Spring Cloud 升级之路 - 2020.0.x - 7. 使用 Spring Cloud LoadBalancer (2)

2023-11-03 17:28:28

本项目代码地址：https://github.com/HashZhang/spring-cloud-scaffold/tree/master/spring-cloud-iiford

我们使用 Spring Cloud 官方推荐的 Spring Cloud LoadBalancer 作为我们的客户端负载均衡器。上一节我们了解了 Spring Cloud LoadBalancer 的结构，接下来我们来说一下我们在使用 Spring Cloud LoadBalancer 要实现的功能：

  1. 我们要实现不同集群之间不互相调用，通过实例的metamap中的zone配置，来区分不同集群的实例。只有实例的metamap中的zone配置一样的实例才能互相调用。这个通过实现自定义的 ServiceInstanceListSupplier 即可实现
  2. 负载均衡的轮询算法，需要请求与请求之间隔离，不能共用同一个 position 导致某个请求失败之后的重试还是原来失败的实例。上一节看到的默认的 RoundRobinLoadBalancer 是所有线程共用同一个原子变量 position 每次请求原子加 1。在这种情况下会有问题：假设有微服务 A 有两个实例：实例 1 和实例 2。请求 A 到达时，RoundRobinLoadBalancer 返回实例 1，这时有请求 B 到达，RoundRobinLoadBalancer 返回实例 2。然后如果请求 A 失败重试，RoundRobinLoadBalancer 又返回了实例 1。这不是我们期望看到的。

针对这两个功能，我们分别编写自己的实现。

实现不同集群不互相调用

Spring Cloud LoadBalancer 中的 zone 配置

Spring Cloud LoadBalancer 定义了 LoadBalancerZoneConfig：

public class LoadBalancerZoneConfig {
    //标识当前负载均衡器处于哪一个 zone
	private String zone;
	public LoadBalancerZoneConfig(String zone) {
		this.zone = zone;
	}
	public String getZone() {
		return zone;
	}
	public void setZone(String zone) {
		this.zone = zone;
	}
}

如果没有引入 Eureka 相关依赖，则这个 zone 通过 spring.cloud.loadbalancer.zone 配置：
LoadBalancerAutoConfiguration

@Bean
@ConditionalOnMissingBean
public LoadBalancerZoneConfig zoneConfig(Environment environment) {
	return new LoadBalancerZoneConfig(environment.getProperty("spring.cloud.loadbalancer.zone"));
}

如果引入了 Eureka 相关依赖，则如果在 Eureka 元数据配置了 zone，则这个 zone 会覆盖 Spring Cloud LoadBalancer 中的 LoadBalancerZoneConfig：

EurekaLoadBalancerClientConfiguration

@PostConstruct
public void postprocess() {
	if (!StringUtils.isEmpty(zoneConfig.getZone())) {
		return;
	}
	String zone = getZoneFromEureka();
	if (!StringUtils.isEmpty(zone)) {
		if (LOG.isDebugEnabled()) {
			LOG.debug("Setting the value of ‘" + LOADBALANCER_ZONE + "‘ to " + zone);
		}
		//设置 `LoadBalancerZoneConfig`
		zoneConfig.setZone(zone);
	}
}

private String getZoneFromEureka() {
	String zone;
	//是否配置了 spring.cloud.loadbalancer.eureka.approximateZoneFromHostname 为 true
	boolean approximateZoneFromHostname = eurekaLoadBalancerProperties.isApproximateZoneFromHostname();
	//如果配置了，则尝试从 Eureka 配置的 host 名称中提取
    //实际就是以 . 分割 host，然后第二个就是 zone
    //例如 www.zone1.com 就是 zone1
	if (approximateZoneFromHostname && eurekaConfig != null) {
		return ZoneUtils.extractApproximateZone(this.eurekaConfig.getHostName(false));
	}
	else {
	    //否则，从 metadata map 中取 zone 这个 key
		zone = eurekaConfig == null ? null : eurekaConfig.getMetadataMap().get("zone");
		//如果这个 key 不存在，则从配置中以 region 从 zone 列表取第一个 zone 作为当前 zone
		if (StringUtils.isEmpty(zone) && clientConfig != null) {
			String[] zones = clientConfig.getAvailabilityZones(clientConfig.getRegion());
			// Pick the first one from the regions we want to connect to
			zone = zones != null && zones.length > 0 ? zones[0] : null;
		}
		return zone;
	}
}

实现 SameZoneOnlyServiceInstanceListSupplier

为了实现通过 zone 来过滤同一 zone 下的实例，并且绝对不会返回非同一 zone 下的实例，我们来编写代码：

SameZoneOnlyServiceInstanceListSupplier

/**
 * 只返回与当前实例同一个 Zone 的服务实例，不同 zone 之间的服务不互相调用
 */
public class SameZoneOnlyServiceInstanceListSupplier extends DelegatingServiceInstanceListSupplier {
    /**
     * 实例元数据 map 中表示 zone 配置的 key
     */
    private final String ZONE = "zone";
    /**
     * 当前 spring cloud loadbalancer 的 zone 配置
     */
    private final LoadBalancerZoneConfig zoneConfig;
    private String zone;

    public SameZoneOnlyServiceInstanceListSupplier(ServiceInstanceListSupplier delegate, LoadBalancerZoneConfig zoneConfig) {
        super(delegate);
        this.zoneConfig = zoneConfig;
    }

    @Override
    public Flux<List<ServiceInstance>> get() {
        return getDelegate().get().map(this::filteredByZone);
    }

    //通过 zoneConfig 过滤
    private List<ServiceInstance> filteredByZone(List<ServiceInstance> serviceInstances) {
        if (zone == null) {
            zone = zoneConfig.getZone();
        }
        if (zone != null) {
            List<ServiceInstance> filteredInstances = new ArrayList<>();
            for (ServiceInstance serviceInstance : serviceInstances) {
                String instanceZone = getZone(serviceInstance);
                if (zone.equalsIgnoreCase(instanceZone)) {
                    filteredInstances.add(serviceInstance);
                }
            }
            if (filteredInstances.size() > 0) {
                return filteredInstances;
            }
        }
        /**
         * @see ZonePreferenceServiceInstanceListSupplier 在没有相同zone实例的时候返回的是所有实例
         * 我们这里为了实现不同 zone 之间不互相调用需要返回空列表
         */
        return List.of();
    }

    //读取实例的 zone，没有配置则为 null
    private String getZone(ServiceInstance serviceInstance) {
        Map<String, String> metadata = serviceInstance.getMetadata();
        if (metadata != null) {
            return metadata.get(ZONE);
        }
        return null;
    }
}

实现请求与请求之间隔离的负载均衡算法

在之前章节的讲述中，我们提到了我们使用 spring-cloud-sleuth 作为链路追踪库。我们想可以通过其中的 traceId，来区分究竟是否是同一个请求。

RoundRobinWithRequestSeparatedPositionLoadBalancer

//一定必须是实现ReactorServiceInstanceLoadBalancer
//而不是ReactorLoadBalancer<ServiceInstance>
//因为注册的时候是ReactorServiceInstanceLoadBalancer
@Log4j2
public class RoundRobinWithRequestSeparatedPositionLoadBalancer implements ReactorServiceInstanceLoadBalancer {
    private final ServiceInstanceListSupplier serviceInstanceListSupplier;
    //每次请求算上重试不会超过1分钟
    //对于超过1分钟的，这种请求肯定比较重，不应该重试
    private final LoadingCache<Long, AtomicInteger> positionCache = Caffeine.newBuilder().expireAfterWrite(1, TimeUnit.MINUTES)
            //随机初始值，防止每次都是从第一个开始调用
            .build(k -> new AtomicInteger(ThreadLocalRandom.current().nextInt(0, 1000)));
    private final String serviceId;
    private final Tracer tracer;


    public RoundRobinWithRequestSeparatedPositionLoadBalancer(ServiceInstanceListSupplier serviceInstanceListSupplier, String serviceId, Tracer tracer) {
        this.serviceInstanceListSupplier = serviceInstanceListSupplier;
        this.serviceId = serviceId;
        this.tracer = tracer;
    }

    @Override
    public Mono<Response<ServiceInstance>> choose(Request request) {
        return serviceInstanceListSupplier.get().next().map(serviceInstances -> getInstanceResponse(serviceInstances));
    }

    private Response<ServiceInstance> getInstanceResponse(List<ServiceInstance> serviceInstances) {
        if (serviceInstances.isEmpty()) {
            log.warn("No servers available for service: " + this.serviceId);
            return new EmptyResponse();
        }
        return getInstanceResponseByRoundRobin(serviceInstances);
    }

    private Response<ServiceInstance> getInstanceResponseByRoundRobin(List<ServiceInstance> serviceInstances) {
        if (serviceInstances.isEmpty()) {
            log.warn("No servers available for service: " + this.serviceId);
            return new EmptyResponse();
        }
        //为了解决原始算法不同调用并发可能导致一个请求重试相同的实例
        Span currentSpan = tracer.currentSpan();
        if (currentSpan == null) {
            currentSpan = tracer.newTrace();
        }
        long l = currentSpan.context().traceId();
        AtomicInteger seed = positionCache.get(l);
        int s = seed.getAndIncrement();
        int pos = s % serviceInstances.size();
        log.info("position {}, seed: {}, instances count: {}", pos, s, serviceInstances.size());
        return new DefaultResponse(serviceInstances.stream()
                //实例返回列表顺序可能不同，为了保持一致，先排序再取
                .sorted(Comparator.comparing(ServiceInstance::getInstanceId))
                .collect(Collectors.toList()).get(pos));
    }
}

将上述两个元素加入我们自定义的 LoadBalancerClient 并启用

在上一节，我们提到了可以通过 @LoadBalancerClients 注解配置默认的负载均衡器配置，我们这里就是通过这种方式进行配置。首先在 spring.factories 中添加自动配置类：

spring.factories

org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=com.github.hashjang.spring.cloud.iiford.service.common.auto.LoadBalancerAutoConfiguration

然后编写这个自动配置类，其实很简单，就是添加一个 @LoadBalancerClients 注解，设置默认配置类:

LoadBalancerAutoConfiguration

@Configuration(proxyBeanMethods = false)
@LoadBalancerClients(defaultConfiguration = DefaultLoadBalancerConfiguration.class)
public class LoadBalancerAutoConfiguration {
}

编写这个默认配置类，将上面我们实现的两个类，组装进去：

DefaultLoadBalancerConfiguration

@Configuration(proxyBeanMethods = false)
public class DefaultLoadBalancerConfiguration {

    @Bean
    public ServiceInstanceListSupplier serviceInstanceListSupplier(
            DiscoveryClient discoveryClient,
            Environment env,
            ConfigurableApplicationContext context,
            LoadBalancerZoneConfig zoneConfig
    ) {
        ObjectProvider<LoadBalancerCacheManager> cacheManagerProvider = context
                .getBeanProvider(LoadBalancerCacheManager.class);
        return  //开启服务实例缓存
                new CachingServiceInstanceListSupplier(
                        //只能返回同一个 zone 的服务实例
                        new SameZoneOnlyServiceInstanceListSupplier(
                                //启用通过 discoveryClient 的服务发现
                                new DiscoveryClientServiceInstanceListSupplier(
                                        discoveryClient, env
                                ),
                                zoneConfig
                        )
                        , cacheManagerProvider.getIfAvailable()
                );
    }

    @Bean
    public ReactorLoadBalancer<ServiceInstance> reactorServiceInstanceLoadBalancer(
            Environment environment,
            ServiceInstanceListSupplier serviceInstanceListSupplier,
            Tracer tracer
    ) {
        String name = environment.getProperty(LoadBalancerClientFactory.PROPERTY_NAME);
        return new RoundRobinWithRequestSeparatedPositionLoadBalancer(
                serviceInstanceListSupplier,
                name,
                tracer
        );
    }
}

这样，我们就实现了自定义的负载均衡器。也理解了 Spring Cloud LoadBalancer 的使用。接下来，我们来单元测试下这些功能。集成测试后面会有单独的章节，不用着急。

单元测试上述功能

通过这届单元测试，我们也可以了解下一般我们实现 spring cloud 自定义的基础组件，怎么去单元测试。

这里的单元测试主要测试三个场景：

  1. 只返回同一个 zone 下的实例，其他 zone 的不会返回
  2. 对于多个请求，每个请求返回的与上次的实例不同。
  3. 对于多线程的每个请求，如果重试，返回的都是不同的实例

编写代码：
LoadBalancerTest

//SpringRunner也包含了MockitoJUnitRunner，所以 @Mock 等注解也生效了
@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest(properties = {LoadBalancerEurekaAutoConfiguration.LOADBALANCER_ZONE + "=zone1"})
public class LoadBalancerTest {

    @EnableAutoConfiguration(exclude = EurekaDiscoveryClientConfiguration.class)
    @Configuration
    public static class App {
        @Bean
        public DiscoveryClient discoveryClient() {
            ServiceInstance zone1Instance1 = Mockito.mock(ServiceInstance.class);
            ServiceInstance zone1Instance2 = Mockito.mock(ServiceInstance.class);
            ServiceInstance zone2Instance3 = Mockito.mock(ServiceInstance.class);
            Map<String, String> zone1 = Map.ofEntries(
                    Map.entry("zone", "zone1")
            );
            Map<String, String> zone2 = Map.ofEntries(
                    Map.entry("zone", "zone2")
            );
            when(zone1Instance1.getMetadata()).thenReturn(zone1);
            when(zone1Instance1.getInstanceId()).thenReturn("instance1");
            when(zone1Instance2.getMetadata()).thenReturn(zone1);
            when(zone1Instance2.getInstanceId()).thenReturn("instance2");
            when(zone2Instance3.getMetadata()).thenReturn(zone2);
            when(zone2Instance3.getInstanceId()).thenReturn("instance3");
            DiscoveryClient mock = Mockito.mock(DiscoveryClient.class);
            Mockito.when(mock.getInstances("testService"))
                    .thenReturn(List.of(zone1Instance1, zone1Instance2, zone2Instance3));
            return mock;
        }
    }

    @Autowired
    private LoadBalancerClientFactory loadBalancerClientFactory;
    @Autowired
    private Tracer tracer;

    /**
     * 只返回同一个 zone 下的实例
     */
    @Test
    public void testFilteredByZone() {
        ReactiveLoadBalancer<ServiceInstance> testService =
                loadBalancerClientFactory.getInstance("testService");
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            ServiceInstance server = Mono.from(testService.choose()).block().getServer();
            //必须处于和当前实例同一个zone下
            Assert.assertEquals(server.getMetadata().get("zone"), "zone1");
        }
    }

    /**
     * 返回不同的实例
     */
    @Test
    public void testReturnNext() {
        ReactiveLoadBalancer<ServiceInstance> testService =
                loadBalancerClientFactory.getInstance("testService");
        //获取服务实例
        ServiceInstance server1 = Mono.from(testService.choose()).block().getServer();
        ServiceInstance server2 = Mono.from(testService.choose()).block().getServer();
        //每次选择的是不同实例
        Assert.assertNotEquals(server1.getInstanceId(), server2.getInstanceId());
    }

    /**
     * 跨线程，默认情况下是可能返回同一实例的，在我们的实现下，保持
     * span 则会返回下一个实例，这样保证多线程环境同一个 request 重试会返回下一实例
     * @throws Exception
     */
    @Test
    public void testSameSpanReturnNext() throws Exception {
        Span span = tracer.nextSpan();
        //测试 100 次
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try (Tracer.SpanInScope cleared = tracer.withSpanInScope(span)) {
                ReactiveLoadBalancer<ServiceInstance> testService =
                        loadBalancerClientFactory.getInstance("testService");
                //获取实例
                ServiceInstance server1 = Mono.from(testService.choose()).block().getServer();
                AtomicReference<ServiceInstance> server2 = new AtomicReference<>();
                Thread thread = new Thread(() -> {
                    //保持 trace，这样就会认为仍然是同一个请求上下文，这样模拟重试
                    try (Tracer.SpanInScope cleared2 = tracer.withSpanInScope(span)) {
                        server2.set(Mono.from(testService.choose()).block().getServer());
                    }
                });
                thread.start();
                thread.join();
                System.out.println(i);
                Assert.assertNotEquals(server1.getInstanceId(), server2.get().getInstanceId());
            }
        }
    }
}

运行测试，测试通过。

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