微服务SpringCloud中的负载均衡

Posted 2021-06-30 HelloWorld搬运工

1.什么是负载均衡

首先我们来看看维基百科对负载均衡的说明：

负载平衡（Load balancing）是一种计算机技术，用来在多个计算机（计算机集群）、网络连接、CPU、磁盘驱动器或其他资源中分配负载，以达到最优化资源使用、最大化吞吐率、最小化响应时间、同时避免过载的目的。使用带有负载平衡的多个服务器组件，取代单一的组件，可以通过冗余提高可靠性。负载平衡服务通常是由专用软件和硬件来完成。主要作用是将大量作业合理地分摊到多个操作单元上进行执行，用于解决互联网架构中的高并发和高可用的问题。

举个例子来解释下负载均衡

下图中，一群人在银行排队办理业务，假设只有一个服务窗口，那么一个服务窗口来处理所有人员业务办理，人少的时候，肯定是能够办理完的，如果人特别多的时候恩？一个服务窗口肯定是没有办法处理完这么多业务办理的。于是就出现如下图这样，一大堆人排队。

这时候银行就会多开几个窗口来办理业务，将原本堆积在一个窗口上处理的业务，分配到几个窗口上，这样业务办理就会加快了，但是仅仅是多开几个窗口是不够的。

为什么？因为没办法保证让某个人在某个窗口办理业务。大家可能还是会乱套（举个极端例子：假设A窗口的小姐姐特别的漂亮，会不会她那里会有很多的男客户排队办理业务恩？），因此银行除了多开几个窗口以为，还会设置一个排号，你拿到排号在哪个窗口，你就在哪个窗口进行办理业务。

在我们负载均衡中 ，客户端（PC/移动/第三方）发起请求，就好比办理业务的人员。负载均衡器（load balancer）就好比取号机，当他接收到一个请求的时候，负载均衡器就会给这个请求，分配一个服务来处理请求。就像取号机一样，负载均衡器按照一定规则分配一个窗口来办理业务。

因此，在Spring cloud中，如果我们只提供一个服务，那么很可能会出现我们上面所说的一个窗口处理业务，处理不完的情况，导致大量人员排队等候。另外，欢迎关注公众号Java笔记虾，后台回复“后端面试”，送你一份面试题宝典！

2.注册多个服务

在微服务Spring Cloud快速入门中，如果我们的商品服务一个不够用的话，根据负载均衡的理论，那我们就可以多注册几个服务。防止一个服务无法承载高并发时的情况。

启动注册中心、商品服务，订单服务，登录注册中心，查看我们当前的服务

此时，我们的商品服务和订单服务都只是一个服务，那么如何注册多个商品服务恩？

2.1向注册中心注册多个服务

以同样的项目代码，设定端口为8091，其余配置均和之前的商品服务保持一致，然后启动商品服务。

server:
  port: 8091 #服务端口
spring: 
  application:  
    name: hutao-microservice-item #指定服务名

eureka:
  client:
    registerWithEureka: true #是否将自己注册到Eureka服务中，默认为true
    fetchRegistry: true #是否从Eureka中获取注册信息，默认为true
    serviceUrl: #Eureka客户端与Eureka服务端进行交互的地址
      defaultZone: http://127.0.0.1:9090/eureka/
  instance: 
    prefer-ip-address: true #将自己的ip地址注册到Eureka服务中

点击如下所示，可以看到我们启动了1个注册中心，1个订单服务，2个商品服务

这时我们可以访问一下注册中心，我们可以发现，注册中心里面，商品服务有两个，一个是8081端口，一个是8091端口，并且他们的服务ID都是：HUTAO-MICROSERVICE-ITEM，这个服务ID和我们在配置文件中，配置的服务ID（spring.application.name）是保持一致的。

也就是说，我们通过服务ID：hutao-microservice-item在注册中心里面，能够找到两个服务

2.2通过服务ID找到服务

在微服务Spring Cloud快速入门中我们定义了如下Feign接口，在这个接口上面，我们添加了一个注解@FeignClient，指定了服务ID：hutao-microservice-item。这个Feign接口会给我发起Http调用。当然在这里我们可能无法看到负载均衡的效果，因此我们需要稍微深入下底层代码。

@FeignClient(value = "hutao-microservice-item")
@RequestMapping("/itemservice")
public interface FeignOrderService {
 
 /**
  * @Description:使用声明式HTTP客户端发起请求：根据ID查询订单 
  * @author hutao
  * @mail [e-mail]
  * @date 2020年8月30日
  */
 @GetMapping(value = "item/{itemId}")
 Items queryItem(@PathVariable("itemId")String itemId);
}

大家应该还记得，我们的商品服务和订单服务，注册到注册中心的时候，我们在启动类上面添加了一个注解：@EnableDiscoveryClient。

现在我们来看下DiscoveryClient这个接口

2.2.1.DiscoveryClient 解读

DiscoveryClient接口源码如下，他是用来发现服务的，比如发现Netflix服务，其中有个方法List getInstances(String serviceId)是根据服务ID获取服务实例集合。

/**
 * Represents read operations commonly available to discovery services such as Netflix
 * Eureka or consul.io.
 *
 * @author Spencer Gibb
 * @author Olga Maciaszek-Sharma
 */
public interface DiscoveryClient extends Ordered {

 /**
  * Default order of the discovery client.
  */
 int DEFAULT_ORDER = 0;

 /**
  * A human-readable description of the implementation, used in HealthIndicator.
  * @return The description.
  */
 String description();

 /**
  * Gets all ServiceInstances associated with a particular serviceId.
  * @param serviceId The serviceId to query.
  * @return A List of ServiceInstance.
  */
 List<ServiceInstance> getInstances(String serviceId);

 /**
  * @return All known service IDs.
  */
 List<String> getServices();

 /**
  * Default implementation for getting order of discovery clients.
  * @return order
  */
 @Override
 default int getOrder() {
  return DEFAULT_ORDER;
 }
}

我们可以看到DiscoveryClient 有4个实现，当然这里我们用的肯定是Eureka。

2.2.2.使用DiscoveryClient获取服务实例

现在我们来使用下DiscoveryClient 这个接口

首先把这个接口依赖注入到我们的Controller中，我们看下能获取到什么

@Autowired
private DiscoveryClient discoveryClient;

@GetMapping(value = "order/{orderId}")
public Order queryOrderById(@PathVariable("orderId") String orderId) {
 String serviceId = "hutao-microservice-item";
 List<ServiceInstance> instances = discoveryClient.getInstances(serviceId);
 System.out.println(instances);
 return null;
}

通过调试代码，我们发现如我们之前所说，我们可以通过服务ID:hutao-microservice-item，找到两个服务实例。

查看每个实例，我们发现我们能够看到每个服务的地址，端口等信息

如果不使用Feign这种声明式的调用Http请求，那我们来如何调用？

2.2.3.从服务实例中获取服务信息，发起Http请求

那么这个时候，我们怎么去发起请求恩？很简单，就是从服务实例中，获取到服务信息后，将接口的请求地址拼接出来。然后使用restTemplate发起Http请求

@Autowired
private RestTemplate restTemplate;

@GetMapping(value = "order/{orderId}")
public Order queryOrderById(@PathVariable("orderId") String orderId) {
 String serviceId = "hutao-microservice-item";
 List<ServiceInstance> instances = discoveryClient.getInstances(serviceId);
 ServiceInstance serviceInstance = instances.get(0);
 String url = serviceInstance.getHost() + ":" + serviceInstance.getPort();
 Items items = restTemplate.getForObject("http://" + url + "/itemservice/item/1" , Items.class);
 System.out.println(items);
 return null;
}

可以看到我们的请求是能正常访问的。当然也有问题存在，那就是我们拿到的是多个服务，程序怎么知道我要调用的是哪一个服务呢？

2.2.4.多个服务实例，如何负载均衡

上述案例中，我们获取到的实例是两个，那么每次调用的时候，我们怎么来确定，我要调用的是哪一个服务？，因为这时候我们拿到的两个服务，也就是两个不同的IP地址，这时候就需要一个负载均衡器来帮我们选择一个IP进行访问。

在Spring Cloud中，netfix提供一个负载均衡器Ribbon，该负载均衡器是声明式的，其用法如下所示，在我们注入到Spring容器中的RestTemplate添加注解@LoadBalanced，这时候我们的RestTemplate就具备了负载均衡的功能。

注意：RestTemplate底层默认使用的jdk的标准实现，如果我们想让RestTemplate的底层使用okhttp，可以替换实现的。如下源码所示，RestTemplate提供了三个构造方法。

我们可以使用上述的第二个构造方法，使用Okhttp。

@SpringBootConfiguration
public class RestTemplateConfig {
    @Bean
    @LoadBalanced
    public RestTemplate restTemplate() {
        return new RestTemplate();
    }
}

在上面的一个案例中，我们通过从服务实例中，获取到服务，然后在从服务中心获取具体的IP地址信息，发起请求。

String url = serviceInstance.getHost() + ":" + serviceInstance.getPort();
Items items = restTemplate.getForObject("http://" + url + "/itemservice/item/1" ,

但是，现在我们不需要这么做了，因为我们对restTemplate声明了是需要负载均衡的，因此我们发起请求的时候，就不需要指定IP地址了，我们可以用服务ID来代替IP地址，然后由restTemplate来帮我选择需要调用的IP。因此上述代码会被简化为如下所示，被注释掉的代码就是被优化的代码。

@GetMapping(value = "order/{orderId}")
 public Order queryOrderById(@PathVariable("orderId") String orderId) {
  String serviceId = "hutao-microservice-item";
  //List<ServiceInstance> instances = discoveryClient.getInstances(serviceId);
  //ServiceInstance serviceInstance = instances.get(0);
  //String url = serviceInstance.getHost() + ":" + serviceInstance.getPort();
  //Items items = restTemplate.getForObject("http://" + url + "/itemservice/item/1" , Items.class);
  Items items = restTemplate.getForObject("http://" + serviceId + "/itemservice/item/1" , Items.class);
  System.out.println(items);
  return null;
 }

重启服务后，商品服务仍然可用，那么这时候怎么来验证我们的负载均衡成功了？

2.2.5.简单验证负载均衡

其实最简单的验证方式就是，在商品服务中，添加日志，看看哪个服务记录了日志或者debug调试，看走哪一个服务的代码。即可验证我们的负载均衡是否成功。

当然这里我们就不做上述方式的演示，来做一点高难度的代码分析。

3.分析@LoadBalanced实现负载均衡源码解析

3.1.RestTemplate源码解析

1、首先看org.springframework.web.client.RestTemplate类。

当我们执行如下代码时

restTemplate.getForObject("http://" + serviceId + "/itemservice/item/1" , Items.class);

最终会执行到如下方法

doExecute(URI, HttpMethod, RequestCallback, ResponseExtractor<T>)

如上代码根据我们的提供的信息，创建了ClientHttpRequest请求， 我们发现doExecute有如下几个实现，这里由于我们使用的是默认的RestTemplate，因此我们查看org.springframework.http.client.AbstractClientHttpRequest这个类的org.springframework.http.client.AbstractClientHttpRequest.execute()方法。

3.2.LoadBalancerInterceptor源码解析

逐步深入代码，我们找到了如下的拦截器。LoadBalancerInterceptororg.springframework.cloud.client.loadbalancer.LoadBalancerInterceptor

3.3.RibbonLoadBalancerClient源码解析

继续深入代码，我们找到了RibbonLoadBalancerClient这个类org.springframework.cloud.netflix.ribbon.RibbonLoadBalancerClient通过查看代码，我们发现了getLoadBalancer(String)这个方法通过serviceId找到了两个服务实例，

接着执行完毕getServer这个方法后，我们发现，只有一个服务实例了为8090。第二次调试代码后发现获取的是8091.多次调试后发现是8090和8091是轮询出现的，

也就是说getServer这个方法给我们实现了负载均衡。看源代码知道，如果为设置负载均衡参数，就使用default。否则就根据配置的参数选择服务。

protected Server getServer(ILoadBalancer loadBalancer, Object hint) {
 if (loadBalancer == null) {
  return null;
 }
 // Use 'default' on a null hint, or just pass it on?
 return loadBalancer.chooseServer(hint != null ? hint : "default");
}

具体的实现的负载均衡算法，本文不做讨论。另外，欢迎关注公众号Java笔记虾，后台回复“后端面试”，送你一份面试题宝典！

4.负载均衡代码验证演示

通过上述源码分析，我们发现如果我们开启了负载均衡，但是没有配置负载均衡参数，则会采用默认的配置，也就是轮询算法来实现负载均衡。

通过上述的debug阅读，我们参照getServer这个方法来写代码测试下负载均衡

@Autowired
private LoadBalancerClient loadBalancerClient;

@GetMapping(value = "order/{orderId}")
public Order queryOrderById(@PathVariable("orderId") String orderId) {
 String serviceId = "hutao-microservice-item";
 for(int i = 0 ; i < 10 ; i++) {
  ServiceInstance choose = loadBalancerClient.choose(serviceId);
  System.out.println(choose);
 }
 //List<ServiceInstance> instances = discoveryClient.getInstances(serviceId);
 //ServiceInstance serviceInstance = instances.get(0);
 //String url = serviceInstance.getHost() + ":" + serviceInstance.getPort();
 //Items items = restTemplate.getForObject("http://" + serviceId + "/itemservice/item/1" , Items.class);
 //System.out.println(items);
 return null;
}

5.负载均衡配置

在我们之前调试代码的时候我们发现源码中定义了IRule.choose(Object objet)这个接口，并且如下几个实现。

各个实现如下所示。

如果我们不想要默认的轮询机制，我们可以采用如上实现中的任何一种

比如，我们设置为随机策略。

• hutao-microservice-item是我们需要对某个服务设定

• NFLoadBalancerRuleClassName是我们的策略（也就是实现类的路径）

hutao-microservice-item: 
  ribbon:
    NFLoadBalancerRuleClassName: com.netflix.loadbalancer.RandomRule  

重启服务后，再看我们的负载均衡，是随机的，而不是轮询的。

6.总结

1. 注册多个服务：将项目部署在不同的服务器，或者同一个服务器不同端口号，然后注册到注册中心的服务ID(serviceId)保持一致即可；

2. 负载均衡实现：通过对RestTemplate添加注解@LoadBalanced，使用代理模式，拦截RestTemplate请求时，访问指定的负载服务，从而实现负载均衡。

3. DiscoveryClient接口他是用来发现服务的，比如发现Netflix服务，其中有个方法List getInstances(String serviceId)是根据服务ID获取服务实例集合。

4. LoadBalancerInterceptor进行请求拦截处理

5. RibbonLoadBalancerClient首先通过getLoadBalancer根据服务ID获取到负载，然后getServer会从多个负载中获取到适合的服务。其实现chooseServer如果没有设置负载均衡规则，则使用默认的轮询算法。

6. IRule接口定义了choose方法。