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花一个周末,掌握 SpringCloud Ribbon 核心原理

花一个周末,掌握 SpringCloud Ribbon 核心原理

前言

继 SpringCloud Feign 之后的第二篇分布式框架文章,同样秉承单周末一个 SpringCloud 组件的大目标为原则

如果想看 Feign 的小伙伴,猛戳这里,Feign 核心原理与你不期而遇

在平常使用 SpringCloud 中,一般会使用 Feign,因为 Feign 内部集成了 Ribbon

但是 Ribbon 又是一个不可忽视的知识点,并且比 Feign 要难很多。列举文章大纲主题

  1. 如何获取注册中心服务实例
  2. 非健康服务实例如何下线
  3. Ribbon 底层原理实现
  4. 自定义 Ribbon 负载均衡策略

文章使用 SpringCloud Ribbon 源代码 Hoxton.SR9 版本:2.2.6.RELEASE

另外在文章结尾,说了一些看源码过程中的感想,以及 Ribbon 中笔者实现不合理的流程说明

概念小贴士

负载均衡

负载均衡是指通过负载均衡策略分配到多个执行单元上,常见的负载均衡方式有两种

  • 独立进程单元,通过负载均衡策略,将请求进行分发到不同执行上,类似于 Nginx
  • 客户端行为,将负载均衡的策略绑定到客户端上,客户端会维护一份服务提供者列表,通过客户端负载均衡策略分发到不同的服务提供者

Ribbon

Ribbon 是 Netflix 公司开源的一款负载均衡组件,负载均衡的行为在客户端发生,所以属于上述第二种

一般而言,SpringCloud 构建以及使用时,会使用 Ribbon 作为客户端负载均衡工具。但是不会独立使用,而是结合 RestTemplate 以及 Feign 使用,Feign 底层集成了 Ribbon,不用额外的配置,开箱即用

文章为了更贴切 Ribbon 主题,所以使用 RestTemplate 充当网络调用工具

RestTemplate 是 Spring Web 下提供访问第三方 RESTFul Http 接口的网络框架

环境准备

注册中心选用阿里 Nacos,创建两个服务,生产者集群启动,消费者使用 RestTemplate + Ribbon 调用,调用总体结构如下

生产者代码如下,将服务注册 Nacos,并对外暴露 Http Get 服务

消费者代码如下,将服务注册 Nacos,通过 RestTemplate + Ribbon 发起远程负载均衡调用

RestTemplate 默认是没有负载均衡的,所以需要添加 @LoadBalanced

启动三个生产者实例注册 Nacos,启动并且注册成功如下所示

想要按严格的先后顺序介绍框架原理,而不超前引用尚未介绍过的术语,这几乎是不可能的,笔者尽可能介绍明白

如何获取注册中心服务实例

先来看一下 Ribbon 是如何在客户端获取到注册中心运行实例的,这个点在之前是我比较疑惑的内容

服务注册相关的知识点,会放到 Nacos 源码解析说明

先来举个例子,当我们执行一个请求时,肯定要进行负载均衡对吧,这个时候代码跟到负载均衡获取服务列表源码的地方

解释一下上面标黄色框框的地方:

  • RibbonLoadBalancerClient:负责负载均衡的请求处理
  • ILoadBalancer:接口中定义了一系列实现负载均衡的方法,相当于一个路由的作用,Ribbon 中默认实现类 ZoneAwareLoadBalancer
  • unknown:ZoneAwareLoadBalancer 是多区域负载均衡器,这个 unkonwn 代表默认区域的意思
  • allServerList:代表了从 Nacos 注册中心获取的接口服务实例,upServerList 代表了健康实例

现在想要知道 Ribbon 是如何获取服务实例的就需要跟进 getLoadBalancer()

getLoadBalancer

首先声明一点,getLoadBalancer() 方法的语意是从 Ribbon 父子上下文容器中获取名称为 ribbon-produce,类型为 ILoadBalancer.class 的 Spring Bean

之前在讲 Feign 的时候说过,Ribbon 会为每一个服务提供者创建一个 Spring 父子上下文,这里会从子上下文中获取 Bean

看到这里并没有解决我们的疑惑,以为方法里会有拉取服务列表的代码,然鹅只是返回一个包含了服务实例的 Bean,所以我们只能去跟下这个 Bean 的上下文

我们需要从负载均衡客户端着手,因为默认是 ZoneAwareLoadBalancer,那我们需要跟进它何时被创建,初始化都做了什么事情

ZoneAwareLoadBalancer

ZoneAwareLoadBalancer 是一个根据区域(Zone)来进行负载均衡器,因为如果不同机房跨区域部署服务列表,跨区域的方式访问会产生更高的延迟,ZoneAwareLoadBalancer 就是为了解决此类问题,不过默认都是同一区域

ZoneAwareLoadBalancer 很重要,或者说它代表的 负载均衡路由角色 很重要。进行服务调用前,会使用该类根据负载均衡算法获取可用 Server 进行远程调用,所以我们要掌握创建这个负载均衡客户端时都做了哪些

ZoneAwareLoadBalancer 是在服务第一次被调用时通过子容器创建

@Bean @ConditionalOnMissingBean  // RibbonClientConfiguration 被加载,从 IOC 容器中获取对应实例填充到 ZoneAwareLoadBalancer
public ILoadBalancer ribbonLoadBalancer(IClientConfig config,
                                        ServerList<Server> serverList, ServerListFilter<Server> serverListFilter,
                                        IRule rule, IPing ping, ServerListUpdater serverListUpdater) {
    ...
    return new ZoneAwareLoadBalancer<>(config, rule, ping, serverList,
            serverListFilter, serverListUpdater);
}

public ZoneAwareLoadBalancer(IClientConfig clientConfig, IRule rule,
                             IPing ping, ServerList<T> serverList, ServerListFilter<T> filter,
                             ServerListUpdater serverListUpdater) {
    // 调用父类构造方法
    super(clientConfig, rule, ping, serverList, filter, serverListUpdater);
}
复制代码

在 DynamicServerListLoadBalancer 中调用了父类 BaseLoadBalancer 初始化了一部分配置以及方法,另外自己也初始化了 Server 服务列表等元数据

public DynamicServerListLoadBalancer(IClientConfig clientConfig, IRule rule, IPing ping,
                                     ServerList<T> serverList, ServerListFilter<T> filter,
                                     ServerListUpdater serverListUpdater) {
    // 调用父类 BaseLoadBalancer 初始化一些配置,包括 Ping(检查服务是否可用)Rule(负载均衡规则)
    super(clientConfig, rule, ping);  
    // 较重要,获取注册中心服务的接口
    this.serverListImpl = serverList;
    this.filter = filter;
    this.serverListUpdater = serverListUpdater;
    if (filter instanceof AbstractServerListFilter) {
        ((AbstractServerListFilter) filter).setLoadBalancerStats(getLoadBalancerStats());
    }
    // 初始化步骤分了两步走,第一步在上面,这一步就是其余的初始化
    restOfInit(clientConfig);
}
复制代码

先来说一下 BaseLoadBalancer 中初始化的方法,这里主要对一些重要参数以及 Ping、Rule 赋值,另外根据 IPing 实现类执行定时器,下面介绍 Ping 和 Rule 是什么

方法大致做了以下几件事情:

  1. 设置客户端配置对象、名称等关键参数
  2. 获取每次 Ping 的间隔以及 Ping 的最大时间
  3. 设置具体负载均衡规则 IRule,默认 ZoneAvoidanceRule,根据 server 和 zone 区域来轮询
  4. 设置具体 Ping 的方式,默认 DummyPing,直接返回 True
  5. 根据 Ping 的具体实现,执行定时任务 Ping Server

这里会介绍被填入的 IPing 和 IRule 是什么东东,并且都有哪些实现

IPing 服务探测

IPing 接口负责向 Server 实例发送 ping 请求,判断 Server 是否有响应,以此来判断 Server 是否可用

接口只有一个方法 isAlive,通过实现类完成探测 ping 功能

public interface IPing {
    public boolean isAlive(Server server);
}
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IPing 实现类如下:

  • PingUrl:通过 ping 的方式,发起网络调用来判断 Server 是否可用(一般而言创建 PingUrl 需要指定路径,默认是 IP + Port)
  • PingConstant:固定返回某服务是否可用,默认返回 True,表示可用
  • NoOpPing:没有任何操作,直接返回 True,表示可用
  • DummyPing:默认的类,直接返回 True,实现了 initWithNiwsConfig 方法

IRule 负载均衡

IRule 接口负责根据不用的算法和逻辑处理负载均衡的策略,自带的策略有 7 种,默认 ZoneAvoidanceRule

  1. BestAvailableRule:选择服务列表中最小请求量的 Server
  2. RandomRule:服务列表中随机选择 Server
  3. RetryRule:根据轮询的方式重试 Server
  4. ZoneAvoidanceRule:根据 Server 的 Zone 区域和可用性轮询选择 Server
  5. ...

上面说过,会有两个初始化步骤,刚才只说了一个,接下来说一下 这个其余初始化方法 restOfInit,虽然取名叫其余初始化,但是就重要性而言,那是相当重要

void restOfInit(IClientConfig clientConfig) {
    boolean primeConnection = this.isEnablePrimingConnections();
    // turn this off to avoid duplicated asynchronous priming done in BaseLoadBalancer.setServerList()
    this.setEnablePrimingConnections(false);
    // 初始化服务列表,并启用定时器,对服务列表作出更新
    enableAndInitLearnNewServersFeature();
    // 更新服务列表,enableAndInitLearnNewServersFeature 中定时器的执行的就是此方法
    updateListOfServers();
    if (primeConnection && this.getPrimeConnections() != null) {
        this.getPrimeConnections()
                .primeConnections(getReachableServers());
    }
    this.setEnablePrimingConnections(primeConnection);
    LOGGER.info("DynamicServerListLoadBalancer for client {} initialized: {}", clientConfig.getClientName(), this.toString());
}
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获取服务列表以及定时更新服务列表的代码都在此处,值得仔细看着源码。关注其中更新服务列表方法就阔以了

public void updateListOfServers() {
    List<T> servers = new ArrayList<T>();
    if (serverListImpl != null) {
        // 获取服务列表数据
        servers = serverListImpl.getUpdatedListOfServers();
        LOGGER.debug("List of Servers for {} obtained from Discovery client: {}",
                getIdentifier(), servers);

        if (filter != null) {
            servers = filter.getFilteredListOfServers(servers);
            LOGGER.debug("Filtered List of Servers for {} obtained from Discovery client: {}",
                    getIdentifier(), servers);
        }
    }
    // 更新所有服务列表
    updateAllServerList(servers);
}
复制代码

第一个问题兜兜转转,终于要找到如何获取的服务列表了,serverListImpl 实现自 ServerList,因为我们使用的 Nacos 注册中心,所以 ServerList 的具体实现就是 NacosServerList

public interface ServerList<T extends Server> {
    public List<T> getInitialListOfServers();
    public List<T> getUpdatedListOfServers();
}
复制代码

ServerList 中只有两个接口方法,分别是 获取初始化服务列表集合、获取更新的服务列表集合,Nacos 实现中两个调用都是一个实现方法,可能设计如此

相当于 Ribbon 提供出接口 ServerList,注册中心开发者们谁想和 Ribbon 集成,那你就实现这个接口吧,到时候 Ribbon 负责调用 ServerList 实现类中的方法实现

Ribbon 和各服务注册中心之间,这种实现方式和 JDBC 与各数据库之间很像

兜兜转转中问题已经明朗,一起总结下注册中心获取服务实例这块内容

  1. 负载均衡客户端在初始化时向 Nacos 注册中心获取服务注册列表信息
  2. 根据不同的 IPing 实现,向获取到的服务列表 串行发送 ping,以此来判断服务的可用性。没错,就是串行,如果你的实例很多,可以 考虑重写 ping 这一块的逻辑
  3. 如果服务的可用性 发生了改变或者被人为下线,那么重新拉取或更新服务列表
  4. 当负载均衡客户端有了这些服务注册类列表,自然就可以进行 IRule 负载均衡策略

非健康服务实例如何下线

首先笔者做了两个 "大胆" 的实验,第一次是对生产者 SpringBoot 项目执行关闭流程,这时候 Nacos 注册中心是 实时感知到并将此服务下该实例删除

证明 Nacos 客户端是有 类似于钩子函数的存在,感知项目停止就会向 Nacos 服务端注销实例。但是这个时候要考虑一件事情,那就是在 暴力 Kill 或者执行关闭操作 的情况下,存在于 Ribbon 客户端服务列表缓存能不能感知

第二次我这边测试流程是这样的,可以极大程度还原生产上使用 Ribbon 可能会遇到的问题

  1. 改变客户端负载均衡策略为 随机负载 RandomRule,大家自己可以进行测试,不固定负载规则
  2. 注册三个生产者服务实例到 Nacos 上,检查 确保服务组下实例正常注册
  3. 操作重点来了,先通过消费方实例请求下对应的生产者接口,保证 Ribbon 将对应 Server 缓存到客户端
  4. 停掉一个生产者服务,此时 马上使用 Jmeter 调用,Jmeter 线程组发起请求 100 次(一定要赶到更新 Server 缓存之前发起 Jmeter 请求)
  5. 这时就会看到会发生随机失败,也就是说停掉一个服务后,最坏结果会有 30 秒的生产服务不可用,这个时间可配置,后面会讲到为什么 30 秒

服务列表定时维护

针对于服务列表的维护,在 Ribbon 中有两种方式,都是通过定时任务的形式维护客户端列表缓存

  1. 使用 IPing 的实现类 PingUrl,每隔 10 秒会去 Ping 服务地址,如果返回状态不是 200,那么默认该实例下线
  2. Ribbon 客户端内置的扫描,默认每隔 30 秒去拉取 Nacos 也就是注册中心的服务实例,如果已下线实例会在客户端缓存中剔除

这一块源码都不贴了,放两个源代码位置,感兴趣自己看看就行了

+ DynamicServerListLoadBalancer#enableAndInitLearnNewServersFeature
+ BaseLoadBalancer#setupPingTask
复制代码

如果你面试的时候,面试官问了本小节相关内容,把这两个点都能答出来,基本上 SpringCloud 源码就差不多了

Ribbon 底层原理实现

底层原理实现这一块内容,会先说明使用 Ribbon 负载均衡调用远端请求的全过程,然后着重看一下 RandomRule 负载策略底层是如何实现

  1. 创建 ILoadBalancer 负载均衡客户端,初始化 Ribbon 中所需的 定时器和注册中心上服务实例列表
  2. 从 ILoadBalancer 中,通过 负载均衡选择出健康服务列表中的一个 Server
  3. 将服务名(ribbon-produce)替换为 Server 中的 IP + Port,然后生成 HTTP 请求进行调用并返回数据

上面已经说过,ILoadBalancer 是负责负载均衡路由的,内部会使用 IRule 实现类进行负载调用

public interface ILoadBalancer {
    public Server chooseServer(Object key);
  	...
}
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chooseServer 流程中调用的就是 IRule 负载策略中的 choose 方法,在方法内部获取一个健康 Server

public Server choose(ILoadBalancer lb, Object key) {
    ... 
    Server server = null;
    while (server == null) {
        ...
        List<Server> upList = lb.getReachableServers();  // 获取服务列表健康实例
        List<Server> allList = lb.getAllServers();  // 获取服务列表全部实例
        int serverCount = allList.size();  // 全部实例数量
        if (serverCount == 0) {  // 全部实例数量为空,返回 null,相当于错误返回
            return null;
        }
        int index = chooseRandomInt(serverCount);  // 考虑到效率问题,使用多线程 ThreadLocalRandom 获取随机数
        server = upList.get(index);  // 获取健康实例
        if (server == null) {
            // 作者认为出现获取 server 为空,证明服务列表正在调整,但是!这只是暂时的,所以当前释放出了 CPU
            Thread.yield();
            continue;
        }
        if (server.isAlive()) {  // 服务为健康,返回
            return (server);
        }
        ...
    }
    return server;
}
复制代码

简单说一下随机策略 choose 中流程

  1. 获取到全部服务、健康服务列表,判断全部实例数量是否等于 0,是则返回 null,相当于发生了错误
  2. 从全部服务列表里获取下标索引,然后去 健康实例列表获取 Server
  3. 如果获取到的 Server 为空会放弃 CPU,然后再来一遍上面的流程,相当于一种重试机制
  4. 如果获取到的 Server 不健康,设置 Server 等于空,再歇一会,继续走一遍上面的流程

比较简单,有小伙伴可能就问了,如果健康实例小于全部实例怎么办?这种情况下存在两种可能

  1. 运气比较好,从全部实例数量中随机了比较小的数,刚好健康实例列表有这个数,那么返回 Server
  2. 运气比较背,从全部实例数量中随机了某个数,健康实例列表数量为空或者小于这个数,直接会下标越界异常

留下一个思考题:

为什么不直接从健康实例中选择实例呢

如果直接从健康实例列表选择,就能规避下标越界异常,为什么作者要先从全部实例中获取 Server 下标?

自定义 Ribbon 负载均衡策略

这种自定义策略,在框架中都支持的比较友好,根据上面提的问题,我们自定义一款策略

@Slf4j
public class MyRule extends AbstractLoadBalancerRule {
    @Override
    public Server choose(Object key) {
        ILoadBalancer loadBalancer = getLoadBalancer();
        while (true && ) {
            Server server = null;
            // 获取已启动并且可访问的服务列表
            List<Server> reachableServers = loadBalancer.getReachableServers();
            if (CollectionUtils.isEmpty(reachableServers)) return null;
            int idx = ThreadLocalRandom.current().nextInt(reachableServers.size());
            server = reachableServers.get(idx);
            if (server == null || server.isAlive()) {
                log.warn("Ribbon 服务实例异常, 获取为空 || 状态不健康");
                Thread.yield();
                continue;
            }
            return server;
        }
    }

    ... initWithNiwsConfig 不用实现
}
复制代码

说一下我们自己实现的 MyRule 负载的逻辑:

  1. IRule 获取服务列表没有在调用方实现,而是抽象 AbstractLoadBalancerRule,所以我们要获取服务列表继承就好了
  2. 和随机负载规则大致相似,只不过这里简化了流程,直接从健康的服务实例列表获取 Server 实例
  3. 确定 Server 不为空并且节点健康后返回,如果不符合则打印日志,睡一会再重复
  4. 如果保险起见,最好在 while 中加入一个循环次数的条件,避免死循环

然后把 MyRule 注册到 SPring IOC 容器中就好了,在初始化时就会代替默认的 Rule 负载规则

关于 IPing 的思考

在阅读 Ribbon Ping 这一块源代码时,发现了两处个人认为不太合理的地方

  1. setPingInterval 设置 Ping 间隔时执行设置 Ping 任务无意义
  2. BaseLoadBalancer 构造函数中 ping 为 null,又再次调用了 setPingInterval,结果只会返回空

setPingInterval 和 setPing 两个方法发生在 BaseLoadBalancer 初始化时,相当于接着上面逻辑继续。先说明执行逻辑,再看下不合理的地方

setupPingTask 用于定期执行对 Server 的 ping 任务,也就是检测 Server 是否可用

个人觉得在 setPingInterval 中没有必要执行 setupPingTask 方法

作出上述结论有以下依据:

  1. 第一次执行 setPingInterval 时,ping 必然为空,那么会在 canSkipPing 中返回 True,继而直接结束 setPingInterval 方法
  2. 后来想了下,会不会在别的地方引用,需要强制刷新,然鹅全局搜索了下引用,只有在此次初始化时调用,当然不排除别的依赖包会使用此方法
  3. 综上所述,setPingInterval 执行设置 Ping 任务的方法无意义

另外还有一点,作者感觉代码中调用的方法没有实际意义。和上述类似,都是在 ping 为空时执行了 setPingInterval 方法

以上这两点是笔者跟源码时,发现不妥当的地方,所以在这里占了一些篇幅说明,主要是想表达两点自己的想法给读者朋友

  1. 不要对源码有敬畏之心,应该有敬畏之心的是生产环境! 不要感觉看框架源码是一件高不可攀的事情,其实有时候你理解不了的代码,可能只是多人维护后,混乱的产物,条件允许的情况下,还是要多跟进源码去看一看
  2. 直言说出自己的见解,如果只有自己去想,那么很可能没有答案,通过文章间接的方式让更多小伙伴看到,指正错误言论亦或者得到肯定

结言

整体来看,文章更 注重表达设计思想以及源码分析,所以阅读文章需要一定的源码功底。同时文章是针对问题而展开叙述,哪怕源码不理解也能有所收获

Ribbon 这块内容从初始化负载均衡客户端 ILoadBalancer 说起,讲述了初始化过程中具体的内容,包括如何开启 IPing 定时器以及服务列表更新定时器

另外通过源码查看到 Ribbon 的服务列表其实是向 Nacos 提供的接口发起服务调用 获取并保存到本地缓存,继而牵引出如何保证不健康实例下线:IPing 定时器和服务更新定时器

文末章节说了下请求 Ribbon 负载均衡的全链路以及如何自己定义一个负载均衡算法。最最后面也说了下自己看源码过程中对 SpringCloud IPing 感觉无意义的代码,当然,不排除是为了别的包集成而留下的

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