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Ribbon 负载均衡器 LoadBalancer 源码解析

Java技术编程

修改于 2020-05-21 04:42:46

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前言

什么是负载均衡？简单来说一个应用，后台有多个服务来支撑，即利用多台服务器提供单一服务，当某个服务挂了或者负载过高的时候，负载均衡器能够选择其他的服务来处理请求，用来提高应用的高可用性和高并发行；此外，当用户请求过来的时候，负载均衡器会将请求后台内网服务器，内网服务器将请求的响应返回给负载平衡器，负载平衡器再将响应发送到用户，这样可以阻止了用户直接访问后台服务器，使得服务器更加安全。

维基百科-负载均衡 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B4%9F%E8%BD%BD%E5%9D%87%E8%A1%A1

Ribbon 负载均衡器

Ribbon 的负载均衡器是通过 LoadBalancerClient 来实现的，在应用启动的时候，LoadBalancerClient 默认会从 EurekaClient 获取服务列表，并将服务注册列表缓存在本地，当调用 LoadBalancerClient 的 choose() 方法的时候，根据负载均衡策略 IRule 来选择一个可用的服务，从而实现负载均衡。

当然，LoadBalancerClient 也可以不从 EurekaClient 中获取服务列表，这时需要自己维护一个服务注册列表信息，具体操作如下：

ribbon:
  eureka:
    enabled: false

stores:
  ribbon:
    listOfServers: baidu.com, google.com

Ribbon 负载均衡器流程图

主要流程：

1. 当应用启动的时候，ILoadBalancer 从 EurekaClient 获取服务列表
2. 然后每 10 秒 向 EurekaClient 发送一次心跳检测，如果注册列表发生了变化，则更新获取重新获取
3. LoadBalancerClient 调用 choose() 方法来选择服务的时候，会调用 ILoadBalancer 的  chooseServer() 来获取一个可以的服务，
4. 在 ILoadBalancer 进行获取服务的时候，会根据负载均衡策略 IRule 来进行选择
5. 返回可用的服务

Ribbon 负载均衡器实现原理

下面就来看看每个类的实现原理

RibbonLoadBalancerClient

RibbonLoadBalancerClient 它是 Ribbon 负载均衡实现的一个重要的类，最终的负载均衡的请求处理都由它来执行，先来看下它的类图：

它实现了 LoadBalancerClient 接口，而 LoadBalancerClient 接口实现了 ServiceInstanceChooser 接口

ServiceInstanceChooser

该接口用来从负载均衡器中获取一个可用的服务，只有一个方法：

public interface ServiceInstanceChooser {
    /**
     * @param serviceId：服务ID
     * @return 可用的服务实例
     */
    ServiceInstance choose(String serviceId);
}

LoadBalancerClient

表示负载均衡的客户端，是一个接口，继承了 ServiceInstanceChooser 接口，共有三个方法：

public interface LoadBalancerClient extends ServiceInstanceChooser {
    /**
     * 执行请求
     * @param serviceId ：用于查找 LoadBalancer的服务ID
     * @param request：允许实现执行前后操作
     */
    <T> T execute(String serviceId, LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException;

    /**
     * 执行请求
     * @param serviceId ：用于查找 LoadBalancer的服务ID
     * @param serviceInstance ：执行请求的服务
     * @param request：允许实现执行前后操作
     */
    <T> T execute(String serviceId, ServiceInstance serviceInstance, LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException;

    /**
     * 创建具有真实主机和端口的正确URI，有些系统使用带有逻辑服务名的URL作为主机，调用该方法将会使用 host:port 来替换逻辑服务名
     * @param instance ：用于重建URI的服务实例
     * @param original ：具有逻辑服务名的URL
     * @return A reconstructed URI.
     */
    URI reconstructURI(ServiceInstance instance, URI original);
}

RibbonLoadBalancerClient 实现如下：

主要看从 ServiceInstanceChooser，LoadBalancerClient 中实现的接口方法

public class RibbonLoadBalancerClient implements LoadBalancerClient {

    // 工厂：主要用来创建客户端，创建负载均衡器，进行客户端配置等
    // 对于每一个客户端名称都会创建一个Spring ApplicationContext，可以从中获取需要的bean
    private SpringClientFactory clientFactory;

    protected ILoadBalancer getLoadBalancer(String serviceId) {
        return this.clientFactory.getLoadBalancer(serviceId);
    }
    ..................
}


public class SpringClientFactory extends NamedContextFactory<RibbonClientSpecification> {

    // 获取客户端
    public <C extends IClient<?, ?>> C getClient(String name, Class<C> clientClass) {
        return getInstance(name, clientClass);
    }

    // 获取负载均衡器
    public ILoadBalancer getLoadBalancer(String name) {
        return getInstance(name, ILoadBalancer.class);
    }

    //获取客户端配置
    public IClientConfig getClientConfig(String name) {
        return getInstance(name, IClientConfig.class);
    }

    // 获取 RibbonLoadBalancerContext
    public RibbonLoadBalancerContext getLoadBalancerContext(String serviceId) {
        return getInstance(serviceId, RibbonLoadBalancerContext.class);
    }

    // 获取对应的bean
    public <T> T getInstance(String name, Class<T> type) {
        AnnotationConfigApplicationContext context = getContext(name);
        .....
        return context.getBean(type);
        .....
    }
}

choose() 方法

该方法主要用来获取一个可用的服务实例

    public ServiceInstance choose(String serviceId, Object hint) {
        Server server = getServer(getLoadBalancer(serviceId), hint);
        if (server == null) {
            return null;
        }
        // RibbonServer 实现了 ServiceInstance
        return new RibbonServer(serviceId, server, isSecure(server, serviceId),
                serverIntrospector(serviceId).getMetadata(server));
    }

    // 根据服务ID获取负载均衡器，会调用 SpringClientFactory 的方法进行获取
    protected ILoadBalancer getLoadBalancer(String serviceId) {
        return this.clientFactory.getLoadBalancer(serviceId);
    }

    // 根据负载均衡器来获取可用的服务
    protected Server getServer(ILoadBalancer loadBalancer, Object hint) {
        if (loadBalancer == null) {
            return null;
        }
        return loadBalancer.chooseServer(hint != null ? hint : "default");
    }

最后会调用 ILoadBalancer.chooseServer 来获取可用服务，后面再来说 ILoadBalancer 。

execute() 方法

该方法执行请求

    public <T> T execute(String serviceId, ServiceInstance serviceInstance,
            LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException {
        Server server = null;
        if (serviceInstance instanceof RibbonServer) {
            server = ((RibbonServer) serviceInstance).getServer();
        }

        RibbonLoadBalancerContext context = this.clientFactory.getLoadBalancerContext(serviceId);

        // 状态记录器，记录着服务的状态
        RibbonStatsRecorder statsRecorder = new RibbonStatsRecorder(context, server);

        ...........
        T returnVal = request.apply(serviceInstance);
        statsRecorder.recordStats(returnVal);
        return returnVal;
        ...........
    }

    // apply 方法调用如下，最终返回 ClientHttpResponse
    public ListenableFuture<ClientHttpResponse> intercept(final HttpRequest request,
            final byte[] body, final AsyncClientHttpRequestExecution execution)
            throws IOException {
        final URI originalUri = request.getURI();
        String serviceName = originalUri.getHost();
        return this.loadBalancer.execute(serviceName,
                new LoadBalancerRequest<ListenableFuture<ClientHttpResponse>>() {
                    @Override
                    public ListenableFuture<ClientHttpResponse> apply(
                            final ServiceInstance instance) throws Exception {
                        HttpRequest serviceRequest = new ServiceRequestWrapper(request,
                                instance, AsyncLoadBalancerInterceptor.this.loadBalancer);
                        return execution.executeAsync(serviceRequest, body);
                    }
                });
    }

以上就是负载均衡器流程图左边部分的原理，接下来看下右边的部分

ILoadBalancer

通过上面的分析，负载均衡器获取一个可用的服务，最终会调用 ILoadBalancer 的 chooseServer 方法，下面就来看下 ILoadBalancer 的实现原理

首先来看下 ILoadBalancer 的整体类图：

在上面的类图中，主要的逻辑是在 BaseLoadBalancer 中实现，而 DynamicServerListLoadBalancer 主要提供动态获取服务列表的能力。

ILoadBalancer

首先来看下 ILoadBalancer，它表示一个负载均衡器接口，

public interface ILoadBalancer {
    // 添加服务
    public void addServers(List<Server> newServers);

    //获取服务
    public Server chooseServer(Object key);

    //标记某个服务下线
    public void markServerDown(Server server);

    //获取状态为UP的所有可用服务列表
    public List<Server> getReachableServers();

    //获取所有服务列表，包括可用的和不可用的
    public List<Server> getAllServers();
}

AbstractLoadBalancer

实现 ILoadBalancer接口，提供一些默认实现

public abstract class AbstractLoadBalancer implements ILoadBalancer {
    public enum ServerGroup{ALL, STATUS_UP, STATUS_NOT_UP}

    public Server chooseServer() {
        return chooseServer(null);
    }
    public abstract List<Server> getServerList(ServerGroup serverGroup);
    // 获取状态
    public abstract LoadBalancerStats getLoadBalancerStats();    
}

IClientConfigAware

客户端配置

public interface IClientConfigAware {
    public abstract void initWithNiwsConfig(IClientConfig clientConfig);
}

BaseLoadBalancer

负载均衡器的主要实现逻辑在该类中，会根据负载均衡策略 IRule 来获取可用的服务，会通过 IPing 来检测服务的可用性，此外，该类中从 EurkaClient 获取到服务列表后，会在该类中保存下来，会维护所有的服务列表和可用的服务列表。

首先来看下它的一些属性，然后再来看每个对应的方法

public class BaseLoadBalancer extends AbstractLoadBalancer implements
        PrimeConnections.PrimeConnectionListener, IClientConfigAware {

    // 默认的负载均衡策略：轮询选择服务实例
    private final static IRule DEFAULT_RULE = new RoundRobinRule();
    protected IRule rule = DEFAULT_RULE;

    // 默认 ping 的策略，会调用 IPing 来检测服务是否可用
    private final static SerialPingStrategy DEFAULT_PING_STRATEGY = new SerialPingStrategy();
    protected IPingStrategy pingStrategy = DEFAULT_PING_STRATEGY;
    protected IPing ping = null;

    // 所有服务列表
    protected volatile List<Server> allServerList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Server>());
    // 状态为 up 的服务列表
    protected volatile List<Server> upServerList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Server>());

    // 锁
    protected ReadWriteLock allServerLock = new ReentrantReadWriteLock();
    protected ReadWriteLock upServerLock = new ReentrantReadWriteLock();

    // 定时任务，去 ping 服务是否可用
    protected Timer lbTimer = null;
    // ping 的时间间隔，10秒
    protected int pingIntervalSeconds = 10;
    // ping 的最大次数
    protected int maxTotalPingTimeSeconds = 5;

    // 负载均衡器的状态
    protected LoadBalancerStats lbStats;
    // 客户端配置
    private IClientConfig config;

    // 服务列表变化监听器
    private List<ServerListChangeListener> changeListeners = new CopyOnWriteArrayList<ServerListChangeListener>();
    // 服务状态变化监听器
    private List<ServerStatusChangeListener> serverStatusListeners = new CopyOnWriteArrayList<ServerStatusChangeListener>();

    // 构造方法，使用默认的配置来创建负载均衡器，还有其他重载的构造方法，可用根据需要来创建负载均衡器
    public BaseLoadBalancer() {
        this.name = DEFAULT_NAME;
        this.ping = null;
        setRule(DEFAULT_RULE);
        setupPingTask();
        lbStats = new LoadBalancerStats(DEFAULT_NAME);
    }

   .....................
}

在上面的属性中，Ribbon 提供了一些默认的配置： IClientConfig 表示客户端的配置，实现类为 DefaultClientConfigImpl，在该类中配置了默认的值：

public class DefaultClientConfigImpl implements IClientConfig {

    // ping 的默认策略 DummyPing
    public static final String DEFAULT_NFLOADBALANCER_PING_CLASSNAME = "com.netflix.loadbalancer.DummyPing"; // DummyPing.class.getName();
    public static final String DEFAULT_NFLOADBALANCER_RULE_CLASSNAME = "com.netflix.loadbalancer.AvailabilityFilteringRule";
    public static final String DEFAULT_NFLOADBALANCER_CLASSNAME = "com.netflix.loadbalancer.ZoneAwareLoadBalancer";
    public static final int DEFAULT_MAX_TOTAL_TIME_TO_PRIME_CONNECTIONS = 30000;
    public static final int DEFAULT_MAX_RETRIES_PER_SERVER_PRIME_CONNECTION = 9;

   .............................................
}

IRule 表示负载均衡策略，即如何去选择服务实例，默认为 RoundRobinRule，即通过轮询的方式选择服务。Ribbon 默认提供的有 7 种。 IPing 表示检测服务是否可用策略，Ribbon 也提供了很多策略，共有 5 种，默认为 DummyPing

关于 IRule 和 IPing 的策略，后面会专门进行研究。

在 BaseLoadBalancer 中，除了提供一个无参的构造方法（使用的是默认的配置）外，还提供了很多重载的构造方法，下面来看下根据客户端的配置来创建BaseLoadBalancer ：

// 根据客户端配置来创建 BaseLoadBalancer
public BaseLoadBalancer(IClientConfig config) {
    initWithNiwsConfig(config);
}

@Override
public void initWithNiwsConfig(IClientConfig clientConfig) {
    // 负载均衡策略
    String ruleClassName = (String) clientConfig.getProperty(CommonClientConfigKey.NFLoadBalancerRuleClassName);
    // ping 策略
    String pingClassName = (String) clientConfig.getProperty(CommonClientConfigKey.NFLoadBalancerPingClassName);
    IRule rule = (IRule) ClientFactory.instantiateInstanceWithClientConfig(ruleClassName, clientConfig);
    IPing ping = (IPing) ClientFactory.instantiateInstanceWithClientConfig(pingClassName, clientConfig);
    // 状态
    LoadBalancerStats stats = createLoadBalancerStatsFromConfig(clientConfig);
    // 初始化配置
    initWithConfig(clientConfig, rule, ping, stats);
}

void initWithConfig(IClientConfig clientConfig, IRule rule, IPing ping, LoadBalancerStats stats) {
    this.config = clientConfig;
    String clientName = clientConfig.getClientName();
    this.name = clientName;

    // ping 的周期
    int pingIntervalTime = Integer.parseInt(clientConfig.getProperty(CommonClientConfigKey.NFLoadBalancerPingInterval,Integer.parseInt("30")));
    // 最大 ping 的次数
    int maxTotalPingTime = Integer.parseInt(clientConfig.getProperty(CommonClientConfigKey.NFLoadBalancerMaxTotalPingTime,Integer.parseInt("2")));

    setPingInterval(pingIntervalTime);
    setMaxTotalPingTime(maxTotalPingTime);
    setRule(rule);
    setPing(ping);

    setLoadBalancerStats(stats);
    rule.setLoadBalancer(this);
    if (ping instanceof AbstractLoadBalancerPing) {
        ((AbstractLoadBalancerPing) ping).setLoadBalancer(this);
    }
    .................
    // 注册监控/可忽略
    init();
}

在上面的构造方法中，可用根据客户端配置的信息来创建一个BaseLoadBalancer，如客户端可以配置负载均衡策略，ping的策略，ping的时间间隔和最大次数等。

判断服务的可用性

在 Ribbon 中，负载均衡器多久才去更新获取服务列表呢？在 BaseLoadBalancer 类中，有一个 setupPingTask 方法，在该方法内部，会创建 PingTask 定时任务去检测服务的可用性，而 PingTask 又会创建 Pinger 对象，在 Pinger对象的 runPinger() 方法中，会根据ping策略即 pingerStrategy 的 pingServers(ping, allServer) 来判断服务的可用性，主要逻辑如下：

void setupPingTask() {
    if (canSkipPing()) {
        return;
    }
    // 如果已经有了定时任务，则取消
    if (lbTimer != null) {
        lbTimer.cancel();
    }
    // 第二个参数为true，表示它是一个deamon线程
    lbTimer = new ShutdownEnabledTimer("NFLoadBalancer-PingTimer-" + name, true);
    // 创建 PingTask, 它继承于 TimerTask，定时执行 run 方法
    lbTimer.schedule(new PingTask(), 0, pingIntervalSeconds * 1000);
    ......
}
class PingTask extends TimerTask {
    public void run() {
        // 默认 pingStrategy = new SerialPingStrategy()
        new Pinger(pingStrategy).runPinger();
    }
}

public void runPinger() throws Exception {
    // 如果正在ping，则返回
    if (!pingInProgress.compareAndSet(false, true)) { 
        return; // Ping in progress - nothing to do
    }
    // 所有的服务，包括不可用的服务
    Server[] allServers = null;
    boolean[] results = null;

    Lock allLock = null;
    Lock upLock = null;

    try {

        allLock = allServerLock.readLock();
        allLock.lock();
        allServers = allServerList.toArray(new Server[allServerList.size()]);
        allLock.unlock();
        // 所有服务的数量
        int numCandidates = allServers.length;
        // 所有服务ping的结果
        results = pingerStrategy.pingServers(ping, allServers);

        // 状态可用的服务列表 
        final List<Server> newUpList = new ArrayList<Server>();
        // 状态改变的服务列表
        final List<Server> changedServers = new ArrayList<Server>();

        for (int i = 0; i < numCandidates; i++) {
            // 最新的状态
            boolean isAlive = results[i];
            Server svr = allServers[i];
            // 老的状态
            boolean oldIsAlive = svr.isAlive();
            // 更新状态
            svr.setAlive(isAlive);

            // 如果状态改变了，则放到集合中，会进行重新拉取
            if (oldIsAlive != isAlive) {
                changedServers.add(svr);
            }
            // 状态可用的服务
            if (isAlive) {
                newUpList.add(svr);
            }
        }
        upLock = upServerLock.writeLock();
        upLock.lock();
        upServerList = newUpList;
        upLock.unlock();
        // 变态改变监听器
        notifyServerStatusChangeListener(changedServers);
    } finally {
        // ping 完成
        pingInProgress.set(false);
    }
}

// 检测服务的状态
@Override
public boolean[] pingServers(IPing ping, Server[] servers) {
    int numCandidates = servers.length;
    boolean[] results = new boolean[numCandidates];

    for (int i = 0; i < numCandidates; i++) {
        results[i] = false;
        if (ping != null) {
            results[i] = ping.isAlive(servers[i]);
        }
    }
    return results;
}

在上面的逻辑中，Ribbon 每10秒向EurekaClient发送 ping 来判断服务的可用性，如果服务的可用性发生了改变或服务的数量和之前的不一致，则会更新或重新拉取服务。有了这些服务之后，会根据负载均衡策略IRule 来选择一个可用的服务。

根据负载均衡策略 IRule 来选择一个可用的服务

在前文说到 Ribbon 客户端RibbonLoadBalancerClient 选择服务的时候，最终会调用 ILoadBalancer.chooseServer() 来选择服务，接下来就来看下这个方法：

public Server chooseServer(Object key) {
    .......
    //rule= new RoundRobinRule()
    return rule.choose(key);
    ....
}

关于 Ribbon 的负载均衡策略 IRule, Ribbon 提供了 7 种，后面再来分析，现在只需要知道通过 IRule 来选择服务就可以了。

初始化获取所有服务列表

在上面的分析中，Ribbon 会每10秒定时的去检测服务的可用性，如果服务状态发生了变化则重新获取，之后，再根据负载均衡策略 IRule 来选择一个可用的服务；但是，在初始化的时候，是从哪里获取服务列表呢？下面就来分析这个问题

BaseLoadBalancer 有个子类 DynamicServerListLoadBalancer，它具有使用动态获取服务器列表的功能。即服务器列表在运行时可能会更改。此外，还可以通过条件来过滤掉不符合所需条件的服务。

public class DynamicServerListLoadBalancer<T extends Server> extends BaseLoadBalancer {
    // 是否正在进行服务列表的更新
    protected AtomicBoolean serverListUpdateInProgress = new AtomicBoolean(false);
    // 服务列表
    volatile ServerList<T> serverListImpl;
    // 服务过滤器
    volatile ServerListFilter<T> filter;
}

初始化时获取所有服务

在 DynamicServerListLoadBalancer中，有个 restOfInit 方法，在初始化时进行调用，在该方法中，会从 Eureka客户端中拉取所有的服务列表：

void restOfInit(IClientConfig clientConfig) {
    .............
    updateListOfServers();
    ........
}

public void updateListOfServers() {
    List<T> servers = new ArrayList<T>();
    if (serverListImpl != null) {
        // 获取所有服务列表
        servers = serverListImpl.getUpdatedListOfServers();
        // 根据条件过滤服务
        if (filter != null) {
            servers = filter.getFilteredListOfServers(servers);
        }
    }
    updateAllServerList(servers);
}

protected void updateAllServerList(List<T> ls) {
    if (serverListUpdateInProgress.compareAndSet(false, true)) {
        try {
            for (T s : ls) {
                s.setAlive(true); // 状态设置为可用
            }
            setServersList(ls);
            super.forceQuickPing(); // 强制检测服务状态
        } finally {
            serverListUpdateInProgress.set(false);
        }
    }
}

获取所有服务列表 servers = serverListImpl.getUpdatedListOfServers(); 最终会调用 DiscoveryEnabledNIWSServerList的方法：

servers = serverListImpl.getUpdatedListOfServers();

public List<DiscoveryEnabledServer> getUpdatedListOfServers(){
    return obtainServersViaDiscovery();
}

private List<DiscoveryEnabledServer> obtainServersViaDiscovery() {
    List<DiscoveryEnabledServer> serverList = new ArrayList<DiscoveryEnabledServer>();
    ........
    // 通过 eurekaClient 来获取注册的服务列表 
    EurekaClient eurekaClient = eurekaClientProvider.get();
    if (vipAddresses!=null){
        for (String vipAddress : vipAddresses.split(",")) {

            List<InstanceInfo> listOfInstanceInfo = eurekaClient.getInstancesByVipAddress(vipAddress, isSecure, targetRegion);
            for (InstanceInfo ii : listOfInstanceInfo) {
                if (ii.getStatus().equals(InstanceStatus.UP)) {
                    .....
                    DiscoveryEnabledServer des = createServer(ii, isSecure, shouldUseIpAddr);
                    serverList.add(des);
                }
            }
            ......
        }
    }
    return serverList;
}