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如何使用Python探针提取数据并调用库?

1.简单粗暴的方法--对mysql库进行封装要统计一个执行过程,就需要知道这个执行过程的开始位置和结束位置,所以最简单粗暴的方法就是基于要调用的方法进行封装,在框架调用MySQL库和MySQL库中间实现一个中间层,在中间层完成耗时统计,如:#伪代码defmy_execute(conn,sql,param):#针对MySql库的统计封装组件withMyTracer(conn,sql,param):#以下为正常使用MySql库的代码withconn.cursorascursor:cursor.execute(

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    1.简单粗暴的方法--对mysql库进行封装

    要统计一个执行过程, 就需要知道这个执行过程的开始位置和结束位置, 所以最简单粗暴的方法就是基于要调用的方法进行封装,在框架调用MySQL库和MySQL库中间实现一个中间层, 在中间层完成耗时统计,如:

    # 伪代码
    def my_execute(conn, sql, param):
     # 针对MySql库的统计封装组件
     with MyTracer(conn, sql, param):
         # 以下为正常使用MySql库的代码
    with conn.cursor as cursor:
     cursor.execute(sql, param)
    ...

    看样子实现起来非常不错, 而且更改非常方便, 但由于是在最顶层的API上进行修改, 其实是非常不灵活的, 同时在cursor.execute里会进行一些预操作, 如把sql和param进行拼接, 调用nextset清除当前游标的数据等等。我们最后拿到的数据如时间耗时也是不准确的, 同时也没办法得到一些详细的元数据, 如错误码等等.

    如果要拿到最直接有用的数据,就只能去改源代码, 然后再调用源代码了, 但是如果每个库都需要改源代码才能统计, 那也太麻烦了, 好在Python也提供了一些类似探针的接口, 可以通过探针把库的源码进行替换完成我们的代码.

    2.Python的探针

    在Python中可以通过sys.meta_path来实现import hook的功能, 当执行 import 相关操作时, 会根据sys.meta_path定义的对象对import相关库进行更改.sys.meta_path中的对象需要实现一个find_module方法, 这个find_module方法返回None或一个实现了load_module方法的对象, 我们可以通过这个对象, 针对一些库在import时, 把相关的方法进行替换, 简单用法如下,通过hooktime.sleep让他在sleep的时候能打印消耗的时间.

    import importlib
    import sys
    from functools import wraps
    def func_wrapper(func):
        """这里通过一个装饰器来达到狸猫换太子和获取数据的效果"""
        @wraps(func)
        def wrapper(*args, **kwargs):
            # 记录开始时间
            start = time.time()
            result = func(*args, **kwargs)
            # 统计消耗时间
            end = time.time()
            print(f"speed time:{end - start}")
            return result
        return wrapper
    class MetaPathFinder:
        def find_module(self, fullname, path=None):
            # 执行时可以看出来在import哪些模块
            print(f'find module:{path}:{fullname}')
            return MetaPathLoader()
    class MetaPathLoader:
        def load_module(self, fullname):
            # import的模块都会存放在sys.modules里面, 通过判断可以减少重复import
            if fullname in sys.modules:
                return sys.modules[fullname]
            # 防止递归调用
            finder = sys.meta_path.pop(0)
            # 导入 module
            module = importlib.import_module(fullname)
            if fullname == 'time':
                # 替换函数
                module.sleep = func_wrapper(module.sleep)
            sys.meta_path.insert(0, finder)
            return module
    sys.meta_path.insert(0, MetaPathFinder())
    if __name__ == '__main__':
        import time
        time.sleep(1)
    # 输出示例:
    # find module:datetime
    # find module:time
    # load module:time
    # find module:math
    # find module:_datetime
    # speed time:1.00073385238647468

    3.制作探针模块

    了解完了主要流程后, 可以开始制作自己的探针模块了, 由于示例只涉及到aiomysql模块, 那么在MetaPathFinder.find_module中需要只对aiomysql模块进行处理, 其他的先忽略. 然后我们需要确定我们要把aiomysql的哪个功能给替换, 从业务上来说, 一般情况下我们只要cursor.execute, cursor.fetchone, cursor.fetchall, cursor.executemany这几个主要的操作,所以需要深入cursor看看如何去更改代码, 后者重载哪个函数.

    先cursor.execute的源码(cursor.executemanay也类似), 发现会先调用self.nextset的方法, 把上个请求的数据先拿完, 再合并sql语句, 最后通过self._query进行查询:

    async def execute(self, query, args=None):
        """Executes the given operation
        Executes the given operation substituting any markers with
        the given parameters.
        For example, getting all rows where id is 5:
            cursor.execute("SELECT * FROM t1 WHERE id = %s", (5,))
        :param query: ``str`` sql statement
        :param args: ``tuple`` or ``list`` of arguments for sql query
        :returns: ``int``, number of rows that has been produced of affected
        """
        conn = self._get_db()
    
        while (await self.nextset()):
            pass
    
        if args is not None:
            query = query % self._escape_args(args, conn)
    
        await self._query(query)
        self._executed = query
        if self._echo:
            logger.info(query)
            logger.info("%r", args)
        return self._rowcount

    再看cursor.fetchone的源码(cursor.fetchall也类似), 发现其实是从缓存中获取数据,

    这些数据在执行cursor.execute中就已经获取了:

    def fetchone(self):
        """Fetch the next row """
        self._check_executed()
        fut = self._loop.create_future()
        if self._rows is None or self._rownumber >= len(self._rows):
            fut.set_result(None)
            return fut
        result = self._rows[self._rownumber]
        self._rownumber += 1
        fut = self._loop.create_future()
        fut.set_result(result)
        return fut

    综合上面的分析, 我们只要对核心的方法self._query进行重载即可拿到我们要的数据, 从源码中我们可以知道, 我们能获取到传入self._query的self和sql参数, 根据self又能获取到查询的结果, 同时我们通过装饰器能获取到运行的时间, 要的数据基本都到齐了,

    按照思路修改后的代码如下:

    import importlib
    import time
    import sys
    from functools import wraps
    from typing import cast, Any, Callable, Optional, Tuple, TYPE_CHECKING
    from types import ModuleType
    if TYPE_CHECKING:
        import aiomysql
    def func_wrapper(func: Callable):
        @wraps(func)
        async def wrapper(*args, **kwargs) -> Any:
            start: float = time.time()
            func_result: Any = await func(*args, **kwargs)
            end: float = time.time()
            # 根据_query可以知道, 第一格参数是self, 第二个参数是sql
            self: aiomysql.Cursor = args[0]
            sql: str = args[1]
            # 通过self,我们可以拿到其他的数据
            db: str = self._connection.db
            user: str = self._connection.user
            host: str = self._connection.host
            port: str = self._connection.port
            execute_result: Tuple[Tuple] = self._rows
            # 可以根据自己定义的agent把数据发送到指定的平台, 然后我们就可以在平台上看到对应的数据或进行监控了, 
            # 这里只是打印一部分数据出来
            print({
                "sql": sql,
                "db": db,
                "user": user,
                "host": host,
                "port": port,
                "result": execute_result,
                "speed time": end - start
            })
            return func_result
        return cast(Callable, wrapper)
    class MetaPathFinder:
    
        @staticmethod
        def find_module(fullname: str, path: Optional[str] = None) -> Optional["MetaPathLoader"]:
            if fullname == 'aiomysql':
                # 只有aiomysql才进行hook
                return MetaPathLoader()
            else:
                return None
    class MetaPathLoader:
        @staticmethod
        def load_module(fullname: str):
            if fullname in sys.modules:
                return sys.modules[fullname]
            # 防止递归调用
            finder: "MetaPathFinder" = sys.meta_path.pop(0)
            # 导入 module
            module: ModuleType = importlib.import_module(fullname)
            # 针对_query进行hook
            module.Cursor._query = func_wrapper(module.Cursor._query)
            sys.meta_path.insert(0, finder)
            return module
    async def test_mysql() -> None:
        import aiomysql
        pool: aiomysql.Pool = await aiomysql.create_pool(
            host='127.0.0.1', port=3306, user='root', password='123123', db='mysql'
        )
        async with pool.acquire() as conn:
            async with conn.cursor() as cur:
                await cur.execute("SELECT 42;")
                (r,) = await cur.fetchone()
                assert r == 42
        pool.close()
        await pool.wait_closed()
    
    if __name__ == '__main__':
        sys.meta_path.insert(0, MetaPathFinder())
        import asyncio
        asyncio.run(test_mysql())
    # 输出示例:
    # 可以看出sql语句与我们输入的一样, db, user, host, port等参数也是, 还能知道执行的结果和运行时间
    # {'sql': 'SELECT 42;', 'db': 'mysql', 'user': 'root', 'host': '127.0.0.1', 'port': 3306, 'result': ((42,),), 'speed time': 0.00045609474182128906}

    这个例子看来很不错, 但是需要在调用的入口处显式调用该逻辑, 通常一个项目可能有几个入口, 每个入口都显示调用该逻辑会非常麻烦, 而且必须先调用我们的hook逻辑后才能import, 这样就得订好引入规范, 不然就可能出现部分地方hook不成功, 如果能把引入hook这个逻辑安排在解析器启动后马上执行, 就可以完美地解决这个问题了. 查阅了一翻资料后发现,python解释器初始化的时候会自动import PYTHONPATH下存在的sitecustomize和usercustomize模块, 我们只要创建该模块, 并在模块里面写入我们的 替换函数即可。

    .
    ├── __init__.py
    ├── hook_aiomysql.py
    ├── sitecustomize.py
    └── test_auto_hook.py

    hook_aiomysql.py是我们制作探针的代码为例子, 而sitecustomize.py存放的代码如下, 非常简单, 就是引入我们的探针代码, 并插入到sys.meta_path:

    import sys
    from hook_aiomysql import MetaPathFinder
    sys.meta_path.insert(0, MetaPathFinder())

    test_auto_hook.py则是测试代码:

    import asyncio
    from hook_aiomysql import test_mysql
    asyncio.run(test_mysql())

    接下来只要设置PYTHONPATH并运行我们的代码即可(如果是项目的话一般交由superisor启动,则可以在配置文件中设置好PYTHONPATH):

    (.venv) ➜  python_hook git:(master) ✗ export PYTHONPATH=.      
    (.venv) ➜  python_hook git:(master) ✗ python test_auto_hook.py 
    {'sql': 'SELECT 42;', 'db': 'mysql', 'user': 'root', 'host': '127.0.0.1', 'port': 3306, 'result': ((42,),), 'speed time': 0.000213623046875}

    4.直接替换方法

    可以看到上面的方法很好的运行了, 而且可以很方便的嵌入到我们的项目中, 但是依赖与sitecustomize.py文件很难让他抽离成一个第三方的库, 如果要抽离成第三方的库就得考虑看看有没有其他的方法。在上面介绍MetaPathLoader时说到了sys.module, 在里面通过sys.modules来减少重复引入:

    class MetaPathLoader:
        def load_module(self, fullname):
            # import的模块都会存放在sys.modules里面, 通过判断可以减少重复import
            if fullname in sys.modules:
                return sys.modules[fullname]
            # 防止递归调用
            finder = sys.meta_path.pop(0)
            # 导入 module
            module = importlib.import_module(fullname)
            if fullname == 'time':
                # 替换函数
                module.sleep = func_wrapper(module.sleep)
            sys.meta_path.insert(0, finder)
            return module

    这个减少重复引入的原理是, 每次引入一个模块后, 他就会存放在sys.modules, 如果是重复引入, 就会直接刷新成最新引入的模块。上面之所以会考虑到减少重复import是因为我们不会在程序运行时升级第三方库的依赖。利用到我们可以不考虑重复引入同名不同实现的模块, 以及sys.modules会缓存引入模块的特点, 我们可以把上面的逻辑简化成引入模块->替换当前模块方法为我们修改的hook方法。

    import time
    from functools import wraps
    from typing import Any, Callable, Tuple, cast
    import aiomysql
    def func_wrapper(func: Callable):
        """和上面一样的封装函数, 这里简单略过"""
    # 判断是否hook过
    _IS_HOOK: bool = False
    # 存放原来的_query
    _query: Callable = aiomysql.Cursor._query
    # hook函数
    def install_hook() -> None:
        _IS_HOOK = False
        if _IS_HOOK:
            return
        aiomysql.Cursor._query = func_wrapper(aiomysql.Cursor._query)
        _IS_HOOK = True
    # 还原到原来的函数方法
    def reset_hook() -> None:
        aiomysql.Cursor._query = _query
        _IS_HOOK = False

    代码简单明了,接下来跑一跑刚才的测试:

    import asyncio
    import aiomysql
    from demo import install_hook, reset_hook
    async def test_mysql() -> None:
        pool: aiomysql.Pool = await aiomysql.create_pool(
            host='127.0.0.1', port=3306, user='root', password='', db='mysql'
        )
        async with pool.acquire() as conn:
            async with conn.cursor() as cur:
                await cur.execute("SELECT 42;")
                (r,) = await cur.fetchone()
                assert r == 42
        pool.close()
        await pool.wait_closed()
    
    print("install hook")
    install_hook()
    asyncio.run(test_mysql())
    print("reset hook")
    reset_hook()
    asyncio.run(test_mysql())
    print("end")

    通过测试输出可以发现我们的逻辑的正确的, install hook后能出现我们提取的元信息, 而reset后则不会打印原信息

    install hook
    {'sql': 'SELECT 42;', 'db': 'mysql', 'user': 'root', 'host': '127.0.0.1', 'port': 3306, 'result': ((42,),), 'speed time': 0.000347137451171875}
    reset hook
    end
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