面向中間件平臺的性能建模方法

【 摘 要 】 當(dāng)前，中間件平臺性能自優(yōu)化的需求越來越突出。性能模型是自優(yōu)化控制的核心，是分析系統(tǒng)性能問題和規(guī)劃資源調(diào)度策略的基礎(chǔ)。雖然已有不少針對中間件平臺的性能建模的方法，但是尚沒有方法系統(tǒng)闡述如何應(yīng)對開放、動態(tài)情況下的性能建模問題。論文分析了當(dāng)前主流的性能建模方法的可取之處以及存在的不足。

【 關(guān)鍵詞 】 中間件；性能建模

【 Abstract 】 The demand of the middleware platform performance self-optimization is becoming more and more prominent. Performance model is the core of self-optimizing control， the basis of analysis of system performance problems and planning resource scheduling strategy. Although several performance modeling methods for the middleware platformhad been put forward， there isnt a method which expounds systematically how to deal with the problem of performance modelingunder the openand dynamiccircumstance. The merits and the deficiencies of current performance modeling methodsare analyzed in this paper.

【 Keywords 】 middleware；performance modeling

1 引言

Web系統(tǒng)的性能作為衡量用戶滿意度的重要屬性，受到了越來越多的關(guān)注，隨著發(fā)布與管理模式的轉(zhuǎn)變，性能保障不再是單純的以滿足服務(wù)質(zhì)量約束為目標(biāo)，而更需要兼顧資源利用率的提高。與此同時(shí)，Web系統(tǒng)面臨的環(huán)境變得日益開放、動態(tài)和難控，導(dǎo)致系統(tǒng)管理和控制難度大大增加。

因此，加強(qiáng)Web應(yīng)用宿主平臺（即中間件平臺）感知自身和外界的變化，按需調(diào)度底層計(jì)算資源的需求也變得越來越強(qiáng)烈。性能自優(yōu)化成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。自優(yōu)化的目標(biāo)是通過管理計(jì)算資源的分配方式，使軟件能滿足不同用戶的性能需求。性能模型是自優(yōu)化控制的核心，是分析系統(tǒng)性能問題和規(guī)劃資源調(diào)度策略的基礎(chǔ)。

本文將分類討論現(xiàn)有建模方法的優(yōu)點(diǎn)以及存在的不足。

2 基于經(jīng)驗(yàn)的建模方法

為了分析和理解軟件系統(tǒng)的性能，不少研究集中于性能（元）模型的設(shè)計(jì)，比如排隊(duì)論模型。但是由于元模型自身的復(fù)雜性，這類模型難以被軟件開發(fā)人員直接采用。不少學(xué)者研究如何降低性能建模的難度，使性能建模過程可以整合進(jìn)軟件開發(fā)流程。一類常用的方法是基于設(shè)計(jì)人員熟悉的體系結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行性能建模，比如利用UML模型和用例模型等等。

Petriu等提出一個從軟件生命周期的需求階段到體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行性能分析的方法。該方法從基于UCM（Use Case Maps）規(guī)約描述的系統(tǒng)場景中導(dǎo)出分層排隊(duì)網(wǎng)模型。該方法在UCM規(guī)約中增加了性能標(biāo)注，定義了在圖的何處進(jìn)行標(biāo)注以及如何進(jìn)行標(biāo)注。當(dāng)性能信息缺乏時(shí)，該方法還提供了可用的缺省值。由于UCM和分層排隊(duì)網(wǎng)基本元素之間具有密切的對應(yīng)性，從標(biāo)記了性能信息的UCM中導(dǎo)出分層排隊(duì)網(wǎng)是非常直接的。但由于UCM標(biāo)記不能描述同步、異步以及請求轉(zhuǎn)發(fā)這些通信機(jī)制，因此在該方法中，識別組件交互類型時(shí)的方法非常復(fù)雜。

Wu等人首先提出了一種基于組件的性能建模方法，旨在將性能建模與基于組件模型的開發(fā)方法統(tǒng)一。作者假設(shè)組件庫在某個領(lǐng)域內(nèi)是已經(jīng)存在的，與這些組件匹配的性能子模型也是存在的，而且足夠的靈活，可以應(yīng)對組件面臨的復(fù)雜環(huán)境。作者定義了組件的性能子模塊的接口以及參數(shù)化規(guī)則。組合時(shí)，通過參數(shù)實(shí)現(xiàn)性能子模塊的個性化設(shè)置，然后通過接口進(jìn)行組合。

Verdickt提出了一種為基于UML模型的性能模型自動引入中間件性能影響因素的方法。該方法的輸入包括：UML模型的活動圖、協(xié)作圖和部署圖，用以刻畫應(yīng)用層的性能模型以及中間件描述文件。轉(zhuǎn)換過程中該方法需要使用一個中間件模型庫，這個庫中保存了預(yù)先建模的各種中間件的性能子模型。轉(zhuǎn)換過程中，該方法會首先根據(jù)中間件描述文件從中間件模型庫中查找中間件性能子模型，然后在應(yīng)用層模型中制定的位置將中間件性能子模型插入。

這類方法的優(yōu)勢是大大降低了性能建模的難度，使性能建模過程可以和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程相整合，在設(shè)計(jì)軟件體系結(jié)構(gòu)的同時(shí)可獲知軟件的性能，以便在軟件設(shè)計(jì)早期，預(yù)先了解當(dāng)前設(shè)計(jì)下的性能，然后做出適應(yīng)性的調(diào)整，降低軟件后期修改與調(diào)優(yōu)的代價(jià)。

但這類方法過于依賴設(shè)計(jì)人員對軟件系統(tǒng)的了解和開發(fā)類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，容易出錯。因而，這類方法僅適用于軟件開發(fā)早期進(jìn)行粗略估計(jì)，而不適用于運(yùn)行時(shí)分析和規(guī)劃系統(tǒng)的資源分配。特別是對于開放和動態(tài)的運(yùn)行環(huán)境，應(yīng)用設(shè)計(jì)人員很難了解平臺的環(huán)境信息，也就無法準(zhǔn)確的給出軟件系統(tǒng)的性能模型。

3 基于測試的建模方法

基于測試的方法依賴于軟件實(shí)際運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行建模，使性能模型可以更準(zhǔn)確的反映軟件的性能特征。這類方法假設(shè)軟件已經(jīng)或者部分開發(fā)完成，可以部署在運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行測試。測試用例或測試環(huán)境由這些方法提供，這些方法通過監(jiān)測與分析測試用例下的應(yīng)用行為和資源消耗情況最終構(gòu)造出的性能模型。

Hrischuk 等人提出了一種基于軌跡的性能模型構(gòu)造方法。該方法基于AngioTrace進(jìn)行軌跡分析，分為三個步驟：首先利用測試環(huán)境記錄下軟件的AngioTrace；然后分析這些軌跡，將其轉(zhuǎn)化為分層排隊(duì)網(wǎng)的子模型，排隊(duì)網(wǎng)子模型中包括軌跡中的各個任務(wù)，以及任務(wù)之間的交互模型；最后，通過組合這些性能子模型構(gòu)成一個完整的性能模型。此外還需加入模型所需的配置信息。

Jordan等人利用本地代碼調(diào)用獲取應(yīng)用的CPU資源狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)JVM內(nèi)的多應(yīng)用隔離。該方法本質(zhì)上是一種基于采樣的度量方法，其精確度依賴于采樣時(shí)間戳的精密度。由于事務(wù)型應(yīng)用每次請求處理所使用的CPU時(shí)間極短，因此對方法使用的時(shí)間戳精密度要求很高。

Woodside等人提出了一種計(jì)算軟件組件資源函數(shù)的方法。資源函數(shù)描述了組件的資源需求與輸入的參數(shù)以及執(zhí)行環(huán)境之間的關(guān)系。該方法為度量單個組件的資源函數(shù)提供測試套件，并在其基礎(chǔ)上提出了一種統(tǒng)計(jì)分析資源函數(shù)的方法。但是該方法并不保證組件需要的其它服務(wù)都已經(jīng)存在，而是假設(shè)這些服務(wù)在測試過程中就已經(jīng)存在。當(dāng)組件部署到目標(biāo)平臺前，首先在該平臺上運(yùn)行基準(zhǔn)測試，然后通過基準(zhǔn)測試收集的數(shù)據(jù)推算該組件在目標(biāo)平臺上的資源函數(shù)。

基于測試的方法降低了對設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的依賴程度，通過提供各種測試工具和響應(yīng)的建模方法，性能建模過程只需要設(shè)計(jì)人員給出測試計(jì)劃即可自動的生產(chǎn)性能模型。但是，這類方法仍存在以下不足：模型構(gòu)造依賴于測試人員的測試計(jì)劃，如果在測試計(jì)劃中枚舉組件可能面對的使用情況，整個測試過程就會面臨組合爆炸的問題，否則測試環(huán)境又很難與實(shí)際使用環(huán)境的相匹配。其次，性能受硬件平臺的影響非常明顯，雖然基準(zhǔn)測試可以在一定程度上緩解差測試環(huán)境與實(shí)際環(huán)境的差異性，但是仍然無法如何解決代碼中可能存在的本地代碼調(diào)用這類問題，使得基準(zhǔn)測試的適用范圍受到限制。

4 動態(tài)建模方法

這一節(jié)討論利用系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)構(gòu)造性能模型的方法。由于系統(tǒng)運(yùn)行之后系統(tǒng)內(nèi)部信息就變成了一個黑盒，獲取性能數(shù)據(jù)就會相對困難。

Urgaonkar等人給出了提出了一種針對多層架構(gòu)Internet服務(wù)構(gòu)造性能模型的方法。該方法以分層架構(gòu)的Internet軟件為研究對象，作者將服務(wù)器節(jié)點(diǎn)視為一個排隊(duì)論模型中的隊(duì)列，即將服務(wù)器節(jié)點(diǎn)視為一個組件。該方法通過監(jiān)測不同層次上服務(wù)器的訪問頻率，然后通過服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間的先序關(guān)系，計(jì)算出上一層服務(wù)器訪問下一層服務(wù)器的頻率。而對于資源消耗，由于該方法只分析服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的性能，因而可以很容易的通過監(jiān)測的方法，知道單個服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的資源消耗。此外，作者還考慮了基于會話的負(fù)載。但是由于并沒有考慮應(yīng)用組件，因而負(fù)載也僅考慮了思考時(shí)間和會話的長度，并沒有考慮會話中對不同應(yīng)用組件的請求。

在運(yùn)行時(shí)動態(tài)獲取應(yīng)用的主要性能特征并對其進(jìn)行量化構(gòu)造成性能模型可以很好的避免對經(jīng)驗(yàn)和測試用例的依賴，使性能模型能更好的體現(xiàn)應(yīng)用真實(shí)的狀態(tài)，提高性能模型分析的準(zhǔn)確性。但是，由于運(yùn)行時(shí)難以獲得構(gòu)造組件與性能相關(guān)的所有參數(shù)，現(xiàn)有方法或者是同軟件系統(tǒng)進(jìn)行較高程度的抽象，忽略掉與軟件組件相關(guān)的性能特征，或者基于某些假設(shè)，認(rèn)為模型的主體已經(jīng)存在，而只需要更新其中的一些參數(shù)，并沒有系統(tǒng)的提出一種基于組件的面向運(yùn)行環(huán)境的建模方法。

5 結(jié)束語

性能模型是一種通過數(shù)學(xué)手段將軟件運(yùn)行與時(shí)間相關(guān)的要素進(jìn)行量化，然后計(jì)算出系統(tǒng)在某些參數(shù)修改或者優(yōu)化后的性能表現(xiàn)。基于組件的性能建模可以很好的用于分析軟件系統(tǒng)中存在的性能問題，評估各種調(diào)度策略的優(yōu)化可能帶來的改進(jìn)，以及預(yù)測系統(tǒng)最大的處理能力。

針對Web應(yīng)用日益開放、動態(tài)和難控的特點(diǎn)，建模方法應(yīng)在動態(tài)建模方法方面進(jìn)一步研究，探索如何獲取應(yīng)用自身的特點(diǎn)以及運(yùn)行軟硬件環(huán)境的特征。動態(tài)建模方法可以借鑒基于經(jīng)驗(yàn)和基于測試的建模方法的優(yōu)點(diǎn)。比如，首先可以基于軌跡跟蹤的方法，在運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)軟件層的邏輯結(jié)構(gòu)，然后再結(jié)合應(yīng)用和平臺分離的思想，將運(yùn)行時(shí)軟件應(yīng)用和平臺各自的特征結(jié)合起來，構(gòu)成完整的性能模型，最后改進(jìn)現(xiàn)有的服務(wù)時(shí)間估算方法，使服務(wù)時(shí)間更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

徐琳（1985-），女，漢族，安徽天長人，畢業(yè)于中國科學(xué)院軟件研究所，碩士，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局，審查員，具有多年專利審查經(jīng)驗(yàn)，負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)安全、模式識別等領(lǐng)域的專利審查。