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Spring Cloud Gateway的断路器(CircuitBreaker)功能

Spring Cloud Gateway的断路器(CircuitBreaker)功能

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https://github.com/zq2599/blog_demos

内容：所有原创文章分类汇总及配套源码，涉及Java、Docker、Kubernetes、DevOPS等；

本篇概览

  • 一起深入了解Spring Cloud Gateway的断路器(CircuitBreaker)功能：
  1. 先聊聊理论
  2. 再结合官方和大神的信息确定技术栈
  3. 再动手开发，先实现再验证
  4. 再趁热打铁，看看它的源码
  5. 最后，回顾一下有哪些不足（下一篇文章解决这些不足）

关于断路器(CircuitBreaker)

  • 下图来自resilience4j官方文档，介绍了什么是断路器：

在这里插入图片描述

  1. CLOSED状态时，请求正常放行
  2. 请求失败率达到设定阈值时，变为OPEN状态，此时请求全部不放行
  3. OPEN状态持续设定时间后，进入半开状态（HALE_OPEN），放过部分请求
  4. 半开状态下，失败率低于设定阈值，就进入CLOSE状态，即全部放行
  5. 半开状态下，失败率高于设定阈值，就进入OPEN状态，即全部不放行

确认概念

  • 有个概念先确认一下，即Spring Cloud断路器与Spring Cloud Gateway断路器功能不是同一个概念，Spring Cloud Gateway断路器功能还涉及过滤器，即在过滤器的规则下使用断路器：

在这里插入图片描述

  • 本篇的重点是Spring Cloud Gateway如何配置和使用断路器（CircuitBreaker），因此不会讨论Resilience4J的细节，如果您想深入了解Resilience4J，推荐资料是Spring Cloud Circuit Breaker

关于Spring Cloud断路器

  • 先看Spring Cloud断路器，如下图，Hystrix、Sentinel这些都是熟悉的概念：

在这里插入图片描述

关于Spring Cloud Gateway的断路器功能

  • 来看Spring Cloud Gateway的官方文档，如下图，有几个关键点稍后介绍：

在这里插入图片描述

  • 上图透露了几个关键信息：
  1. Spring Cloud Gateway内置了断路器filter，
  2. 具体做法是使用Spring Cloud断路器的API，将gateway的路由逻辑封装到断路器中
  3. 有多个断路器的库都可以用在Spring Cloud Gateway（遗憾的是没有列举是哪些）
  4. Resilience4J对Spring Cloud 来说是开箱即用的

  • 简单来说Spring Cloud Gateway的断路器功能是通过内置filter实现的，这个filter使用了Spring Cloud断路器；

  • 官方说多个断路器的库都可以用在Spring Cloud Gateway，但是并没有说具体是哪些，这就郁闷了，此时咱们去了解一位牛人的观点：Piotr Mińkowski，就是下面这本书的作者：

在这里插入图片描述

  • Piotr Mińkowski的博客对Spring Cloud Gateway的断路器功能做了详细介绍，如下图，有几个重要信息稍后会提到：

在这里插入图片描述

  • 上图可以get到三个关键信息：
  1. 从2.2.1版本起，Spring Cloud Gateway集成了Resilience4J的断路器实现
  2. Netflix的Hystrix进入了维护阶段（能理解为即将退休吗？）
  3. Netflix的Hystrix依然可用，但是已废弃(deprecated)，而且Spring Cloud将来的版本可能会不支持
  • 再关联到官方文档也以resilience4为例（如下图），胆小的我似乎没有别的选择了，就Resilience4J吧：

在这里插入图片描述

  • 理论分析就到此吧，接下来开始实战，具体的步骤如下：
  1. 准备工作：服务提供者新增一个web接口/account/{id}，根据入参的不同，该接口可以立即返回或者延时500毫秒返回
  2. 新增名为circuitbreaker-gateway的子工程，这是个带有断路器功能的Spring Cloud Gateway应用
  3. 在circuitbreaker-gateway里面编写单元测试代码，用来验证断路器是否正常
  4. 运行单元测试代码，观察断路器是否生效
  5. 给断路器添加fallback并验证是否生效
  6. 做一次简单的源码分析，一为想深入了解断路器的同学捋清楚源码路径，二为检验自己以前了解的springboot知识在阅读源码时有么有帮助

源码下载

  • 本篇实战中的完整源码可在GitHub下载到，地址和链接信息如下表所示(https://github.com/zq2599/blog_demos)：
名称 链接 备注
项目主页 https://github.com/zq2599/blog_demos 该项目在GitHub上的主页
git仓库地址(https) https://github.com/zq2599/blog_demos.git 该项目源码的仓库地址，https协议
git仓库地址(ssh) git@github.com:zq2599/blog_demos.git 该项目源码的仓库地址，ssh协议
  • 这个git项目中有多个文件夹，本篇的源码在spring-cloud-tutorials文件夹下，如下图红框所示：

在这里插入图片描述

  • spring-cloud-tutorials文件夹下有多个子工程，本篇的代码是circuitbreaker-gateway，如下图红框所示：

在这里插入图片描述

准备工作

  • 咱们要准备一个可控的web接口，通过参数控制它成功或者失败，这样才能触发断路器

  • 本篇的实战中，服务提供者依旧是provider-hello，为了满足本次实战的需求，咱们在Hello.java文件中增加一个web接口，对应的源码如下：

    @RequestMapping(value = "/account/{id}", method = RequestMethod.GET)
    public String account(@PathVariable("id") int id) throws InterruptedException {
        if(1==id) {
            Thread.sleep(500);
        }

        return Constants.ACCOUNT_PREFIX + dateStr();
    }

  • 上述代码很简单：就是接收id参数，如果等于1就延时五百毫秒，不等于1就立即返回

  • 如果把断路器设置为超过两百毫秒就算失败，那么通过控制id参数的值，咱们就能模拟请求成功或者失败了，这是验证断路器功能的关键

  • 准备完成，开始写代码

实战

  • 在父工程spring-cloud-tutorials下面新增子工程circuitbreaker-gateway

  • 增加以下依赖

<dependency>
	<groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-circuitbreaker-reactor-resilience4j</artifactId>
</dependency>
  • 配置文件application.yml如下：
server:
  #服务端口
  port: 8081
spring:
  application:
    name: circuitbreaker-gateway
  cloud:
    gateway:
      routes:
        - id: path_route
          uri: http://127.0.0.1:8082
          predicates:
            - Path=/hello/**
          filters:
            - name: CircuitBreaker
              args:
                name: myCircuitBreaker
  • 启动类：
package com.bolingcavalry.circuitbreakergateway;

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

@SpringBootApplication
public class CircuitbreakerApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(CircuitbreakerApplication.class,args);
    }
}
  • 配置类如下，这是断路器相关的参数配置：
package com.bolingcavalry.circuitbreakergateway.config;

import io.github.resilience4j.circuitbreaker.CircuitBreakerConfig;
import io.github.resilience4j.timelimiter.TimeLimiterConfig;
import org.springframework.cloud.circuitbreaker.resilience4j.ReactiveResilience4JCircuitBreakerFactory;
import org.springframework.cloud.circuitbreaker.resilience4j.Resilience4JConfigBuilder;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import java.time.Duration;

@Configuration
public class CustomizeCircuitBreakerConfig {

    @Bean
    public ReactiveResilience4JCircuitBreakerFactory defaultCustomizer() {

        CircuitBreakerConfig circuitBreakerConfig = CircuitBreakerConfig.custom() //
                .slidingWindowType(CircuitBreakerConfig.SlidingWindowType.TIME_BASED) // 滑动窗口的类型为时间窗口
                .slidingWindowSize(10) // 时间窗口的大小为60秒
                .minimumNumberOfCalls(5) // 在单位时间窗口内最少需要5次调用才能开始进行统计计算
                .failureRateThreshold(50) // 在单位时间窗口内调用失败率达到50%后会启动断路器
                .enableAutomaticTransitionFromOpenToHalfOpen() // 允许断路器自动由打开状态转换为半开状态
                .permittedNumberOfCallsInHalfOpenState(5) // 在半开状态下允许进行正常调用的次数
                .waitDurationInOpenState(Duration.ofSeconds(5)) // 断路器打开状态转换为半开状态需要等待60秒
                .recordExceptions(Throwable.class) // 所有异常都当作失败来处理
                .build();

        ReactiveResilience4JCircuitBreakerFactory factory = new ReactiveResilience4JCircuitBreakerFactory();
        factory.configureDefault(id -> new Resilience4JConfigBuilder(id)
                .timeLimiterConfig(TimeLimiterConfig.custom().timeoutDuration(Duration.ofMillis(200)).build())
                .circuitBreakerConfig(circuitBreakerConfig).build());

        return factory;
    }
}

  • 上述代码有一次需要注意：timeLimiterConfig方法设置了超时时间，服务提供者如果超过200毫秒没有响应，Spring Cloud Gateway就会向调用者返回失败

  • 开发完成了，接下来要考虑的是如何验证

单元测试类

  • 为了验证Spring Cloud Gateway的断路器功能，咱们可以用Junit单元测试来精确控制请求参数和请求次数，测试类如下，可见测试类会连续发一百次请求，在前五十次中，请求参数始终在0和1之间切换，参数等于1的时候，接口会有500毫秒延时，超过了Spring Cloud Gateway的200毫秒超时限制，这时候就会返回失败，等失败多了，就会触发断路器的断开：
package com.bolingcavalry.circuitbreakergateway;

import io.github.resilience4j.circuitbreaker.CircuitBreaker;
import org.junit.jupiter.api.RepeatedTest;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.junit.jupiter.api.extension.ExtendWith;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.test.autoconfigure.web.reactive.AutoConfigureWebTestClient;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;
import org.springframework.http.MediaType;
import org.springframework.test.context.junit.jupiter.SpringExtension;
import org.springframework.test.web.reactive.server.WebTestClient;

@SpringBootTest
@ExtendWith(SpringExtension.class)
@AutoConfigureWebTestClient
public class CircuitbreakerTest {

    // 测试的总次数
    private static int i=0;

    @Autowired
    private WebTestClient webClient;

    @Test
    @RepeatedTest(100)
    void testHelloPredicates() throws InterruptedException {
        // 低于50次时，gen在0和1之间切换，也就是一次正常一次超时，
        // 超过50次时，gen固定为0，此时每个请求都不会超时
        int gen = (i<50) ? (i % 2) : 0;

        // 次数加一
        i++;

        final String tag = "[" + i + "]";

        // 发起web请求
        webClient.get()
                .uri("/hello/account/" + gen)
                .accept(MediaType.APPLICATION_JSON)
                .exchange()
                .expectBody(String.class).consumeWith(result  -> System.out.println(tag + result.getRawStatusCode() + " - " + result.getResponseBody()));

        Thread.sleep(1000);
    }
}

验证

  • 启动nacos（服务提供者依赖的）

  • 启动子工程provider-hello

  • 运行咱们刚才开发的单元测试类，控制台输入的内容截取部分如下，稍后会有分析：

[2]504 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:42.920+00:00","path":"/hello/account/1","status":504,"error":"Gateway Timeout","message":"","requestId":"594efed1"}
[3]200 - Account2021-08-28 10:55:43
[4]504 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:45.177+00:00","path":"/hello/account/1","status":504,"error":"Gateway Timeout","message":"","requestId":"427720b"}
[5]200 - Account2021-08-28 10:55:46
[6]503 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:47.227+00:00","path":"/hello/account/1","status":503,"error":"Service Unavailable","message":"","requestId":"6595d7f4"}
[7]503 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:48.250+00:00","path":"/hello/account/0","status":503,"error":"Service Unavailable","message":"","requestId":"169ae1c"}
[8]503 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:49.259+00:00","path":"/hello/account/1","status":503,"error":"Service Unavailable","message":"","requestId":"53b695a1"}
[9]503 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:50.269+00:00","path":"/hello/account/0","status":503,"error":"Service Unavailable","message":"","requestId":"4a072f52"}
[10]504 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:51.499+00:00","path":"/hello/account/1","status":504,"error":"Gateway Timeout","message":"","requestId":"4bdd96c4"}
[11]200 - Account2021-08-28 10:55:52
[12]504 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:53.745+00:00","path":"/hello/account/1","status":504,"error":"Gateway Timeout","message":"","requestId":"4e0e7eab"}
[13]200 - Account2021-08-28 10:55:54
[14]504 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:56.013+00:00","path":"/hello/account/1","status":504,"error":"Gateway Timeout","message":"","requestId":"27685405"}
[15]503 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:57.035+00:00","path":"/hello/account/0","status":503,"error":"Service Unavailable","message":"","requestId":"3e40c5db"}
[16]503 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:58.053+00:00","path":"/hello/account/1","status":503,"error":"Service Unavailable","message":"","requestId":"2bf2698b"}
[17]503 - {"timestamp":"2021-08-28T02:55:59.075+00:00","path":"/hello/account/0","status":503,"error":"Service Unavailable","message":"","requestId":"38cb1840"}
[18]503 - {"timestamp":"2021-08-28T02:56:00.091+00:00","path":"/hello/account/1","status":503,"error":"Service Unavailable","message":"","requestId":"21586fa"}
[19]200 - Account2021-08-28 10:56:01
[20]504 - {"timestamp":"2021-08-28T02:56:02.325+00:00","path":"/hello/account/1","status":504,"error":"Gateway Timeout","message":"","requestId":"4014d6d4"}
[21]200 - Account2021-08-28 10:56:03
[22]504 - {"timestamp":"2021-08-28T02:56:04.557+00:00","path":"/hello/account/1","status":504,"error":"Gateway Timeout","message":"","requestId":"173a3b9d"}
[23]200 - Account2021-08-28 10:56:05
[24]504 - {"timestamp":"2021-08-28T02:56:06.811+00:00","path":"/hello/account/1","status":504,"error":"Gateway Timeout","message":"","requestId":"aa8761f"}
[25]200 - Account2021-08-28 10:56:07
[26]504 - {"timestamp":"2021-08-28T02:56:09.057+00:00","path":"/hello/account/1","status":504,"error":"Gateway Timeout","message":"","requestId":"769bfefc"}
[27]200 - Account2021-08-28 10:56:10
[28]504 - {"timestamp":"2021-08-28T02:56:11.314+00:00","path":"/hello/account/1","status":504,"error":"Gateway Timeout","message":"","requestId":"2fbcb6c0"}
[29]503 - {"timestamp":"2021-08-28T02:56:12.332+00:00","path":"/hello/account/0","status":503,"error":"Service Unavailable","message":"","requestId":"58e4e70f"}
[30]503 - {"timestamp":"2021-08-28T02:56:13.342+00:00","path":"/hello/account/1","status":503,"error":"Service Unavailable","message":"","requestId":"367651c5"}
  • 分析上述输出的返回码：
  1. 504是超时返回的错误，200是服务提供者的正常返回
  2. 504和200两种返回码都表示请求到达了服务提供者，所以此时断路器是关闭状态
  3. 多次504错误后，达到了配置的门限，触发断路器开启
  4. 连续出现的503就是断路器开启后的返回码，此时请求是无法到达服务提供者的
  5. 连续的503之后，504和200再次交替出现，证明此时进入半开状态，然后504再次达到门限触发断路器从半开转为开启，五十次之后，由于不在发送超时请求，断路器进入关闭状态

fallback

  • 通过上述测试可见，Spring Cloud Gateway通过返回码来告知调用者错误信息，这种方式不够友好，我们可以自定义fallback，在返回错误时由它来构建返回信息

  • 再开发一个web接口，没错，就是在circuitbreaker-gateway工程中添加一个web接口：

package com.bolingcavalry.circuitbreakergateway.controller;

import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

@RestController
public class Fallback {

    private String dateStr(){
        return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss").format(new Date());
    }

    /**
     * 返回字符串类型
     * @return
     */
    @GetMapping("/myfallback")
    public String helloStr() {
        return "myfallback, " + dateStr();
    }
}
  • application.yml配置如下，可见是给filter增加了fallbackUri属性：
server:
  #服务端口
  port: 8081
spring:
  application:
    name: circuitbreaker-gateway
  cloud:
    gateway:
      routes:
        - id: path_route
          uri: http://127.0.0.1:8082
          predicates:
            - Path=/hello/**
          filters:
            - name: CircuitBreaker
              args:
                name: myCircuitBreaker
                fallbackUri: forward:/myfallback
  • 再运行单元测试，可见返回码全部是200，原来的错误现在全部变成了刚才新增的接口的返回内容：
[2]200 - myfallback, 2021-08-28 11:15:02
[3]200 - Account2021-08-28 11:15:03
[4]200 - myfallback, 2021-08-28 11:15:04
[5]200 - Account2021-08-28 11:15:05
[6]200 - myfallback, 2021-08-28 11:15:06
[7]200 - myfallback, 2021-08-28 11:15:08
[8]200 - myfallback, 2021-08-28 11:15:09
[9]200 - myfallback, 2021-08-28 11:15:10
[10]200 - myfallback, 2021-08-28 11:15:11
[11]200 - Account2021-08-28 11:15:12
[12]200 - myfallback, 2021-08-28 11:15:13
[13]200 - Account2021-08-28 11:15:14
[14]200 - myfallback, 2021-08-28 11:15:15
  • 至此，咱们已完成了Spring Cloud Gateway的断路器功能的开发和测试，如果聪明好学的您并不满足这寥寥几行配置和代码，想要深入了解断路器的内部，那么请您接往下看，咱们聊聊它的源码；

源码分析

  • RouteDefinitionRouteLocator的构造方法（bean注入）中有如下代码，将name和实例绑定：
gatewayFilterFactories.forEach(factory -> this.gatewayFilterFactories.put(factory.name(), factory));

  • 然后会在loadGatewayFilters方法中使用这个map，找到上面put的bean；

  • 最终的效果：路由配置中指定了name等于CircuitBreaker，即可对应SpringCloudCircuitBreakerFilterFactory类型的bean，因为它的name方法返回了”CircuitBreaker”，如下图：

在这里插入图片描述

  • 现在的问题：SpringCloudCircuitBreakerFilterFactory类型的bean是什么？如下图红框，SpringCloudCircuitBreakerResilience4JFilterFactory是SpringCloudCircuitBreakerFilterFactory唯一的子类：

在这里插入图片描述

  • 从上图来看，CircuitBreaker类型的filter应该是SpringCloudCircuitBreakerResilience4JFilterFactory，不过那只是从继承关系推断出来的，还差一个关键证据：在spring中，到底存不存在SpringCloudCircuitBreakerResilience4JFilterFactory类型的bean？

  • 最终发现了GatewayResilience4JCircuitBreakerAutoConfiguration中的配置，可以证明SpringCloudCircuitBreakerResilience4JFilterFactory会被实例化并注册到spring：

@Bean
	@ConditionalOnBean(ReactiveResilience4JCircuitBreakerFactory.class)
	@ConditionalOnEnabledFilter
	public SpringCloudCircuitBreakerResilience4JFilterFactory springCloudCircuitBreakerResilience4JFilterFactory(
			ReactiveResilience4JCircuitBreakerFactory reactiveCircuitBreakerFactory,
			ObjectProvider<DispatcherHandler> dispatcherHandler) {
		return new SpringCloudCircuitBreakerResilience4JFilterFactory(reactiveCircuitBreakerFactory, dispatcherHandler);
	}

  • 综上所述，当您配置了CircuitBreaker过滤器时，实际上是SpringCloudCircuitBreakerResilience4JFilterFactory类在为您服务，而关键代码都集中在其父类SpringCloudCircuitBreakerFilterFactory中；

  • 所以，要想深入了解Spring Cloud Gateway的断路器功能，请阅读SpringCloudCircuitBreakerFilterFactory.apply方法

一点遗憾

  • 还记得刚才分析控制台输出的那段内容吗？就是下图红框中的那段，当时咱们用返回码来推测断路器处于什么状态：

在这里插入图片描述

  • 相信您在看这段纯文字时，对欣宸的分析还是存在疑惑的，根据返回码就把断路器的状态确定了？例如504的时候到底是关闭还是半开呢？都有可能吧，所以，这种推测只能证明断路器正在工作，但是无法确定某个时刻具体的状态

  • 所以，咱们需要一种更准确的方式知道每个时刻断路器的状态，这样才算对断路器有了深刻了解

  • 接下来的文章中，咱们在今天的成果上更进一步，在请求中把断路器状态打印出来，那就…敬请期待吧，欣宸原创，从未让您失望；

你不孤单，欣宸原创一路相伴

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