1 核心概念

1.1 span

span是链路跟踪的基本单元，记录了每个节点的跟踪信息，每经过一个interceptor都会去创建span，通过span把跟踪信息串联起来。整个跟踪流程类似一个有向无环图：

span包括三种类型：
EntrySpan：在同一个TraceSegment中，EntrySpan只有一个，作为链路的根节点。EntrySpan代表服务提供方的链路节点，比如Tomcat的入口，在TomcatInvokeInterceptor中会创建EntrySpan。
ExitSpan：代表服务消费方的链路节点，比如Feign、HTTP Client等。在远程调用服务之前，会拦截Feign（或其他rpc组件）调用并封装ExitSpan链路节点信息（其实在Feign调用前、调用后以及异常时都会对span进行相应的处理，比如记录日志、关闭span等）。
LocalSpan：对于像本地方法这种的跟踪，用LocalSpan来记录链路节点信息。
span的两种应用类型：
CHILD_OF：在同一个TraceSegment中，父span依赖子span，因此用CHILD_OF来标识span之间的关系。
FOLLOWS_OF：在跨进程的MQ、多线程下异步/批处理任务时，父span并不依赖子span的结果，所以用FOLLOWS_OF来描述span之间的关系。

1.2 TraceSegment

由于分布式链路追踪是跨多进程、多线程的，因此把链路分割成了一个一个的小片段，每个线程里只有一个TraceSegment。traceId、segment、span三者之间的关系图如下：

图中的ref表示引用，即依赖关系。

1.3 TracingContext

链路追踪核心控制器，保存了一些关键信息，比如segment、active spans等。创建span以及传播contextCarrier。

1.4 ContextCarrier

在跨进程、快线程的追踪中，需要将上游的信息传播到下游，比如上游的segment、endpoint、service instance、address等信息，ContextCarrier提供了这样的能力。

2 跨服务间的链路追踪流程图

基于SpringBoot+SpringCloud+Feign

每进入到一个服务之前会被TomcatInvokeInterceptor拦截，在这里会去解析请求里携带的carrier信息，如果有carrier会将carrier里的跟踪信息与当前服务的跟踪进行关联，比如上游的segment会作为当前服务的父segment。
如果当前服务需要调用远程服务，在Feign调用之前会被DefaultHttpClientInterceptor拦截，此处会将当前的跟踪信息封装进carrier里，然后将carrier存入请求头里。
如果segment里的所有span都完成了，该segment会被存入到队列里，由一个消费者去负责把segment里的信息推送到服务端。

3 源码剖析

3.1 数据埋点

以TomcatInvokeInterceptor举例，其他插件可根据分析的步骤自行阅读源码。与spring中的拦截器类似，有方法 执行前、方法执行后、抛异常三个拦截动作。

3.1.1 方法执行前拦截

public void beforeMethod(EnhancedInstance objInst, Method method, Object[] allArguments, Class<?>[] argumentsTypes,
                         MethodInterceptResult result) throws Throwable {
    Request request = (Request) allArguments[0];
    ContextCarrier contextCarrier = new ContextCarrier();

    CarrierItem next = contextCarrier.items();
    //1）解析请求头里携带的carrier信息
    while (next.hasNext()) {
        next = next.next();
        next.setHeadValue(request.getHeader(next.getHeadKey()));
    }

    //2）创建span
    AbstractSpan span = ContextManager.createEntrySpan(request.getRequestURI(), contextCarrier);
    //3）设置标签，如：url->http://www.baidu.com；request.method->GET
    Tags.URL.set(span, request.getRequestURL().toString());
    Tags.HTTP.METHOD.set(span, request.getMethod());
    //4）设置被拦截的组件，此处为Tomcat
    span.setComponent(ComponentsDefine.TOMCAT);
    //5）设置被拦截的层级，此处为HTTP层
    SpanLayer.asHttp(span);

    if (TomcatPluginConfig.Plugin.Tomcat.COLLECT_HTTP_PARAMS) {
        collectHttpParam(request, span);
    }
}

1）解析请求头里携带的carrier信息
CarrierItem有三种：
SW8CarrierItem：解析请求体里封装的carrier信息；
SW8CorrelationCarrierItem：解析用户自定义的数据，以K->V的形式存储；
SW8ExtensionCarrierItem：解析skipAnalysis，该字段表示是否跳过所有span，即是否需要下架对当前服务的跟踪。
2）创建span

public static AbstractSpan createEntrySpan(String operationName, ContextCarrier carrier) {
    AbstractSpan span;
    AbstractTracerContext context;
    operationName = StringUtil.cut(operationName, OPERATION_NAME_THRESHOLD);
    //如果有carrier并且合法
    if (carrier != null && carrier.isValid()) {
        SamplingService samplingService = ServiceManager.INSTANCE.findService(SamplingService.class);
        //TracerContext有两种，一种是TracingContext，另一种是IgnoredTracerContext，后者创建的span是NoopSpan，该span没有任何操作行为。
        //此处强制创建TracingContext
        samplingService.forceSampled();
        context = getOrCreate(operationName, true);
        span = context.createEntrySpan(operationName);
        //建立当前segment与上游segment的关联关系
        context.extract(carrier);
    } 
    //如果没有直接通过TracingContext创建span
    else {
        context = getOrCreate(operationName, false);
        span = context.createEntrySpan(operationName);
    }
    return span;
}

3.1.2 方法执行后拦截

此处会调用ContextManager.stopSpan()来停止span，而改方法最终会调用TracingContext里的stopSpan方法，我们主要看这个方法

public boolean stopSpan(AbstractSpan span) {
    //获取当前span
    AbstractSpan lastSpan = peek();
    if (lastSpan == span) {
        if (lastSpan instanceof AbstractTracingSpan) {
            AbstractTracingSpan toFinishSpan = (AbstractTracingSpan) lastSpan;
            //将当前span归档，存入segment里
            if (toFinishSpan.finish(segment)) {
                //将当前span在活动span的列表里移除
                pop();
            }
        } else {
            //将当前span在活动span的列表里移除
            pop();
        }
    } else {
        throw new IllegalStateException("Stopping the unexpected span = " + span);
    }
	//在该方法里会去判断当前segment下的所有span是否都已完成，如果是会将segment放入队列，该队列的数据会被消费者消费并上传至服务端。
    finish();

    return activeSpanStack.isEmpty();
}

3.1.3 抛异常

此处比较简单，只将异常日志记录到span里，日志的数据模型是string key和a string value的键值对。

3.2 数据推送

所有的消费者服务都继承BootService，在启动类SkyWalkingAgent里会调用ServiceManager.INSTANCE.boot()来启动所有的消费者服务。
本文主要讲的是应用程序的追踪监控，也就是上面提到的TraceSegment追踪，所以下面主要分析TraceSegmentServiceClient，至于对Jvm指标数据的采集不在本文介绍。
启动程序

public void boot() {
    lastLogTime = System.currentTimeMillis();
    segmentUplinkedCounter = 0;
    segmentAbandonedCounter = 0;
    carrier = new DataCarrier<>(CHANNEL_SIZE, BUFFER_SIZE);
    carrier.setBufferStrategy(BufferStrategy.IF_POSSIBLE);
    //创建demon线程，用于消费队列中的segment，并将当前实例作为消费者传入，在线程获取到数据时会调用当前实例的consume方法，参见下面的代码段。
    carrier.consume(this, 1);
}

public void consume(List<TraceSegment> data) {
        if (CONNECTED.equals(status)) {
            final GRPCStreamServiceStatus status = new GRPCStreamServiceStatus(false);
            //通过GRPC调用远程服务端接口上传数据
            StreamObserver<SegmentObject> upstreamSegmentStreamObserver = serviceStub.withDeadlineAfter(
                Config.Collector.GRPC_UPSTREAM_TIMEOUT, TimeUnit.SECONDS
            ).collect(new StreamObserver<Commands>() {
                @Override
                public void onNext(Commands commands) {
                    ServiceManager.INSTANCE.findService(CommandService.class)
                                           .receiveCommand(commands);
                }
            });

            try {
                for (TraceSegment segment : data) {
                    SegmentObject upstreamSegment = segment.transform();
                    upstreamSegmentStreamObserver.onNext(upstreamSegment);
                }
            } catch (Throwable t) {
                LOGGER.error(t, "Transform and send UpstreamSegment to collector fail.");
            }
            status.wait4Finish();
            segmentUplinkedCounter += data.size();
        } else {
            segmentAbandonedCounter += data.size();
        }
    }