Python 探針的實(shí)現(xiàn)原理

更新時(shí)間：2016年04月23日 16:19:17 作者：mozillazg

本文將簡(jiǎn)單講述一下 Python 探針的實(shí)現(xiàn)原理。同時(shí)為了驗(yàn)證這個(gè)原理，我們也會(huì)一起來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)指定函數(shù)執(zhí)行時(shí)間的探針程序。

探針的實(shí)現(xiàn)主要涉及以下幾個(gè)知識(shí)點(diǎn):

sys.meta_path
sitecustomize.py
sys.meta_path

sys.meta_path 這個(gè)簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是可以實(shí)現(xiàn) import hook 的功能，
當(dāng)執(zhí)行 import 相關(guān)的操作時(shí)，會(huì)觸發(fā) sys.meta_path 列表中定義的對(duì)象。
關(guān)于 sys.meta_path 更詳細(xì)的資料請(qǐng)查閱 python 文檔中 sys.meta_path 相關(guān)內(nèi)容以及
PEP 0302 。

sys.meta_path 中的對(duì)象需要實(shí)現(xiàn)一個(gè) find_module 方法，
這個(gè) find_module 方法返回 None 或一個(gè)實(shí)現(xiàn)了 load_module 方法的對(duì)象
(代碼可以從 github 上下載 part1) :

import sys
 
class MetaPathFinder:
 
  def find_module(self, fullname, path=None):
    print('find_module {}'.format(fullname))
    return MetaPathLoader()
 
class MetaPathLoader:
 
  def load_module(self, fullname):
    print('load_module {}'.format(fullname))
    sys.modules[fullname] = sys
    return sys
 
sys.meta_path.insert(0, MetaPathFinder())
 
if __name__ == '__main__':
  import http
  print(http)
  print(http.version_info)

load_module 方法返回一個(gè) module 對(duì)象，這個(gè)對(duì)象就是 import 的 module 對(duì)象了。
比如我上面那樣就把 http 替換為 sys 這個(gè) module 了。

$ python meta_path1.py
find_module http
load_module http

sys.version_info(major=3, minor=5, micro=1, releaselevel='final', serial=0)
通過(guò) sys.meta_path 我們就可以實(shí)現(xiàn) import hook 的功能：
當(dāng) import 預(yù)定的 module 時(shí)，對(duì)這個(gè) module 里的對(duì)象來(lái)個(gè)貍貓換太子，
從而實(shí)現(xiàn)獲取函數(shù)或方法的執(zhí)行時(shí)間等探測(cè)信息。

上面說(shuō)到了貍貓換太子，那么怎么對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行貍貓換太子的操作呢？
對(duì)于函數(shù)對(duì)象，我們可以使用裝飾器的方式來(lái)替換函數(shù)對(duì)象(代碼可以從 github 上下載 part2) :

import functools
import time
 
def func_wrapper(func):
  @functools.wraps(func)
  def wrapper(*args, **kwargs):
    print('start func')
    start = time.time()
    result = func(*args, **kwargs)
    end = time.time()
    print('spent {}s'.format(end - start))
    return result
  return wrapper
 
def sleep(n):
  time.sleep(n)
  return n
 
if __name__ == '__main__':
  func = func_wrapper(sleep)
  print(func(3))

執(zhí)行結(jié)果:

$ python func_wrapper.py
start func
spent 3.004966974258423s
3

下面我們來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算指定模塊的指定函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間的功能(代碼可以從 github 上下載 part3) 。

假設(shè)我們的模塊文件是 hello.py:

import time
 
def sleep(n):
  time.sleep(n)
  return n

我們的 import hook 是 hook.py:

import functools
import importlib
import sys
import time
 
_hook_modules = {'hello'}
 
class MetaPathFinder:
 
  def find_module(self, fullname, path=None):
    print('find_module {}'.format(fullname))
    if fullname in _hook_modules:
      return MetaPathLoader()
 
class MetaPathLoader:
 
  def load_module(self, fullname):
    print('load_module {}'.format(fullname))
    # ``sys.modules`` 中保存的是已經(jīng)導(dǎo)入過(guò)的 module
    if fullname in sys.modules:
      return sys.modules[fullname]
 
    # 先從 sys.meta_path 中刪除自定義的 finder
    # 防止下面執(zhí)行 import_module 的時(shí)候再次觸發(fā)此 finder
    # 從而出現(xiàn)遞歸調(diào)用的問(wèn)題
    finder = sys.meta_path.pop(0)
    # 導(dǎo)入 module
    module = importlib.import_module(fullname)
 
    module_hook(fullname, module)
 
    sys.meta_path.insert(0, finder)
    return module
 
sys.meta_path.insert(0, MetaPathFinder())
 
def module_hook(fullname, module):
  if fullname == 'hello':
    module.sleep = func_wrapper(module.sleep)
 
def func_wrapper(func):
  @functools.wraps(func)
  def wrapper(*args, **kwargs):
    print('start func')
    start = time.time()
    result = func(*args, **kwargs)
    end = time.time()
    print('spent {}s'.format(end - start))
    return result
  return wrapper

測(cè)試代碼:

>>> import hook
>>> import hello
find_module hello
load_module hello
>>>
>>> hello.sleep(3)
start func
spent 3.0029919147491455s
3
>>>

其實(shí)上面的代碼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了探針的基本功能。不過(guò)有一個(gè)問(wèn)題就是上面的代碼需要顯示的
執(zhí)行 import hook 操作才會(huì)注冊(cè)上我們定義的 hook。

那么有沒(méi)有辦法在啟動(dòng) python 解釋器的時(shí)候自動(dòng)執(zhí)行 import hook 的操作呢？
答案就是可以通過(guò)定義 sitecustomize.py 的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

sitecustomize.py
簡(jiǎn)單的說(shuō)就是，python 解釋器初始化的時(shí)候會(huì)自動(dòng) import PYTHONPATH 下存在的 sitecustomize 和 usercustomize 模塊:

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目錄結(jié)構(gòu)如下(代碼可以從 github 上下載 part4)

$ tree
.
├── sitecustomize.py
└── usercustomize.py
sitecustomize.py:

$ cat sitecustomize.py
print('this is sitecustomize')
usercustomize.py:

$ cat usercustomize.py
print('this is usercustomize')
把當(dāng)前目錄加到 PYTHONPATH 中，然后看看效果:

$ export PYTHONPATH=.
$ python
this is sitecustomize    &lt;----
this is usercustomize    &lt;----
Python 3.5.1 (default, Dec 24 2015, 17:20:27)
[GCC 4.2.1 Compatible Apple LLVM 7.0.2 (clang-700.1.81)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
&gt;&gt;&gt;

可以看到確實(shí)自動(dòng)導(dǎo)入了。所以我們可以把之前的探測(cè)程序改為支持自動(dòng)執(zhí)行 import hook (代碼可以從 github 上下載part5) 。

目錄結(jié)構(gòu):

$ tree
.
├── hello.py
├── hook.py
├── sitecustomize.py
sitecustomize.py:

$ cat sitecustomize.py
import hook

結(jié)果:

$ export PYTHONPATH=.
$ python
find_module usercustomize
Python 3.5.1 (default, Dec 24 2015, 17:20:27)
[GCC 4.2.1 Compatible Apple LLVM 7.0.2 (clang-700.1.81)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
find_module readline
find_module atexit
find_module rlcompleter
&gt;&gt;&gt;
&gt;&gt;&gt; import hello
find_module hello
load_module hello
&gt;&gt;&gt;
&gt;&gt;&gt; hello.sleep(3)
start func
spent 3.005002021789551s
3

不過(guò)上面的探測(cè)程序其實(shí)還有一個(gè)問(wèn)題，那就是需要手動(dòng)修改 PYTHONPATH 。用過(guò)探針程序的朋友應(yīng)該會(huì)記得，使用 newrelic 之類的探針只需要執(zhí)行一條命令就可以了： newrelic-admin run-program python hello.py 實(shí)際上修改PYTHONPATH 的操作是在 newrelic-admin 這個(gè)程序里完成的。

下面我們也要來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似的命令行程序，就叫 agent.py 吧。

agent
還是在上一個(gè)程序的基礎(chǔ)上修改。先調(diào)整一個(gè)目錄結(jié)構(gòu)，把 hook 操作放到一個(gè)單獨(dú)的目錄下，方便設(shè)置 PYTHONPATH后不會(huì)有其他的干擾（代碼可以從 github 上下載 part6 ）。

$ mkdir bootstrap
$ mv hook.py bootstrap/_hook.py
$ touch bootstrap/__init__.py
$ touch agent.py
$ tree
.
├── bootstrap
│  ├── __init__.py
│  ├── _hook.py
│  └── sitecustomize.py
├── hello.py
├── test.py
├── agent.py

bootstrap/sitecustomize.py 的內(nèi)容修改為:

$ cat bootstrap/sitecustomize.py
import _hook
agent.py 的內(nèi)容如下:

<span class="kn">import</span> <span class="nn">os</span>
<span class="kn">import</span> <span class="nn">sys</span>
 
<span class="n">current_dir</span> <span class="o">=</span> <span class="n">os</span><span class="o">.</span><span class="n">path</span><span class="o">.</span><span class="n">dirname</span><span class="p">(</span><span class="n">os</span><span class="o">.</span><span class="n">path</span><span class="o">.</span><span class="n">realpath</span><span class="p">(</span><span class="n">__file__</span><span class="p">))</span>
<span class="n">boot_dir</span> <span class="o">=</span> <span class="n">os</span><span class="o">.</span><span class="n">path</span><span class="o">.</span><span class="n">join</span><span class="p">(</span><span class="n">current_dir</span><span class="p">,</span> <span class="s">'bootstrap'</span><span class="p">)</span>
 
<span class="k">def</span> <span class="nf">main</span><span class="p">():</span>
  <span class="n">args</span> <span class="o">=</span> <span class="n">sys</span><span class="o">.</span><span class="n">argv</span><span class="p">[</span><span class="mi">1</span><span class="p">:]</span>
  <span class="n">os</span><span class="o">.</span><span class="n">environ</span><span class="p">[</span><span class="s">'PYTHONPATH'</span><span class="p">]</span> <span class="o">=</span> <span class="n">boot_dir</span>
  <span class="c"># 執(zhí)行后面的 python 程序命令</span>
  <span class="c"># sys.executable 是 python 解釋器程序的絕對(duì)路徑 ``which python``</span>
  <span class="c"># &gt;&gt;&gt; sys.executable</span>
  <span class="c"># '/usr/local/var/pyenv/versions/3.5.1/bin/python3.5'</span>
  <span class="n">os</span><span class="o">.</span><span class="n">execl</span><span class="p">(</span><span class="n">sys</span><span class="o">.</span><span class="n">executable</span><span class="p">,</span> <span class="n">sys</span><span class="o">.</span><span class="n">executable</span><span class="p">,</span> <span class="o">*</span><span class="n">args</span><span class="p">)</span>
 
<span class="k">if</span> <span class="n">__name__</span> <span class="o">==</span> <span class="s">'__main__'</span><span class="p">:</span>
  <span class="n">main</span><span class="p">()</span>

test.py 的內(nèi)容為:

$ cat test.py
import sys
import hello
 
print(sys.argv)
print(hello.sleep(3))

使用方法:

$ python agent.py test.py arg1 arg2
find_module usercustomize
find_module hello
load_module hello
['test.py', 'arg1', 'arg2']
start func
spent 3.005035161972046s
3

至此，我們就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的 python 探針程序。當(dāng)然，跟實(shí)際使用的探針程序相比肯定是有很大的差距的，這篇文章主要是講解一下探針背后的實(shí)現(xiàn)原理。

如果大家對(duì)商用探針程序的具體實(shí)現(xiàn)感興趣的話，可以看一下國(guó)外的 New Relic 或國(guó)內(nèi)的 OneAPM, TingYun 等這些 APM 廠商的商用 python 探針的源代碼，相信你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些很有趣的事情。

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