数据采集
DefaultMonitorSupporter的实现
服务端数据采集以DefaultMonitorSupporter.start为入口点，构建monitor实例：
默认构建service类型的StandardMonitor实例，其中包含StandardMonitorRepository实例，StandardMonitorRepository实例注册monitor，一个该实例包含多个MonitorElement实例，并将所有的MonitorElement实例保存在elemsMap属性中。
elemsMap属性根据不同的采集对象保存不同的采集类handler：
- ServerEndRespTimeCapHandler：采集Server、APP、URL的响应时间和加载计数等.
- JVMStateCapHandler：采集jvm状态，包括Heap使用、GC计数、线程计数、CPU、class计数等。
代码片段如下：
3.3 客户端数据采集
DefaultClientMonitorSupporter的实现
客户端数据采集以DefaultClientMonitorSupporter.start为入口点，构建monitor实例：
默认构建client类型的StandardMonitor实例，其中包含StandardMonitorRepository实例，StandardMonitorRepository实例注册monitor，一个该实例包含多个MonitorElement实例，并将所有的MonitorElement实例保存在elemsMap属性中。
- elemsMap：属性只保存一个ClientRespTimeCapHandler采集类。
- ClientRespTimeCapHandler：采集客户端的响应时间和加载计数等。
无论是客户端的数据采集还是服务端的数据采集，都会将monitor安装到DataObserver中；并且最后都会将构建成功的monitor绑定至指定的捕获方法（即precap和docap）。
3.4 DataObServer的实现
DataObServer提供了两种模式来暴露接口数据，分别为JMX和HTTP：
- HTTP方式：由HttpDataObserverWorker.start作为入口点，分别注册了三个handler，分别为获取JVM数据、Monitor数据以及profile数据的handler。不同的handler暴露了不同的接口，最终都返回了JSON格式的数据。
- JMX方式：JMX代理通过getMBeanInfo方法获取暴露的接口，来获取数据。
DataObServer还提供了安装与卸载monitor、增加与移除listener以及获取profile和monitor的方法：
官方网站：https://uavorg.github.io/main/
开源地址：https://github.com/uavorg
作者：王林林
