SpringCloud升级之路-2020.0.x - 6.使用 Spring Cloud LoadBalancer

Posted 2021-06-14 干货满满张哈希

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。

Spring Cloud LoadBalancer背景

Spring Cloud LoadBalancer是一个客户端负载均衡器，类似于Ribbon，但是由于Ribbon已经进入维护模式，并且Ribbon 2并不与Ribbon 1相互兼容，所以Spring Cloud全家桶在Spring Cloud Commons项目中，添加了Spring cloud Loadbalancer作为新的负载均衡器，并且做了向前兼容，就算你的项目中继续用 Spring Cloud Netflix 套装（包括Ribbon，Eureka，Zuul，Hystrix等等）让你的项目中有这些依赖，你也可以通过简单的配置，把ribbon替换成Spring Cloud LoadBalancer。

负载均衡器在哪里使用？

Spring Cloud 中内部微服务调用默认是 http 请求，主要通过下面三种 API：

• RestTemplate：同步 http API
• WebClient：异步响应式 http API
• 三方客户端封装，例如 openfeign

如果项目中加入了 spring-cloud-loadbalancer 的依赖并且配置启用了，那么会自动在相关的 Bean 中加入负载均衡器的特性。

• 对于 RestTemplate，会自动对所有 @LoadBalanced 注解修饰的 RestTemplate Bean 增加 Interceptor 从而加上了负载均衡器的特性。
• 对于 WebClient，会自动创建 ReactorLoadBalancerExchangeFilterFunction，我们可以通过加入ReactorLoadBalancerExchangeFilterFunction会加入负载均衡器的特性。
• 对于三方客户端，一般不需要我们额外配置什么。

这些使用的示例，会在我们系列升级完最后的测试部分看到。

Spring Cloud LoadBalancer 结构简介

上一节我们提到了 NamedContextFactory，Spring Cloud LoadBalancer 这里也是使用了这个机制实现了不同微服务使用不同的 Spring Cloud LoadBalancer 配置。相关核心实现是 @LoadBalancerClient 和 @LoadBalancerClients 这两个注解，以及 NamedContextFactory.Specification 的实现 LoadBalancerClientSpecification，NamedContextFactory 的实现 LoadBalancerClientFactory。

经过上一节的详细分析，我们知道可以通过 LoadBalancerClientFactory 知道默认配置类为 LoadBalancerClientConfiguration. 并且获取微服务名称可以通过 environment.getProperty(LoadBalancerClientFactory.PROPERTY_NAME);

LoadBalancerClientFactory

public static final String NAMESPACE = "loadbalancer";
public static final String PROPERTY_NAME = NAMESPACE + ".client.name";
public LoadBalancerClientFactory() {
	super(LoadBalancerClientConfiguration.class, NAMESPACE, PROPERTY_NAME);
}

查看配置类 LoadBalancerClientConfiguration，我们可以发现这个类主要定义两种 Bean，分别是 ReactorLoadBalancer<ServiceInstance> 和 ServiceInstanceListSupplier。

ReactorLoadBalancer 是负载均衡器，主要提供根据服务名称获取服务实例列表并从从中选择的功能。

ReactorLoadBalancer

Mono<Response<T>> choose(Request request);

在默认配置中的实现是：

LoadBalancerClientConfiguration

@Bean
@ConditionalOnMissingBean
public ReactorLoadBalancer<ServiceInstance> reactorServiceInstanceLoadBalancer(
		Environment environment,
		LoadBalancerClientFactory loadBalancerClientFactory) {
	//获取微服务名称
	String name = environment.getProperty(LoadBalancerClientFactory.PROPERTY_NAME);
	//创建 RoundRobinLoadBalancer 
	//注意这里注入的是 LazyProvider，这主要因为在注册这个 Bean 的时候相关的 Bean 可能还没有被加载注册，利用 LazyProvider 而不是直接注入所需的 Bean 防止报找不到 Bean 注入的错误。
	return new RoundRobinLoadBalancer(loadBalancerClientFactory.getLazyProvider(name,
			ServiceInstanceListSupplier.class), name);
}

可以看出，默认配置的 ReactorLoadBalancer 实现是 RoundRobinLoadBalancer。这个负载均衡器实现很简单，有一个原子类型的 AtomicInteger position，从 ServiceInstanceListSupplier 中读取所有的服务实例列表，然后对于 position 原子加1，对列表大小取模，返回列表中这个位置的服务实例 ServiceInstance。

RoundRobinLoadBalancer

public Mono<Response<ServiceInstance>> choose(Request request) {
    //注入的时候注入的是 Lazy Provider，这里取出真正的 Bean，也就是 ServiceInstanceListSupplier
	ServiceInstanceListSupplier supplier = serviceInstanceListSupplierProvider
			.getIfAvailable(NoopServiceInstanceListSupplier::new);
			//获取实例列表
	return supplier.get(request)
	        .next()
	        //从列表中选择一个实例
			.map(serviceInstances -> processInstanceResponse(supplier, serviceInstances));
}

private Response<ServiceInstance> processInstanceResponse(ServiceInstanceListSupplier supplier,
		List<ServiceInstance> serviceInstances) {
	Response<ServiceInstance> serviceInstanceResponse = getInstanceResponse(serviceInstances);
	// 如果 ServiceInstanceListSupplier 也实现了 SelectedInstanceCallback，则执行下面的逻辑进行回调。SelectedInstanceCallback 就是每次负载均衡器选择实例之后进行的回调
	if (supplier instanceof SelectedInstanceCallback && serviceInstanceResponse.hasServer()) {
		((SelectedInstanceCallback) supplier).selectedServiceInstance(serviceInstanceResponse.getServer());
	}
	return serviceInstanceResponse;
}

private Response<ServiceInstance> getInstanceResponse(List<ServiceInstance> instances) {
	if (instances.isEmpty()) {
		return new EmptyResponse();
	}
	//postion 原子 +1 并取绝对值
	int pos = Math.abs(this.position.incrementAndGet());
    //返回对应下标的实例
	ServiceInstance instance = instances.get(pos % instances.size());
	return new DefaultResponse(instance);
}

ServiceInstanceListSupplier 是服务列表提供者接口：

ServiceInstanceListSupplier

public interface ServiceInstanceListSupplier extends Supplier<Flux<List<ServiceInstance>>> {
	String getServiceId();
	default Flux<List<ServiceInstance>> get(Request request) {
		return get();
	}
	static ServiceInstanceListSupplierBuilder builder() {
		return new ServiceInstanceListSupplierBuilder();
	}
}

spring-cloud-loadbalancer 中有很多 ServiceInstanceListSupplier 的实现，在默认配置中是通过属性配置指定实现的，这个配置项是spring.cloud.loadbalancer.configurations。例如：

LoadBalancerClientConfiguration

@Bean
@ConditionalOnBean(ReactiveDiscoveryClient.class)
@ConditionalOnMissingBean
//spring.cloud.loadbalancer.configurations 未指定或者为 default
@ConditionalOnProperty(value = "spring.cloud.loadbalancer.configurations", havingValue = "default",
		matchIfMissing = true)
public ServiceInstanceListSupplier discoveryClientServiceInstanceListSupplier(
		ConfigurableApplicationContext context) {
	return ServiceInstanceListSupplier.builder()
	//通过 DiscoveryClient 提供实例
	.withDiscoveryClient()
	//开启缓存
	.withCaching()
	.build(context);
}

@Bean
@ConditionalOnBean(ReactiveDiscoveryClient.class)
@ConditionalOnMissingBean
//如果 spring.cloud.loadbalancer.configurations 指定为 zone-preference
@ConditionalOnProperty(value = "spring.cloud.loadbalancer.configurations", havingValue = "zone-preference")
public ServiceInstanceListSupplier zonePreferenceDiscoveryClientServiceInstanceListSupplier(
		ConfigurableApplicationContext context) {
	return ServiceInstanceListSupplier.builder()
	//通过 DiscoveryClient 提供实例
	.withDiscoveryClient()
	//启用更倾向于同一个 zone 下实例的特性
	.withZonePreference()
	//开启缓存
	.withCaching()
			.build(context);
}

可以看到，可以通过 ServiceInstanceListSupplier.builder() 生成官方封装好各种特性的 ServiceInstanceListSupplier。其实从底层实现可以看出，所有的 ServiceInstanceListSupplier 实现都是代理模式，例如对于默认配置，底层代码近似于：

return  //开启服务实例缓存
        new CachingServiceInstanceListSupplier(
                        //启用通过 discoveryClient 的服务发现
                        new DiscoveryClientServiceInstanceListSupplier(
                                discoveryClient, env
                        )
                , cacheManagerProvider.getIfAvailable()
        );

除了默认配置 LoadBalancerClientConfiguration，用户配置自定义配置则是通过 @LoadBalancerClients 和 @LoadBalancerClient.这个原理是通过 LoadBalancerClientConfigurationRegistrar 实现的。首先，我们来看一下 LoadBalancerClientFactory 这个 NamedContextFactory 是如何创建的：

[LoadBalancerAutoConfiguration]

private final ObjectProvider<List<LoadBalancerClientSpecification>> configurations;

public LoadBalancerAutoConfiguration(ObjectProvider<List<LoadBalancerClientSpecification>> configurations) {
    //注入 LoadBalancerClientSpecification List 的 provider
    //在 Bean 创建的时候，进行载入，而不是注册的时候
	this.configurations = configurations;
}

@ConditionalOnMissingBean
@Bean
public LoadBalancerClientFactory loadBalancerClientFactory() {
    //创建 LoadBalancerClientFactory
	LoadBalancerClientFactory clientFactory = new LoadBalancerClientFactory();
    //读取所有的 LoadBalancerClientSpecification，设置为 LoadBalancerClientFactory 的配置
	clientFactory.setConfigurations(this.configurations.getIfAvailable(Collections::emptyList));
	return clientFactory;
}

那么，LoadBalancerClientSpecification 这些 Bean 是怎么创建的呢？在 @LoadBalancerClients 和 @LoadBalancerClient 注解中，都包含 @Import(LoadBalancerClientConfigurationRegistrar.class)。这个 @Import 加载一个 ImportBeanDefinitionRegistrar，这里是 LoadBalancerClientConfigurationRegistrar. ImportBeanDefinitionRegistrar里面的方法参数包含注解元数据，以及注册 Bean 的 BeanDefinitionRegistry。一般通过注解元数据，动态通过 BeanDefinitionRegistry 注册 Bean，在这里的实现是：

[LoadBalancerClients]

@Configuration(proxyBeanMethods = false)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target({ ElementType.TYPE })
@Documented
@Import(LoadBalancerClientConfigurationRegistrar.class)
public @interface LoadBalancerClients {
    //可以指定多个 LoadBalancerClient
	LoadBalancerClient[] value() default {};
	//指定所有的负载均衡配置的默认配置
	Class<?>[] defaultConfiguration() default {};
}

[LoadBalancerClient]

@Configuration(proxyBeanMethods = false)
@Import(LoadBalancerClientConfigurationRegistrar.class)
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
public @interface LoadBalancerClient {
    //name 和 value 都是微服务名称
	@AliasFor("name")
	String value() default "";
	@AliasFor("value")
	String name() default "";
	//这个微服务的配置
	Class<?>[] configuration() default {};
}

[LoadBalancerClientConfigurationRegistrar]

@Override
public void registerBeanDefinitions(AnnotationMetadata metadata, BeanDefinitionRegistry registry) {
    //获取 LoadBalancerClients 注解的元数据
	Map<String, Object> attrs = metadata.getAnnotationAttributes(LoadBalancerClients.class.getName(), true);
	if (attrs != null && attrs.containsKey("value")) {
		AnnotationAttributes[] clients = (AnnotationAttributes[]) attrs.get("value");
		//对于 value 属性，其实就是一个 LoadBalancerClient 列表，对于每个生成一个特定微服务名字的  LoadBalancerClientSpecification
		for (AnnotationAttributes client : clients) {
			registerClientConfiguration(registry, getClientName(client), client.get("configuration"));
		}
	}
	//如果指定了 defaultConfiguration，则注册为 default 的配置
	if (attrs != null && attrs.containsKey("defaultConfiguration")) {
		String name;
		if (metadata.hasEnclosingClass()) {
			name = "default." + metadata.getEnclosingClassName();
		}
		else {
			name = "default." + metadata.getClassName();
		}
		registerClientConfiguration(registry, name, attrs.get("defaultConfiguration"));
	}
	//获取 LoadBalancerClient 注解的元数据
	Map<String, Object> client = metadata.getAnnotationAttributes(LoadBalancerClient.class.getName(), true);
	String name = getClientName(client);
	if (name != null) {
		registerClientConfiguration(registry, name, client.get("configuration"));
	}
}

private static void registerClientConfiguration(BeanDefinitionRegistry registry, Object name, Object configuration) {
    //初始化 LoadBalancerClientSpecification 的 BeanDefinition，用于注册一个 LoadBalancerClientSpecification Bean
	BeanDefinitionBuilder builder = BeanDefinitionBuilder
			.genericBeanDefinition(LoadBalancerClientSpecification.class);
	//构造器参数
	builder.addConstructorArgValue(name);
	builder.addConstructorArgValue(configuration);
	//注册 Bean
	registry.registerBeanDefinition(name + ".LoadBalancerClientSpecification", builder.getBeanDefinition());
}

从代码中我们可以看出，通过使用 @LoadBalancerClients 和 @LoadBalancerClient 注解可以自动生成对应的 LoadBalancerClientSpecification 进而实现公共负载均衡配置或者特定某个微服务的负载均衡配置。

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