为什么你的程序总是出现各种意想不到的 bug？ （二）

文章类型：行业资讯    发表2022-01-11   文章编辑：怒熊网络 · 一站式互联网+技术服务商!   阅读:302次

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防御性编程

“居安思危，对随时可能带来的严重后果，要做到谨慎。”
在软件开发中，虽然项目表面上能够正常运行，但风险无处不在，因此我们要学习防御性编程思想。把自己当成一个杠精，不要相信任何人，尽力去发现程序中的风险，积极防御。
下面给大家分享 16 个防御性编程的方法，学习之后，能够大大减少程序中的风险程序bug

1. 编程习惯

要减少程序中的风险，首先要养成良好的编程习惯。
首先，在写代码时，一定要保持良好的心态，不要仓促或者以完成任务的心态去写代码。如果仅仅是为了完成需求，那么很有可能不会注意到代码中的风险，甚至是发现了风险也懒得去修补，这样确实能够节约开发的时间，但是后面出现问题后，你还是要花费更多的时间去排查、沟通和修复 bug。拔苗助长，适得其反。
在写代码时，如果在一个地方多次使用相同且复杂的变量名或字符串，建议不要手动去敲，而是用大家最喜欢的 “复制粘贴”，防止因为手误而导致的 bug。
此外，我们在代码中应该加强对返回值的检查，并且选择安全的语法和数据结构，避免使用被废弃的语法。不同的编程语言也有不同的最佳编程习惯，比如在 Java 语言中，应该对所有可能为 NULL 的变量进行检查，防止 NPE（NULL Pointer Error 空指针异常），在开发多线程程序时，选用线程安全的 ConcurrentHashMap 而不是 HashMap 等等。还可以利用 Assert（断言）来保证程序运行中的变量值符合预期。
推荐使用一个自带检查功能的编辑器来书写代码，在我们编写代码时会自动检查出错误，还能给出好的编码风格的建议，能够大大减少开发时的风险。此外，在代码提交前，一定要多次检查代码，尤其是那些复制粘贴过来的文件，经常会出现遗漏的修改。提交代码后，也可以找有经验的同事帮忙阅读和检查下代码（代码审查），进一步保证没有语法和逻辑错误。

2. 异常处理

程序的运行风云变幻，同一段代码在不同情况下也可能会产生不同的结果，甚至是异常。因此很多主流的编程语言中都有异常处理机制，比如在 Java 中，先用 try 捕获异常、再用 catch 处理异常、最后用 finally 释放资源和善后。
在编程时，要合理利用异常处理机制，来防御代码中可能出现的种种问题。通常在异常处理中，我们会记录错误日志、执行错误上报和告警、重试等。
比如不信任数据库，那就在查询和操作数据时添加异常处理，一旦数据库抽风导致操作失败，就在日志中记录失败信息，并通过邮件、短信等告警方式通知到开发者，就能第一时间发现问题并排查。必要时还可以实现自动重试，省去一部分人工操作。

3. 请求校验

所有的请求都是不可信的，哪怕是在公司内网，也有可能因为一些失误，导致发出了错误的请求。
因此我们编写的每个接口，在实现具体的业务逻辑前，一定要先对请求参数加上校验，下面列举几种常见的校验方式：

  1. 参数类型校验：比如请求参数应该是 Integer 整型而不是 Long 长整数类型。

  2. 值合法性校验：比如整数的范围大于等于 0、字符串长度大于 5，或者满足某种特定格式，比如手机号、身份证等。

  3. 用户权限校验：很多接口需要登录用户或者管理员才能调用，因此必须通过请求参数（请求头）来判断当前用户的身份，被一个普通用户下载了 VIP 付费电影肯定是不合理的！

       4. 流量控制
上面提到，所有的请求都是不可信的，不仅仅是请求的值，还有请求的量和频率。对于所有接口，都要限制它的调用频率，防止接口被大量瞬时的请求刷爆。对于付费接口，还要防止用户对接口的请求数超过原购买数。
此外，还有一种容易被忽视的情况，假如你的接口 A 中又调用了其他人的接口 B，也许你的接口 A 自身的逻辑能够承受每秒 1000 个请求，但是你确定接口 B 可以承受么？
因此，需要进行流量控制，不仅仅是预防接口被刷爆，还可以保护内部的服务和调用。
什么，你说你的接口很牛逼，每秒能抗 100 万个请求，也没有调用其他的服务，那我就找 100 万 + 1 个人同时请求你的接口，看你怕不怕！
常用的流量控制按照不同的粒度可分为：

  1. 用户流控：限制每个用户在一定时间内对某个接口的调用数。

  2. 接口流控：限制一定时间内某个接口的总调用数。

  3. 单机流控：限制一定时间内单台服务器上的项目所有接口的总调用数。

  4. 分布式流控：限制一定时间内项目所有服务器的总请求数。

当然，除了上面提到的几种方式外，流控可以非常灵活，也有很多优秀的限流工具。比如 Java 语言 Guava 库的 RateLimiter 令牌桶单机限流、阿里的 Sentinel 分布式限流框架等。

5. 回滚

有时，我们对项目的操作可能是错误的，可能是人工操作，也可能是机器操作，从而导致了一些线上故障。这时，可以选择回滚。
回滚是指撤销某个操作，将项目还原到之前的状态，这里介绍几种常见的回滚操作。
数据回滚
有时，我们想要批量插入数据，但是数据插入到一半时，程序突然出现异常，这个时候我们就需要把之前插入成功的数据进行回滚，就好像什么都没发生过一样。否则可能存在数据不一致的风险。
最常见的方式就是使用事务来处理数据库的批量操作，当出现异常时，执行数据库客户端的回滚方法即可。
配置回滚
如果将项目的配置信息，比如数据库链接地址，写死到代码中，一旦配置错了或者地址发生变更，就要重新修改代码，非常麻烦。
比较好的方式是将配置发布到配置中心进行管理，让项目去动态读取配置中心的配置。如果不小心发布了错误的配置，可以直接在配置中心进行回滚，将配置还原。
发布回滚
没有人能保证自己的代码正确无误，很多时候，项目在测试环境验证时没有发现任何问题，但是一上线，就漏洞百出。这就说明我们最新发布的代码是存在问题的。
这时，最简单的做法就是进行版本回滚，将之前能够正常运行的代码重新打包发布。大公司一般都有自己的项目发布平台，能够使用界面一键回滚，自动发布以前版本的项目包。

6. 多级缓存

上面提到，缓存对项目是非常重要的，不仅是提升性能的利器，也是数据库的保护伞。
但如果缓存挂掉怎么办呢？
有两种方案，第一种是为缓存搭建集群，从而保证缓存的Redis 集群。
但是一切都不可信，集群也有可能挂掉！
那么可以用第二种方案，一级缓存挂掉，我们就再搞一个二级缓存顶上！
通常，在高并发项目中，我们会设计多级缓存，即分布式缓存 + 本地缓存。当请求需要获取数据时，先从分布式缓存（比如 Redis） 中查询，如果分布式缓存集体宕机，那就从本地缓存中获取数据。这样，即使缓存挂掉，也能够帮助系统支撑一段时间。
这里可能和一些多级缓存的设计不同，有时，我们会把本地缓存作为一级缓存，缓存一些热点数据，本地缓存找不到值时，才去访问分布式缓存。这种设计主要解决的问题是，减少对分布式缓存的请求量，并进一步提升性能，和上面的设计目的不同。

7. 服务熔断和降级

每年的双十一，我们会准时守着屏幕上的抢购页面，只为等待那一个 “请稍后再试！”
我们的项目其实远比想象的要脆弱，很多服务经常因为各种原因出现问题。比如搞活动时，大量用户同时访问会导致对项目服务的请求增多，如果项目顶不住压力，就会挂掉。
为了防止这种风险，我们可以采用服务降级策略，如果系统实在无法为所有用户提供服务，那就退而求其次，给用户直接返回一个 “友好的” 提示或界面，而不是强行让项目顶着压力过劳死。
配合服务熔断技术，可以根据系统的负载等指标来动态开启或关闭降级。比如机器的 CPU 被占用爆满时，就开启降级，直接返回错误；当机器 CPU 恢复正常时，再正常返回数据、执行操作。
Hystrix 就是比较有名的微服务熔断降级框架。

8. 主动检测

上面提到，即使是大公司的同步服务，也可能会出现同步不及时甚至是数据丢失的情况。因此，为了进一步保证同步成功、数据的准确，我们可以主动检测。
比如编写一个定时脚本或者任务，每隔一段时间去检查原地址和目标地址的数据是否一致，或者通过一些逻辑来检查数据是否正确。当然也可以在每次数据同步结束后都立即去检测，更加保险。

9. 数据补偿

当检测出数据不一致后，我们就要进行数据补偿，比如将没有同步的数据再次进行同步、将不一致的数据进行更新等。
除了用来解决主动检测出的数据不一致，数据补偿也被广泛用于业务设计和架构设计中。
比如调用某个接口查询数据失败后，停顿一段时间，然后自动重试，或者从其他地方获取数据。又如消息队列的生产者发送消息失败时，应该自动进行补发和记录，而不是直接把这条消息作废。
数据补偿的思想本质上是保证数据的最终一致性，数据出错不可怕，知错能改就是好孩子。这种思想也被广泛应用于分布式事务等场景中。

10. 数据备份

数据是企业的生命，因此我们必须尽可能地保证数据的安全和完整。
很多同学会把自己重要的文件存放在多个地方，比如自己的电脑、网盘上等等。同样，在软件开发中，我们也应该把重要的数据复制多份，作为副本存放在不同的地方。这样，即使一台服务器挂了，也可以从其他的服务器上获取到数据，减少了风险。

11. 心跳机制

接口可是个复杂多变的家伙，如果我们的项目依赖其他的接口来完成功能，那么最好保证该接口一直活着，否则可能会影响项目的运行。
举个例子，我们在使用银行卡支付时，肯定需要调用银行提供的接口来获取银行卡的余额信息，如果这个接口挂了，获取不到余额，用户也就无法支付，也就损失了一笔收入！
因此，我们需要时刻和重要的接口保持联系，防止他们不小心死了。可以采用心跳机制，定时调用该接口或者发送一个心跳包，来判断该接口是否仍然存活。一旦调用超时或者失败，可以立刻进行排查和处理，从而大大减少了事故的影响时长。

12. 冗余设计

在系统资源和容量评估时，我们要做一些冗余设计，比如数据库目前的总数据量有 1G，那么如果要将数据库的数据同步到其他存储（比如 Elasticsearch）时，至少要多预留一倍的存储空间，即 2G，来应对后面可能的数据增长。业务的发展潜力越大，冗余的倍数也可以越多，但也要注意不要过分冗余，毕竟资源也是很贵的啊！
其实，冗余设计是一种重要的设计思想。当我们设计业务或者系统架构时，不能只局限于当前的条件，而是要考虑到以后的发展，选择一种相对便于扩展的模式。否则之后项目越做越大，每一次对项目的改动都步履维艰。

13. 弹性扩缩容

梦想还是要有的，说不定突然，我们原先只有 100 人使用的小项目突然就火了，有几十万新用户要来使用。
但是，由于我们的项目只部署在一台服务器上，根本无法支撑那么多人，直接挂掉，导致这些用户非常扫兴，再也不想用我们的项目了。
这也是常见的风险，我们可以使用弹性扩缩容技术，系统会根据当前项目的使用和资源占用情况自动扩充或缩减资源。
比如当系统压力较大时，多分配几台机器（容器），当系统压力较小时，减少几台机器。这样不仅能够有效应对突发的流量增长，还能够在平时节约成本，并省去了人工分配调整机器的麻烦。

14. 异地多活

前面提到，服务器是不可信的，别说一个服务器挂掉，由于一些天灾人祸，整个机房都有可能集体挂掉！
和备份不同，异地多活是指在不同城市建立独立的数据中心，正常情况下，用户无论访问哪一个地点的业务系统，都能够得到正确的服务，即同时有多个 “活” 的服务。
而某个地方业务异常的时候，用户能够访问其他地方正常的业务系统，从而获得正确的服务。
如此一来，即使广州的机房垮了，咱还有上海的，上海的垮了，咱还有北京的。
同时活着的服务越多，系统就越可靠，但同时成本也越高、越复杂，因此几乎都是大公司才做异地多活。千万不要让正常情况下的投入大于故障发生的损失！

15. 监控告警

项目的运行不可能一直正常，但是我们不可能 24 小时盯着电脑屏幕来监视项目的运行情况吧？又不能完全不管项目，出了 bug 等着用户来投诉。
因此，最好的方式是给业务添加监控告警，当程序出现异常时，信息会上报到监控平台，并第一时间给开发者发送通知。还可以通过监控平台实时查看项目的运行情况，出了问题也能更快地定位。

16. 线上诊断和热修复

既然程序世界一切都不可信，危险无处不在，那么干脆就做最坏的打算，假设线上程序一定会出 bug。
既然防不胜防，那就严阵以待，在 bug 出现时用最快的速度修复它，来减少影响。
通常，我们要改 bug，也需要经历改动代码、提交代码、合并代码、打包构建、发布上线等一系列流程。等流程走完了，可能系统都透心凉了。
为提高效率，我们可以使用线上诊断和热修复技术。在出现 bug 时，先用线上诊断工具轻松获取项目的各运行状态和代码执行信息，提升排查效率。发现问题后，使用热修复技术直接修改运行时的代码，无需重新构建和重启项目！
在 Java 中，我们可以使用阿里开源的诊断工具 Arthas，同时支持线上热修复功能。也可以自己编写脚本来实现，但是相对复杂一些。
看到这里，肯定有同学会吐槽，怎么写个程序要考虑那么多和功能无关的问题。本来五分钟就能写完的代码，现在可能一个小时都写不完！
其实，并不是所有的项目都要做到绝对的安全（当然我们也做不到），而是我们应该时刻保持居安思危的思想，把防御性编程当做自己的习惯。
实际情况下，要根据项目的量级、受众、架构、紧急程度等因素来综合评估将项目做到何种程度的安全，而不是过度设计、杞人忧天。
让我们把时间慢下来，在开发前先冷静思考，预见并规避风险，不要让达摩克利斯之剑落下。
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