Day 21：你的系統能撐過巨人的進擊嗎？迎戰週年慶流量浪潮

2024 iThome 鐵人賽

DAY 21

Software Development

測試工程師的上線時間：從分析到實戰的刻意練習系列第 21 篇

16th鐵人賽

aspicregal0d

2024-10-05 11:29:03

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前言

最近雙 11 和百貨週年慶又快到了，光是想到那短時間內用戶如巨人般湧入網站，我才不會害怕！我害怕的是荷包變瘦！。但這時候，我們還是要考慮網站系統會瞬間承受巨大的流量衝擊，像是迎接一場巨大的戰鬥。今天，我們就來挑戰如何進行「尖峰期用戶行為模擬」的效能測試，讓你的系統在這樣的尖峰時段依然能夠穩定運行。

挑戰目標

在某些特定的時間點（如大型促銷活動或節假日），用戶行為會產生異常的峰值流量，例如短時間內大量商品加入購物車或支付請求同時發送。

挑戰設計下列測試場景：

場景 1：模擬用戶在尖峰時段同時進行購物車操作(如一次性加入數千商品)，測試系統在處理大量請求時是否會出現性能問題。
場景 2：測試用戶在高峰時同時提交訂單，系統是否能夠正確處理並保持一定的回應速度。
場景 3：測試在極端高峰（如秒殺活動）下，系統是否能夠平穩運行，並在流量回落後迅速恢復。

衝擊測試（Spike Testing）

衝擊測試是模擬系統突然受到高流量衝擊時的表現，目的是檢查系統是否能夠快速響應突發情況，並在流量回落後迅速恢復穩定。

系統架構

graph LR;
    A[Load Balancer] --> B[Web Servers]
    B --> C[Application Servers]
    C --> D[Database Cluster]

購物車的 Restful API

購物車（Shopping Cart）API 的回應時間會因系統的規模、架構、使用的技術堆疊等因素而有所不同，但通常來說，以下是一些合理的範圍：

理想狀況：API 回應時間應該保持在 100ms 至 500ms 之間，這能提供非常流暢的用戶體驗。
可接受的範圍：對於一般購物車操作，回應時間在 500ms 至 1秒 之內也是可以接受的，尤其是在伺服器處理或網路延遲 (Latency) 較大的情況下。
尖峰情況：在尖峰流量或大量併發的請求下，回應時間如果不超過 2秒，通常仍然能夠被視為合理。不過，回應時間超過 2秒就會開始影響用戶體驗，特別是當進行商品新增、更新數量或結帳等操作時，這些操作對即時性要求較高。

HTTP 方法	API 路徑	描述
GET	/cart	查看購物車內容
POST	/cart	新增商品到購物車
PUT	/cart/{productId}	更新購物車中指定商品的數量
DELETE	/cart/{productId}	移除購物車中的指定商品
DELETE	/cart	清空購物車
POST	/cart/checkout	對購物車進行結帳並創建訂單

測試場景 1：模擬用戶在尖峰時段同時進行購物車操作。

步驟：

模擬 5000 名同時使用者，在短時間內提交「加入購物車」請求，每個請求包含多達數千件商品。
測試請求是否能夠在 2 秒內完成。
驗證是否有失敗請求或錯誤回應，並檢查系統資源（如 CPU、記憶體）的消耗。

預期結果：

系統能在大量併發處理所有的「加入購物車」請求，無錯誤或超時。
資源消耗保持在合理範圍內，不會導致系統崩潰或明顯的性能下降。

在實踐效能測試的時候，必須要考慮實際業務的場景，以場景 1 為例，網站可能原本只有 100 多個使用者同時在線，而這些使用者並不全部都在購物車，有的可能是在瀏覽商品、有的可能在搜尋商品，也有可能不斷地更新、移除購物車的行為，像這些也是同時要考慮在內。

衝擊測試(Spike Testing)：主要模擬的是系統在短時間內突然遭遇非常高的流量衝擊。它關注的是系統能否在極短時間內應對流量急速增加的情況，並在流量回落後能否迅速恢復穩定。這種測試的重點在於模擬流量的急劇增減，特別是瞬間的負載高峰。

場景 2 和場景 3 的測試策略與場景 1 類似，以下將只針對場景 1 進行測試與分析。

K6 測試腳本

這個腳本簡單來說是用來模擬高併發的使用者行為，快速測試網站在負載高峰下的反應。它會在 2 分鐘內將虛擬使用者數量快速提升到 5000，然後在 1 分鐘內快速降回 0，模擬一個瞬間高流量的場景。

import http from 'k6/http';
import { sleep } from 'k6';

export const options = {
    stages: [
        { duration: '2m', target: 5000 }, // fast ramp-up to a high point
        { duration: '1m', target: 0 }, // quick ramp-down to 0 users
    ],
};

export default () => {
    const urlRes = http.post('http://localhost:3333/api/cart');
    
    const resultCheck = check(res, {
        'response time < 2s': (r) => r && r.timings && r.timings.duration < 2000,
        'status is 200': (r) => r && r.status === 200, // 檢查回應狀態
        'no failed requests': (r) => r && r.status !== 0, // 檢查是否有失敗請求
    });

    if (!resultCheck) {
        console.error('Some checks failed');
    }

    sleep(1);
};

每個虛擬使用者 (UV) 會向購物車 URL (/api/cart) 發送 POST 請求，並進行以下檢查：

請求是否在 2 秒內完成（檢查 response time）
回應狀態碼是否為 200（表示請求成功）
是否有失敗的請求。

如果有任何檢查失敗，會顯示錯誤訊息。最後，每次請求之間會有 1 秒的延遲 (sleep(1)) 來模擬真實的使用者行為。

使用 K6 執行這個測試腳本

K6_WEB_DASHBOARD=true k6 run stress.js

VUs：Virtual Users，模擬同時使用者的數量。
http_reqs：HTTP 請求的數量，模擬大量請求的發送。

通常 HTTP Request Failed 會是 0/s，但如果開始出現錯誤的情況就會使用 The USE Method 和 The TSA Method去查看資源問題。

辨識效能瓶頸與優化

辨識效能瓶頸的目的是找出系統中導致性能問題的關鍵資源或過程，例如 CPU 過載、記憶體不足、網路延遲等。一旦找到瓶頸，下一步就是進行優化，調整相關配置或代碼來提升系統效能。這是一個持續的過程，通常需要多次測試和調整來確保系統達到最佳狀態。

以這個測試場景為例，我通常會有下列幾種方法去分析是否有效能上的瓶頸：

相關性分析：例如當 CPU 負載過高時，可能會導致 API 的回應速度增加，透過這類型的分析我們可以找出系統裡面的某個問題或是特定資源。例如：在最新版的作業系統中發現原本會使用 GPU 進行計算，因為 kernal 的某個 bug/設定，導致只能使用 CPU 計算，進而讓 CPU 負載過高，API 回應的時間也變長。
證據查找：如果發現 API 因為衝擊測試（Spike Testing）的關係導致某些時間 API 回應非 200 的狀態碼 (status code)，我們就要透過日誌 (Log) 或是監控的資料、錯誤訊息去找尋 API 失敗的原因，有可能是連線問題、或是處理的訊息佇列容量（Message Queue)已經滿了，等等原因。

接著我們可以透過分析業務流程的處理時間，找到花費最久的地方，甚至有些監控資料能夠列出某段時間處理最久的資料庫查找 (SQL)、或是透過查看程式碼或檢查每個關鍵函式處理的時間，進而透過程式碼分析，找到可能的效能瓶頸。

練習

試著完成場景 2、場景 3 的效能測試，是否需要採取和場景 1 的測試情境呢？

結論

面對流量如巨人般的湧入，我們的系統需要經得住這場「巨人進擊」。設計多種測試場景，像是尖峰負載模擬，能讓我們在流量高峰時提前發現潛在的效能瓶頸。透過衝擊測試、效能分析以及優化策略，我們可以讓系統在壓力之下依然表現得遊刃有餘。這不僅僅是一個技術挑戰，更像是一場對抗巨人的戰鬥，確保你的系統能在巨人的進擊中站穩腳跟。不過，即使我們能找到並解決系統上效能瓶頸，恐怕也無法突破我荷包上的天花板瓶頸啊！