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date created: 星期五, 十一月 21日 2025, 3:54:54 下午
date modified: 星期一, 十一月 24日 2025, 4:32:30 下午
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# 2.3.7 性能指标遥测通道 (Performance Telemetry Channel)

遵循三阶段模型，我们深入探讨 **2.3.7 性能指标遥测通道 (Performance Telemetry Channel)**。

这是系统的“听诊器”。正如您所嘱咐，这个模块必须兼具**健壮性**（绝不因为发体检报告而把干活的人累死）和**丰富性**（体检报告不能只说“活着”，而要包含详细的心电图、血氧等指标）。

在雷达每秒处理数万脉冲的高压环境下，简单的“打印日志”或“直接发事件”都会瞬间压垮 CPU。我们必须采用**工业级遥测架构**。

## 一、 约束输入与对齐 (Constraints & Alignment)

基于高频实时系统的特性，我们需对齐以下硬性约束：

1. **零干扰 (Zero Interference)**：业务线程（如信号处理）更新指标时，必须是**无锁 (Lock-free)**、**无系统调用 (No Syscall)**、**无堆内存分配 (No Alloc)** 的。任何锁竞争都会导致处理抖动。
2. **数据丰富性 (Richness)**：不仅需要简单的计数（Counter），还需要瞬时值（Gauge）和分布统计（Histogram，用于计算 P99 延迟）。
3. **故障隔离 (Isolation)**：如果监控模块卡死或事件总线堵塞，业务线程必须能自动丢弃指标数据，绝不能被阻塞（Backpressure needs to be lossy for telemetry）。

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## 二、 权衡分析与选项呈现 (Trade-off Matrix)

### 议题 1：数据上报模型 (Reporting Model)

|**选项**|**A. 立即推送 (Fire-and-Forget)**|**B. 线程本地聚合 + 定期刷新 (TLS Aggregation) (推荐)**|
|---|---|---|
|**机制**|每次 `counter++` 就 `publishAsync` 一个事件。|业务线程只更新本地变量 (`thread_local`)。后台定时器每秒收集一次并打包发送。|
|**开销**|**极高**。每秒触发数万次事件总线入队操作，导致上下文切换风暴。|**极低**。热路径上仅是一次内存自增指令 (`INC`)。|
|**实时性**|实时。|准实时（秒级延迟）。但在监控场景下完全可接受。|
|**健壮性**|低。总线易过载。|**高**。将高频数据降频为低频快照。|

### 议题 2：统计数据结构 (Metric Data Structure)

|**选项**|**A. 简单原子变量 (Simple Atomic)**|**B. 多维带标签指标 (Tagged Multi-dimensional) (推荐)**|
|---|---|---|
|**机制**|全局 `std::atomic<int> g_packet_count;`|`Metrics::Counter("packet_recv", {{"channel", "1"}})->inc();`|
|**丰富度**|**低**。只能看总数，无法区分通道、流或具体错误码。|**高**。支持维度下钻（Drill-down），能精确定位是哪个通道在丢包。|
|**性能**|高。|需优化。若每次查找 Map 会慢，需结合 **句柄缓存 (Handle Caching)** 技术。|

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## 三、 基线确立与实施规范

为了达成“既要马儿跑，又要马儿不吃草”的效果，我们确立 **B. TLS 聚合** + **B. 多维指标体系** 为基线。

### 1. 核心架构：双层缓冲遥测系统

这是一个**读写分离**的设计：

- **业务层 (Writer)**：只通过 `ThreadLocal` 句柄极速写入，无锁。
- **收集层 (Collector)**：`MetricRegistry` 定期（如 1Hz）遍历所有线程的 TLS，执行原子快照（Snapshot），生成 `MetricsUpdateEvent`。

### 2. 丰富指标类型定义 (Rich Metric Types)

我们在 `TelemetryClient` 中提供三种核心原语：

1. **Counter (计数器)**：

    - _用途_：累计吞吐量、错误总数。
    - _特性_：只增不减。
    - _实现_：`std::atomic<uint64_t>`。

2. **Gauge (仪表盘)**：

    - _用途_：队列深度、内存占用、当前温度。
    - _特性_：可增可减，只关心瞬时值。
    - _实现_：`std::atomic<int64_t>` 或 `std::atomic<double>`。

3. **Histogram (直方图)**：

    - _用途_：**P99 延迟**、Kernel 执行耗时分布。
    - _特性_：统计数据落入不同区间的次数。
    - _实现_：**固定分桶 (Fixed Buckets)**。
        - _健壮性设计_：严禁使用动态扩容的 `std::vector`。预分配一组原子计数器（如 `<1ms`, `1-5ms`, `5-10ms`, `>10ms`）。这避免了热路径上的内存分配。

### 3. 无锁高性能实现规范 (Hot-Path Optimization)

为了让业务代码写得爽且快，我们引入 **Static Handle** 模式。

- **业务代码示例**：

    ```cpp
    void SignalProcessor::processFrame() {
        // 1. 获取句柄 (仅第一次调用时有哈希查找开销，之后是极速指针访问)
        static auto* latency_hist = Telemetry::GetHistogram("proc_latency_us", {{"module", "dsp"}});
        static auto* packet_cnt = Telemetry::GetCounter("packets_processed");

        auto start = Now();
        // … 业务逻辑 …
        auto duration = Now() - start;

        // 2. 更新指标 (热路径：仅涉及原子操作，耗时 < 10ns)
        packet_cnt->inc();
        latency_hist->observe(duration);
    }
    ```

### 4. 遥测协议与健壮性保障

- **事件定义**：

    ```cpp
    struct MetricsUpdateEvent : public BaseEvent {
        // 使用扁平化 Map 传输快照，减少序列化开销
        // Key: "proc_latency_us{module=dsp,bucket=1-5ms}" -> Value: 1024
        std::unordered_map<std::string, double> metrics_snapshot;
    };
    ```

- **收集与发送 (Collector Thread)**：
    - **频率**：默认 **1Hz**。
    - **兜底策略 (健壮性核心)**：
        - **TryLock**: 收集线程在抓取快照时，使用 `try_lock`。如果业务线程正在极其罕见地初始化指标（持有锁），收集线程**直接放弃本次采集**，而不是阻塞等待。宁可丢一个点，不可卡顿系统。
        - **Backpressure**: 发送 `MetricsUpdateEvent` 时，使用 `EventBus::publishAsync`。如果事件总线队列已满（监控模块处理不过来），**直接丢弃该事件**。监控数据允许有损，业务数据不行。

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## 总结：2.3 章节最终基线图谱

至此，我们完成了 **2.3 内部控制平面通信接口** 的全方位设计。这套神经系统既有雷霆手段（同步抢占），又有细腻心思（全链路追踪），还有强健体魄（无锁遥测）。

|**接口领域**|**核心基线**|**关键技术点**|
|---|---|---|
|**2.3.1 总线架构**|**混合双通道 (Sync/Async)**|`publishSync` (指令) vs `publishAsync` (状态)|
|**2.3.2 追踪传递**|**TLS + 智能闭包捕获**|`TraceContextGuard`, 跨线程自动传递|
|**2.3.3 生命周期**|**异步指令 + 超时闭环**|`StartModuleEvent` -> `ModuleRunningEvent`|
|**2.3.4 故障恢复**|**依赖感知四步法**|Pause -> Stop -> Restart -> Resume|
|**2.3.5 资源保护**|**四级热节流 + 迟滞控制**|温度触发，软件占空比 (`sleep`) 降温|
|**2.3.6 热更新**|**2PC + RCU**|投票 -> 提交，原子指针替换配置|
|**2.3.7 性能遥测**|**TLS 聚合 + 定期快照**|`Static Handle` 缓存，无锁热路径，有损发送|