在一个应用程序或库的开发过程中，除了其本身的逻辑以外，开发人员还需要做很多额外的工作，以保证编写的代码可以正确的运行，或者在出错时可以快速定位到错误的位置以及原因，这就需要引入一些额外的工具，trace 就是其中特别好用的一种，下文我将会简单介绍 trace，并以 Rust 为例，演示 trace 在 Rust 中的使用方法。

可观测性

Logs、Metrics 和 Traces 并称为可观测性三大支柱，通过分析它们输出的数据，开发人员能够更好的观测到系统的运行状况，更快的定位问题，从而提高系统的可靠性。

日志(Logs)

日志作为最常用的可观测性数据源之一，相信多数开发者都比较熟悉。其本质上就是一种带有时间戳的离散事件记录，通常用于记录系统的运行状态，日志的使用十分简单，只需要在代码中需要报告信息的点添加一行代码，就可以将这些信息输出到控制台或文件中，但是日志也有很大的缺点，它的输出是离散的，这意味着在记录的时候，无法将日志信息相互关联，也无法知道日志信息的上下文，尤其是在多线程的环境下，最终输出的信息比较混乱，不便于检索和分析。

指标(Metrics)

指标是一种定量衡量，例如平均值、比率和百分比等。其值始终为数字而非文本，可以通过数学方法统计和分析，其主要用于描述系统运行状态的数据，比如 CPU 的使用率、内存的使用率、磁盘的使用率等，这些数据可以用来监控系统的运行状态，也可以用来预警。

追踪(Traces)

追踪是一种用于记录系统中一次请求的完整生命周期的数据，它可以记录下一个请求从开始到结束的所有信息，包括请求的发起者、接收者、请求的路径、请求的状态、请求的耗时、请求的错误信息等，这些信息可以用来分析系统的性能瓶颈，也可以用来分析系统的错误。追踪本质上也是一种日志，他与日志的数据结构十分相似，但是它能够提供比日志更丰富的信息。特别是在分布式系统中，追踪能够跨越多个服务，汇总出一次请求的完整信息，让开发人员能够更方便的找到系统中的问题。

Rust 中的 Trace

Rust 社区中比较有名的 trace 实现有三个：

• tracing 由 tokio 团队维护，目前使用最广泛，生态也比较完善
• rustracing 使用人数相对较少
• minitrace tikv 团队打造，性能最好

接下来就以 tracing 为例，介绍一下trace 的核心概念以及使用方法：

Span

Span 可以说是 trace 中最关键的概念之一，它表示的是一个过程，也就是一段时间内发生的所有事件的集合，其数据结构中包含着 Span 的开始时间和结束时间，在分析数据是可以借助工具直观的看到某次请求或操作的耗时情况。在同一个 trace 流程中的所有 Span 都共享这相同的 Trace Id ，每个 Span 也有着自己的 Span Id，并且 Span 还支持嵌套，嵌套的 Span 中也会保存着相应的父子关系，最终可以靠这些信息，将请求的完整生命周期串联起来，并且不会与相同时间段内的其他请求产生干扰。

use tracing::{span, Level};

fn main() {
    let span = span!(Level::INFO, "span");
    let _enter = span.enter();
    // enter 后进入该 span 的上下文
    // 可以记录信息到 span 中
} // 离开作用域后，_enter 被 drop，对应的 span 在此结束

以上代码是创建并使用一个 Span 最简单的方式，除此以外还有几种不同的方式

#[instrument] // tracing 会为当前函数自动创建 span ，该 span 名与函数相同，并且整个函数都在该 span 的上下文内
fn do_something() {
    // some event
    let span = span!(Level::INFO, "external function");
    span.in_scope(|| some_external_function()); //对于无法添加 #[instrument] 的外部函数，也可以使用 in_scope 方法让其在 span 的上下文中执行
}

#[instrument] // 此方法同样对异步函数适用
async fn do_something_async() {
    let future = async {
        // some async code
    };
    let span = span!(Level::INFO, "future");
    future.instrument(span).await; // 也可以在 future .await 之前将 span 附加给 future
}

// async 代码中要避免以下情况
async fn some_async_code() {
    let span = span!(Level::INFO, "span");
    let _enter = span.enter();
    // 此处进入 span 的上下文，直到 _enter 被 drop 后才会结束
    async_fn().await; // .await 时，task 可能会让出当前线程的执行权，而此时 _enter 还没有 drop，因此可能会错误的记录到其他 task 的 enent.
}

Event

Event 与日志类似，表示的是某一个时间点发生的事件，但与日志不同的是，Event 可以将信息记录到 Span 的上下文中，这样在分析数据时，可以直接查看 Span 中发生的所有事件。

use tracing::{event, info, span, Level};

fn main() {
    event!(Level::INFO, "event"); // 在 span 的上下文之外记录一个 Leval 为 INFO 的 event

    let span = span!(Level::INFO, "span");
    let _enter = span.enter();

    event!(Level::INFO, "event"); // 在 span 的上下文内记录 event

    info!("something with info level"); // 也可以使用和 log 相同的形式记录 event
}

Collector

以上的示例不会有任何可见的输出，因为我们还没有配置 Collector，tracing 中所有的 Span 和 Event 都是通过 Collector 来收集的，Collector 会将 Span 和 Event 以一定的格式输出到指定的地方，比如 stdout、stderr、文件、网络等。tracing-subscriber 的 fmt 模块提供了一个 Collector ，可以方便的输出事件信息。

use tracing::info;
use tracing_subscriber;

fn main() {
    // 初始化全局 Collector
    tracing_subscriber::fmt::init();

    info!("Hello, world!");
}

运行上面这段代码，可以在终端中看到一条 INFO 级别的事件，如果需要将 Trace 信息发送到其他地方，就要用到其他的 Collector 实现，比如 tracing-appender 这个 crate，可以将 Trace 信息输出到文件中。

在 Rust 中使用

tracing 的完整示例

use std::{thread::sleep, time::Duration};

use tracing::{debug, info, info_span, instrument};

#[instrument]
fn expensive_work(secs: u64) {
    debug!("doing expensive work");
    sleep(Duration::from_secs(secs));
    debug!("done with expensive work");
}

fn main() {
    tracing_subscriber::fmt()
        // enable everything
        .with_max_level(tracing::Level::TRACE)
        // sets this to be the default, global collector for this application.
        .init();
    let span = info_span!("root");
    let _enter = span.enter();

    info!("some info in the root span");

    expensive_work(1);
}

运行以上代码将会的到以下输出

2022-12-01T02:50:59.425475Z  INFO root: tracing_example: some info in the root span
2022-12-01T02:50:59.425518Z DEBUG root:expensive_work{secs=1}: tracing_example: doing expensive work
2022-12-01T02:51:00.425722Z DEBUG root:expensive_work{secs=1}: tracing_example: done with expensive work

每个事件都已相同的格式输出，此输出模式下，与 log 的输出十分相似，

但 tracing 输出的内容多出了 Span 相关的信息。由 instrument 生成的 Span 还自动添加了函数的参数信息。下面介绍的 OpenTelemetry 和 Jaeger，还可以让我们更加直观的查看 Span 之间的时间关系。

Trace 的标准化

想要让 Trace 跨越多个服务，集成到多种不同的语言，那就必须要规定大家相互调用的规范，要遵守一套相同的协议，才能让 Trace 的数据在不同的系统中都能够正常传递，Trace 早期诞生了两种规范，分别是 OpenTracing 和 OpenCensus，后来为了规范的统一，OpenTracing 和 OpenCensus 合并成了 OpenTelemetry，现在已经成为了 Trace 的事实标准。OpenTelemetry 提供了不同语言的 SDK，可以方便的集成到不同的系统中，对于 Rust ，它提供了一系列相关的 crate 用于集成。tracing 也提供了 tracing-OpenTelemetry 用来将其收集到的信息发送到兼容 OpenTelemetry 的分布式追踪系统中。

Trace 数据的可视化分析

Jaeger 是受到 Dapper 和 OpenZipkin 启发的开源分布式跟踪系统，由 Uber 开发，现已捐赠给 CNCF。Jaeger 通过收集 Trace 数据，将其可视化展示，方便开发者分析系统的问题。下图为 Jaeger 部署的示例。

要将 Trace 数据发送给 Jaeger，需要在我们的应用中添加 jaeger-client 。OpenTelemetry 提供的 crate 中，就包括了响应的 jaeger-clinet 实现: opentelemetry-jaeger。它会将 Span 信息以 UDP 包的形式发送到 jaeger-agent，jaeger-agent 将一段时间内的数据打包分批发送到 jaeger-collector，再由 jaeger-collector 把数据存入数据库内，我们在 jaeger 的 UI 中就可以查询到这些数据。

OpenTelemetry 的仓库中也提供了以上流程的示例，我们可以直接运行这个示例，然后在 jaeger 的前端我们就可以得到下图的内容:

有了这些数据，开发人员就能够快速定位到请求的主要耗时部分，也能够通过其中包含的事件获取到请求内的消息记录。

总结

对于大多数同步程序，用 Log 就能够满足需求，并且使用起来也足够简单，但是一旦涉及到异步程序或其他的一些复杂情况，Log 就会变得不那么好用了，一段时间内的 Log 信息可能来自于多个不同的处理流程，难以快速方便的获取我们需要的信息，而 Trace 则能够很好的解决这个问题。

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