SpringCloud升级之路2020.0.x版-41. SpringCloudGateway 基本流程讲解

Posted 2021-12-02 干货满满张哈希

本系列代码地址：​​https://github.com/JoJoTec/spring-cloud-parent​​

我们继续分析上一节提到的 ​​WebHandler​​。加入 Spring Cloud Sleuth 以及 Prometheus 相关依赖之后， Spring Cloud Gateway 的处理流程如下所示：

Spring Cloud Gateway 入口 -> WebFlux 的 DefaultWebFilterChain

Spring Cloud Gateway 是基于 Spring WebFlux 开发的异步响应式网关，异步响应式代码比较难以理解和阅读，我这里给大家分享一种方法去理解，通过这个流程来理解 Spring Cloud Gateway 的工作流程以及底层原理。其实可以理解为，上图这个流程，就是拼出来一个完整的 Mono（或者 Flux）流，最后 subscribe 执行。

当收到一个请求的时候，会经过 ​​org.springframework.web.server.handler.DefaultWebFilterChain​​，这是 WebFilter 的调用链，这个链路包括三个 WebFilter：

• ​​org.springframework.boot.actuate.metrics.web.reactive.server.MetricsWebFilter​​：添加 Prometheus 相关依赖之后，会有这个 MetricsWebFilter，用于记录请求处理耗时，采集相关指标。
• ​​org.springframework.cloud.sleuth.instrument.web.TraceWebFilter​​：添加 Spring Cloud Sleuth 相关依赖之后，会有这个 TraceWebFilter。
• ​​org.springframework.cloud.gateway.handler.predicate.WeightCalculatorWebFilter​​：Spring Cloud Gateway 路由权重相关配置功能相关实现类，这个我们这里不关心。

在这个 ​​DefaultWebFilterChain​​ 会形成这样一个 Mono，我们依次将他们标记出来，首先是入口代码 ​​org.springframework.web.server.handler.DefaultWebFilterChain#filter​​：

public Mono<Void> filter(ServerWebExchange exchange) {
  return Mono.defer(() ->
          // this.currentFilter != null 代表 WebFilter 链还没有结束
          // this.chain != null 代表 WebFilter 链不为空
      this.currentFilter != null && this.chain != null ?
          //在 WebFilter 链没有结束的情况下，调用 WebFilter
          invokeFilter(this.currentFilter, this.chain, exchange) :
          //在 WebFilter 结束的情况下，调用 handler 
          this.handler.handle(exchange));
}

对于我们这里的 WebFilter 链的第一个 ​​MetricsWebFilter​​,假设启用了对应的采集统计的话，这时候生成的 Mono 就是：

return Mono.defer(() ->
  chain.filter(exchange).transformDeferred((call) -> {
    long start = System.nanoTime();
    return call
        //成功时，记录响应时间
        .doOnSuccess((done) -> MetricsWebFilter.this.onSuccess(exchange, start))
        //失败时，记录响应时间和异常
        .doOnError((cause) -> MetricsWebFilter.this.onError(exchange, start, cause));
  });
);

这里为了方便，我们对代码做了简化，由于我们要将整个链路的所有 Mono 和 Flux 拼接在一起行程完整链路，所以原本是 ​​MetricsWebFilter​​中的 ​​onSuccess(exchange, start)​​方法，被改成了 ​​MetricsWebFilter.this.onSuccess(exchange, start)​​ 这种伪代码。

接着，根据​​DefaultWebFilterChain​​ 的源码分析，​​chain.filter(exchange)​​ 会继续 WebFilter 链路，到达下一个 WebFilter，即 ​​TraceWebFilter​​。经过 ​​TraceWebFilter​​，Mono 就会变成：

return Mono.defer(() ->
  new MonoWebFilterTrace(source, chain.filter(exchange), TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
    //MetricsWebFilter 相关的处理，在前面的代码中给出了，这里省略
  });
);

可以看出，在 ​​TraceWebFilter​​ 中，整个内部 Mono (​​chain.filter(exchange)​​ 后续的结果)都被封装成了一个 ​​MonoWebFilterTrace​​，这也是保持链路追踪信息的关键实现。

继续 WebFilter 链路，经过最后一个 WebFilter ​​WeightCalculatorWebFilter​​; 这个 WebFilter 我们不关心，里面对路由权重做了一些计算操作，我们这里直接忽略即可。这样我们就走完了所有 WebFilter 链路，来到了最后的调用 ​​DefaultWebFilterChain.this.handler​​，这个 handler 就是 ​​org.springframework.web.reactive.DispatcherHandler​​。在 DispatcherHandler 中，我们会计算出路由并发送请求到符合条件的 GatewayFilter。经过 DispatcherHandler，Mono 会变成：

return Mono.defer(() ->
  new MonoWebFilterTrace(source, 
    Flux.fromIterable(DispatcherHandler.this.handlerMappings) //读取所有的 handlerMappings
      .concatMap(mapping -> mapping.getHandler(exchange)) //按顺序调用所有的 handlerMappings 的 getHandler 方法，如果有对应的 Handler 会返回，否则返回 Mono.empty();
      .next() //找到第一个返回不是 Mono.empty() 的 Handler
      .switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果没有返回不为 Mono.empty() 的 handlerMapping，则直接返回 404
      .flatMap(handler -> DispatcherHandler.this.invokeHandler(exchange, handler)) //调用对应的 Handler
      .flatMap(result -> DispatcherHandler.this.handleResult(exchange, result)), //处理结果
  TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
    //MetricsWebFilter 相关的处理，在前面的代码中给出了，这里省略
  });
);

handlerMappings 包括：

• ​​org.springframework.boot.actuate.endpoint.web.reactive.WebFluxEndPointHandlerMapping​​：由于我们项目中添加了 Actuator 相关依赖，所以这里有这个 HandlerMapping。Actuator 相关路径映射，不是我们这里关心的。但是可以看出，Actuator 相关路径优先于 Spring Cloud Gateway 配置路由
• ​​org.springframework.boot.actuate.endpoint.web.reactive.ControllerEndpointHandlerMapping​​：由于我们项目中添加了 Actuator 相关依赖，所以这里有这个 HandlerMapping。使用 @ControllerEndpoint 或者 @RestControllerEndpoint 注解标注的 Actuator 相关路径映射，不是我们这里关心的。
• ​​org.springframework.web.reactive.function.server.support.RouterFunctionMapping​​：在 Spring-WebFlux 中，你可以定义很多不同的 RouterFunction 来控制路径路由，但这也不是我们这里关心的。但是可以看出，自定义的 RouterFunction 会优先于 Spring Cloud Gateway 配置路由
• ​​org.springframework.web.reactive.result.method.annotation.RequestMappingHandlerMapping​​：针对 @RequestMapping 注解的路径的 HandlerMapping，不是我们这里关心的。但是可以看出，如果你在 Spring Cloud Gateway 中指定 RequestMapping 路径，会优先于 Spring Cloud Gateway 配置路由。
• ​​org.springframework.cloud.gateway.handler.RoutePredicateHandlerMapping​​：这个是 Spring Cloud Gateway 的 HandlerMapping，会读取 Spring Cloud Gateway 配置并生成路由。这个是我们这里要详细分析的。

其实这些 handlerMappings，我们这里肯定走的是 ​​RoutePredicateHandlerMapping​​ 的相关逻辑，所以我们的 Mono 又可以简化成：

return Mono.defer(() ->
  new MonoWebFilterTrace(source, 
    RoutePredicateHandlerMapping.this.getHandler(exchange)
      .switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果没有返回不为 Mono.empty() 的 handlerMapping，则直接返回 404
      .flatMap(handler -> DispatcherHandler.this.invokeHandler(exchange, handler)) //调用对应的 Handler
      .flatMap(result -> DispatcherHandler.this.handleResult(exchange, result)), //处理结果
  TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
    //MetricsWebFilter 相关的处理，在前面的代码中给出了，这里省略
  });
);

我们来看 ​​RoutePredicateHandlerMapping​​，首先这些 handlerMapping 都是继承了抽象类 ​​org.springframework.web.reactive.handler.AbstractHandlerMapping​​, 前面我们拼接的 Mono 里面的 getHandler 的实现其实就在这个抽象类中：

public Mono<Object> getHandler(ServerWebExchange exchange) {
  //调用抽象方法 getHandlerInternal 获取真正的 Handler
  return getHandlerInternal(exchange).map(handler -> {
    //这里针对 handler 做一些日志记录
    if (logger.isDebugEnabled()) {
      logger.debug(exchange.getLogPrefix() + "Mapped to " + handler);
    }
    // 跨域处理
    ServerHttpRequest request = exchange.getRequest();
    if (hasCorsConfigurationSource(handler) || CorsUtils.isPreFlightRequest(request)) {
      CorsConfiguration config = (this.corsConfigurationSource != null ?
          this.corsConfigurationSource.getCorsConfiguration(exchange) : null);
      CorsConfiguration handlerConfig = getCorsConfiguration(handler, exchange);
      config = (config != null ? config.combine(handlerConfig) : handlerConfig);
      if (config != null) {
        config.validateAllowCredentials();
      }
      if (!this.corsProcessor.process(config, exchange) || CorsUtils.isPreFlightRequest(request)) {
        return NO_OP_HANDLER;
      }
    }
    return handler;
  });
}

可以看出，其实核心就是每个实现类的 ​​getHandlerInternal(exchange)​​方法，所以在我们拼接的 Mono 中，我们会忽略抽象类中的针对 handler 之后的 map 处理。

return Mono.defer(() ->
  new MonoWebFilterTrace(source, 
    RoutePredicateHandlerMapping.this.getHandlerInternal(exchange)
      .switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果没有返回不为 Mono.empty() 的 handlerMapping，则直接返回 404
      .flatMap(handler -> DispatcherHandler.this.invokeHandler(exchange, handler)) //调用对应的 Handler
      .flatMap(result -> DispatcherHandler.this.handleResult(exchange, result)), //处理结果
  TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
    //MetricsWebFilter 相关的处理，在前面的代码中给出了，这里省略
  });
);

接下来经过 ​​RoutePredicateHandlerMapping​​ 的 ​​getHandlerInternal(exchange)​​ 方法，我们的 Mono 变成了：

return Mono.defer(() ->
  new MonoWebFilterTrace(source, 
    RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange) //根据请求寻找路由
        .flatMap((Function<Route, Mono<?>>) r -> {
          exchange.getAttributes().put(GATEWAY_ROUTE_ATTR, r); //将路由放入 Attributes 中，后面我们还会用到
          return Mono.just(RoutePredicateHandlerMapping.this.webHandler); //返回 RoutePredicateHandlerMapping 的 FilteringWebHandler
        }).switchIfEmpty( //如果为 Mono.empty()，也就是没找到路由
          Mono.empty() //返回 Mono.empty()
          .then(Mono.fromRunnable(() -> { //返回 Mono.empty() 之后，记录日志
            if (logger.isTraceEnabled()) {
              logger.trace("No RouteDefinition found for [" + getExchangeDesc(exchange) + "]");
          }
        })))
      .switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果没有返回不为 Mono.empty() 的 handlerMapping，则直接返回 404
      .flatMap(handler -> DispatcherHandler.this.invokeHandler(exchange, handler)) //调用对应的 Handler
      .flatMap(result -> DispatcherHandler.this.handleResult(exchange, result)), //处理结果
  TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
    //MetricsWebFilter 相关的处理，在前面的代码中给出了，这里省略
  });
);

​​RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange)​​ 根据请求寻找路由，这个我们就不详细展开了，其实就是根据你的 Spring Cloud Gateway 配置，找到合适的路由。接下来我们来看调用对应的 Handler，即 FilteringWebHandler。​​DispatcherHandler.this.invokeHandler(exchange, handler)​​ 我们这里也不详细展开，我们知道其实就是调用 Handler 的 handle 方法，即 FilteringWebHandler 的 handle 方法，所以 我们的 Mono 变成了：

return Mono.defer(() ->
  new MonoWebFilterTrace(source, 
    RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange) //根据请求寻找路由
        .flatMap((Function<Route, Mono<?>>) r -> {
          exchange.getAttributes().put(GATEWAY_ROUTE_ATTR, r); //将路由放入 Attributes 中，后面我们还会用到
          return Mono.just(RoutePredicateHandlerMapping.this.webHandler); //返回 RoutePredicateHandlerMapping 的 FilteringWebHandler
        }).switchIfEmpty( //如果为 Mono.empty()，也就是没找到路由
          Mono.empty() 
          .then(Mono.fromRunnable(() -> { //返回 Mono.empty() 之后，记录日志
            if (logger.isTraceEnabled()) {
              logger.trace("No RouteDefinition found for [" + getExchangeDesc(exchange) + "]");
          }
        })))
      .switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果没有返回不为 Mono.empty() 的 handlerMapping，则直接返回 404
      .then(FilteringWebHandler.this.handle(exchange).then(Mono.empty())) //调用对应的 Handler
      .flatMap(result -> DispatcherHandler.this.handleResult(exchange, result)), //处理结果
  TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
    //MetricsWebFilter 相关的处理，在前面的代码中给出了，这里省略
  });
);

由于调用对应的 Handler，最后返回的是 ​​Mono.empty()​​，所以后面的 flatMap 其实不会执行了。所以我们可以将最后的处理结果这一步去掉。所以我们的 Mono 就变成了：

return Mono.defer(() ->
  new MonoWebFilterTrace(source, 
    RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange) //根据请求寻找路由
        .flatMap((Function<Route, Mono<?>>) r -> {
          exchange.getAttributes().put(GATEWAY_ROUTE_ATTR, r); //将路由放入 Attributes 中，后面我们还会用到
          return Mono.just(RoutePredicateHandlerMapping.this.webHandler); //返回 RoutePredicateHandlerMapping 的 FilteringWebHandler
        }).switchIfEmpty( //如果为 Mono.empty()，也就是没找到路由
          Mono.empty() 
          .then(Mono.fromRunnable(() -> { //返回 Mono.empty() 之后，记录日志
            if (logger.isTraceEnabled()) {
              logger.trace("No RouteDefinition found for [" + getExchangeDesc(exchange) + "]");
          }
        })))
      .switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果没有返回不为 Mono.empty() 的 handlerMapping，则直接返回 404
      .then(FilteringWebHandler.this.handle(exchange).then(Mono.empty()))), //调用对应的 Handler
  TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
    //MetricsWebFilter 相关的处理，在前面的代码中给出了，这里省略
  });
);

​​FilteringWebHandler.this.handle(exchange)​​ 其实就是从 Attributes 中取出路由，从路由中取出对应的 GatewayFilters，与全局 GatewayFilters 放到同一个 List 中，并按照这些 GatewayFilter 的顺序排序（可以通过实现 ​​org.springframework.core.Ordered​​ 接口来制定顺序），然后生成 ​​DefaultGatewayFilterChain​​ 即 GatewayFilter 链路。对应的源码是：

public Mono<Void> handle(ServerWebExchange exchange) {
  //从 Attributes 中取出路由，从路由中取出对应的 GatewayFilters
  Route route = exchange.getRequiredAttribute(GATEWAY_ROUTE_ATTR);
  List<GatewayFilter> gatewayFilters = route.getFilters();
  //与全局 GatewayFilters 放到同一个 List 中
  List<GatewayFilter> combined = new ArrayList<>(this.globalFilters);
  combined.addAll(gatewayFilters);
  //按照这些 GatewayFilter 的顺序排序（可以通过实现 `org.springframework.core.Ordered` 接口来制定顺序）
  AnnotationAwareOrderComparator.sort(combined);
  
  if (logger.isDebugEnabled()) {
    logger.debug("Sorted gatewayFilterFactories: " + combined);
  }
  //生成调用链
  return new DefaultGatewayFilterChain(combined).filter(exchange);
}

这个 GatewayFilter 调用链和 WebFilter 调用链类似，参考 ​​DefaultGatewayFilterChain​​ 的源码：

public Mono<Void> filter(ServerWebExchange exchange) {
  return Mono.defer(() -> {
    //如果链路没有结束，则继续链路
    if (this.index < filters.size()) {
      GatewayFilter filter = filters.get(this.index);
      //这里将 index + 1，也就是调用链路中的下一个 GatewayFilter
      DefaultGatewayFilterChain chain = new DefaultGatewayFilterChain(this, this.index + 1);
      //每个 filter 中如果想要继续链路，则会调用 chain.filter(exchange)，这也是我们开发 GatewayFilter 的时候的使用方式
      return filter.filter(exchange, chain);
    }
    else {
      //到达末尾，链路结束
      return Mono.empty(); // complete
    }
  });
}

所以，经过 ​​DefaultGatewayFilterChain​​ 后，我们的 Mono 就会变成：

return Mono.defer(() ->
  new MonoWebFilterTrace(source, 
    RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange) //根据请求寻找路由
        .flatMap((Function<Route, Mono<?>>) r -> {
          exchange.getAttributes().put(GATEWAY_ROUTE_ATTR, r); //将路由放入 Attributes 中，后面我们还会用到
          return Mono.just(RoutePredicateHandlerMapping.this.webHandler); //返回 RoutePredicateHandlerMapping 的 FilteringWebHandler
        }).switchIfEmpty( //如果为 Mono.empty()，也就是没找到路由
          Mono.empty() 
          .then(Mono.fromRunnable(() -> { //返回 Mono.empty() 之后，记录日志
            if (logger.isTraceEnabled()) {
              logger.trace("No RouteDefinition found for [" + getExchangeDesc(exchange) + "]");
          }
        })))
      .switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果没有返回不为 Mono.empty() 的 handlerMapping，则直接返回 404
      .then(new DefaultGatewayFilterChain(combined).filter(exchange).then(Mono.empty()))), //调用对应的 Handler
  TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
    //MetricsWebFilter 相关的处理，在前面的代码中给出了，这里省略
  });
);

再继续展开 ​​DefaultGatewayFilterChain​​ 的链路调用，可以得到：

return Mono.defer(() ->
  new MonoWebFilterTrace(source, 
    RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange) //根据请求寻找路由
        .flatMap((Function<Route, Mono<?>>) r -> {
          exchange.getAttributes().put(GATEWAY_ROUTE_ATTR, r); //将路由放入 Attributes 中，后面我们还会用到
          return Mono.just(RoutePredicateHandlerMapping.this.webHandler); //返回 RoutePredicateHandlerMapping 的 FilteringWebHandler
        }).switchIfEmpty( //如果为 Mono.empty()，也就是没找到路由
          Mono.empty() 
          .then(Mono.fromRunnable(() -> { //返回 Mono.empty() 之后，记录日志
            if (logger.isTraceEnabled()) {
              logger.trace("No RouteDefinition found for [" + getExchangeDesc(exchange) + "]");
          }
        })))
      .switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果没有返回不为 Mono.empty() 的 handlerMapping，则直接返回 404
      .then(
        Mono.defer(() -> {
          //如果链路没有结束，则继续链路
          if (DefaultGatewayFilterChain.this.index < DefaultGatewayFilterChain.this.filters.size()) {
            GatewayFilter filter = DefaultGatewayFilterChain.this.filters.get(DefaultGatewayFilterChain.this.index);
            //这里将 index + 1，也就是调用链路中的下一个 GatewayFilter
            DefaultGatewayFilterChain chain = new DefaultGatewayFilterChain(DefaultGatewayFilterChain.this, DefaultGatewayFilterChain.this.index + 1);
            //每个 filter 中如果想要继续链路，则会调用 chain.filter(exchange)，这也是我们开发 GatewayFilter 的时候的使用方式
            return filter.filter(exchange, chain);
          }
          else {
            return Mono.empty(); //链路完成
          }
        })
        .then(Mono.empty()))
      ), //调用对应的 Handler
  TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
    //MetricsWebFilter 相关的处理，在前面的代码中给出了，这里省略
  });
);

这样，就形成了 Spring Cloud Gateway 针对路由请求的完整 Mono 调用链。

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