限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

栏目: 后端 · 发布时间: 6年前

内容简介:我们已经知道了sentinel实现限流降级的原理,其核心就是一堆Slot组成的调用链。这里大概的介绍下每种Slot的功能职责:每个Slot执行完业务逻辑处理后,会调用fireEntry()方法,该方法将会触发下一个节点的entry方法,下一个节点又会调用他的fireEntry,以此类推直到最后一个Slot,由此就形成了sentinel的责任链。

我们已经知道了sentinel实现限流降级的原理,其核心就是一堆Slot组成的调用链。

这里大概的介绍下每种Slot的功能职责:

  • NodeSelectorSlot 负责收集资源的路径,并将这些资源的调用路径,以树状结构存储起来,用于根据调用路径来限流降级;

  • ClusterBuilderSlot 则用于存储资源的统计信息以及调用者信息,例如该资源的 RT, QPS, thread count 等等,这些信息将用作为多维度限流,降级的依据;

  • StatisticsSlot 则用于记录,统计不同维度的 runtime 信息;

  • SystemSlot 则通过系统的状态,例如 load1 等,来控制总的入口流量;

  • AuthoritySlot 则根据黑白名单,来做黑白名单控制;

  • FlowSlot 则用于根据预设的限流规则,以及前面 slot 统计的状态,来进行限流;

  • DegradeSlot 则通过统计信息,以及预设的规则,来做熔断降级;

每个Slot执行完业务逻辑处理后,会调用fireEntry()方法,该方法将会触发下一个节点的entry方法,下一个节点又会调用他的fireEntry,以此类推直到最后一个Slot,由此就形成了sentinel的责任链。

下面我们就来详细研究下这些Slot的原理。

NodeSelectorSlot

NodeSelectorSlot 是用来构造调用链的,具体的是将资源的调用路径,封装成一个一个的节点,再组成一个树状的结构来形成一个完整的调用链, NodeSelectorSlot 是所有Slot中最关键也是最复杂的一个Slot,这里涉及到以下几个核心的概念:

  • Resource

资源是 Sentinel 的关键概念。它可以是 Java 应用程序中的任何内容,例如,由应用程序提供的服务,或由应用程序调用的其它服务,甚至可以是一段代码。

只要通过 Sentinel API 定义的代码,就是资源,能够被 Sentinel 保护起来。大部分情况下,可以使用方法签名,URL,甚至服务名称作为资源名来标示资源。

简单来说,资源就是 Sentinel 用来保护系统的一个媒介。源码中用来包装资源的类是: com.alibaba.csp.sentinel.slotchain.ResourceWrapper ,他有两个子类: StringResourceWrapperMethodResourceWrapper ,通过名字就知道可以将一段字符串或一个方法包装为一个资源。

打个比方,我有一个服务A,请求非常多,经常会被陡增的流量冲垮,为了防止这种情况,简单的做法,我们可以定义一个 Sentinel 的资源,通过该资源来对请求进行调整,使得允许通过的请求不会把服务A搞崩溃。

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

每个资源的状态也是不同的,这取决于资源后端的服务,有的资源可能比较稳定,有的资源可能不太稳定。那么在整个调用链中,Sentinel 需要对不稳定资源进行控制。当调用链路中某个资源出现不稳定,例如,表现为 timeout,或者异常比例升高的时候,则对这个资源的调用进行限制,并让请求快速失败,避免影响到其它的资源,最终导致雪崩的后果。

  • Context

上下文是一个用来保存调用链当前状态的元数据的类,每次进入一个资源时,就会创建一个上下文。 并且相同的资源名只会创建一个上下文。 一个Context中包含了三个核心的对象:

1)当前调用链的根节点:EntranceNode

2)当前的入口:Entry

3)当前入口所关联的节点:Node

上下文中只会保存一个当前正在处理的入口Entry,另外还会保存调用链的根节点。 需要注意的是,每次进入一个新的资源时,都会创建一个新的上下文。

  • Entry

每次调用 SphU#entry() 都会生成一个Entry入口,该入口中会保存了以下数据:入口的创建时间,当前入口所关联的节点,当前入口所关联的调用源对应的节点。Entry是一个抽象类,他只有一个实现类,在CtSph中的一个静态类:CtEntry

  • Node

节点是用来保存某个资源的各种实时统计信息的,他是一个接口,通过访问节点,就可以获取到对应资源的实时状态,以此为依据进行限流和降级操作。

可能看到这里,大家还是比较懵,这么多类到底有什么用,接下来就让我们更进一步,挖掘一下这些类的作用,在这之前,我先给大家展示一下他们之间的关系,如下图所示:

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

这里把几种Node的作用先大概介绍下:

节点 作用
StatisticNode 执行具体的资源统计操作
DefaultNode 该节点持有指定上下文中指定资源的统计信息,当在同一个上下文中多次调用entry方法时,该节点可能下会创建有一系列的子节点。
另外每个DefaultNode中会关联一个ClusterNode
ClusterNode 该节点中保存了资源的总体的运行时统计信息,包括rt,线程数,qps等等,相同的资源会全局共享同一个ClusterNode,不管他属于哪个上下文
EntranceNode 该节点表示一棵调用链树的入口节点,通过他可以获取调用链树中所有的子节点

Context的创建与销毁

首先我们要清楚的一点就是,每次执行entry()方法,试图冲破一个资源时,都会生成一个上下文。这个上下文中会保存着调用链的根节点和当前的入口。

Context是通过ContextUtil创建的,具体的方法是trueEntry,代码如下:

上面的代码中我省略了部分代码,只保留了核心的部分。从源码中还是可以比较清晰的看出生成Context的过程:

  • 1.先从ThreadLocal中获取,如果能获取到直接返回,如果获取不到则继续第2步

  • 2.从一个static的map中根据上下文的名称获取,如果能获取到则直接返回,否则继续第3步

  • 3.加锁后进行一次double check,如果还是没能从map中获取到,则创建一个EntranceNode,并把该EntranceNode添加到一个全局的ROOT节点中去,然后将该节点添加到map中去(这部分代码在上述代码中省略了)

  • 4.根据EntranceNode创建一个上下文,并将该上下文保存到ThreadLocal中去,下一个请求可以直接获取

那保存在ThreadLocal中的上下文什么时候会清除呢?从代码中可以看到具体的清除工作在ContextUtil的exit方法中,当执行该方法时,会将保存在ThreadLocal中的context对象清除,具体的代码非常简单,这里就不贴代码了。

那ContextUtil.exit方法什么时候会被调用呢?有两种情况:一是主动调用ContextUtil.exit的时候,二是当一个入口Entry要退出,执行该Entry的trueExit方法的时候,此时会触发ContextUtil.exit的方法。但是有一个前提,就是当前Entry的父Entry为null时,此时说明该Entry已经是最顶层的根节点了,可以清除context。

调用链树

当在一个上下文中多次调用了 SphU#entry() 方法时,就会创建一棵调用链树。具体的代码在entry方法中创建CtEntry对象时:

这里可能看代码没有那么直观,可以用一些图形来描述一下这个过程。

构造树干

创建context

context的创建在上面已经分析过了,初始化的时候,context中的curEntry属性是没有值的,如下图所示:

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

创建Entry

每创建一个新的Entry对象时,都会重新设置context的curEntry,并将context原来的curEntry设置为该新Entry对象的父节点,如下图所示:

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

退出Entry

某个Entry退出时,将会重新设置context的curEntry,当该Entry是最顶层的一个入口时,将会把ThreadLocal中保存的context也清除掉,如下图所示:

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

构造叶子节点

上面的过程是构造了一棵调用链的树,但是这棵树只有树干,没有叶子,那叶子节点是在什么时候创建的呢?DefaultNode就是叶子节点,在叶子节点中保存着目标资源在当前状态下的统计信息。通过分析,我们知道了叶子节点是在NodeSelectorSlot的entry方法中创建的。具体的代码如下:

上面的代码可以分解成下面这些步骤: 1)获取当前上下文对应的DefaultNode,如果没有的话会为当前的调用新生成一个DefaultNode节点,它的作用是对资源进行各种统计度量以便进行流控; 2)将新创建的DefaultNode节点,添加到context中,作为「entranceNode」或者「curEntry.parent.curNode」的子节点; 3)将DefaultNode节点,添加到context中,作为「curEntry」的curNode。

上面的第2步,不是每次都会执行。我们先看第3步,把当前DefaultNode设置为context的curNode,实际上是把当前节点赋值给context中curEntry的curNode,用图形表示就是这样:

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

多次创建不同的Entry,并且执行NodeSelectorSlot的entry方法后,就会变成这样一棵调用链树:

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

PS:这里图中的node0,node1,node2可能是相同的node,因为在同一个context中从map中获取的node是同一个,这里只是为了表述的更清楚所以用了不同的节点名。

保存子节点

上面已经分析了叶子节点的构造过程,叶子节点是保存在各个Entry的curNode属性中的。

我们知道context中只保存了入口节点和当前Entry,那子节点是什么时候保存的呢,其实子节点就是上面代码中的第2步中保存的。

下面我们来分析上面的第2步的情况:

第一次调用NodeSelectorSlot的entry方法时,map中肯定是没有DefaultNode的,那就会进入第2步中,创建一个node,创建完成后会把该节点加入到context的lastNode的子节点中去。我们先看一下context的getLastNode方法:

代码中我们可以知道,lastNode的值可能是context中的entranceNode也可能是curEntry.parent.curNode,但是他们都是「DefaultNode」类型的节点,DefaultNode的所有子节点是保存在一个HashSet中的。

第一次调用getLastNode方法时,context中curEntry是null,因为curEntry是在第3步中才赋值的。所以,lastNode最初的值就是context的entranceNode。那么将node添加到entranceNode的子节点中去之后就变成了下面这样:

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

紧接着再进入一次,资源名不同,会再次生成一个新的Entry,上面的图形就变成下图这样:

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

此时再次调用context的getLastNode方法,因为此时curEntry的parent不再是null了,所以获取到的lastNode是curEntry.parent.curNode,在上图中可以很方便的看出,这个节点就是 node0 。那么把当前节点node1添加到lastNode的子节点中去,上面的图形就变成下图这样:

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

然后将当前node设置给context的curNode,上面的图形就变成下图这样:

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

假如再创建一个Entry,然后再进入一次不同的资源名,上面的图就变成下面这样:

限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析

至此NodeSelectorSlot的基本功能已经大致分析清楚了。

PS:以上的分析是基于每次执行SphU.entry(name)时,资源名都是不一样的前提下。如果资源名都一样的话,那么生成的node都相同,则只会再第一次把node加入到entranceNode的子节点中去,其他的时候,只会创建一个新的Entry,然后替换context中的curEntry的值。

ClusterBuilderSlot

NodeSelectorSlot的entry方法执行完之后,会调用fireEntry方法,此时会触发ClusterBuilderSlot的entry方法。

ClusterBuilderSlot的entry方法比较简单,具体代码如下:

NodeSelectorSlot的职责比较简单,主要做了两件事:

一、为每个资源创建一个clusterNode,然后把clusterNode塞到DefaultNode中去

二、将clusterNode保持到全局的map中去,用资源作为map的key

PS:一个资源只有一个ClusterNode,但是可以有多个DefaultNode

StatistcSlot

StatisticSlot负责来统计资源的实时状态,具体的代码如下:

代码分成了两部分,第一部分是entry方法,该方法首先会触发后续slot的entry方法,即SystemSlot、FlowSlot、DegradeSlot等的规则,如果规则不通过,就会抛出BlockException,则会在node中统计被block的数量。反之会在node中统计通过的请求数和线程数等信息。第二部分是在exit方法中,当退出该Entry入口时,会统计rt的时间,并减少线程数。

这些统计的实时数据会被后续的校验规则所使用,具体的统计方式是通过 滑动窗口 来实现的。后面我会详细分析滑动窗口的原理。

SystemSlot

SystemSlot就是根据总的请求统计信息,来做流控,主要是防止系统被搞垮,具体的代码如下:

其中的Constants.ENTRY_NODE是一个全局的ClusterNode,该节点的值是在StatisticsSlot中进行统计的。

AuthoritySlot

AuthoritySlot做的事也比较简单,主要是根据黑白名单进行过滤,只要有一条规则校验不通过,就抛出异常。

FlowSlot

FlowSlot主要是根据前面统计好的信息,与设置的限流规则进行匹配校验,如果规则校验不通过则进行限流,具体的代码如下:

DegradeSlot

DegradeSlot主要是根据前面统计好的信息,与设置的降级规则进行匹配校验,如果规则校验不通过则进行降级,具体的代码如下:

总结

sentinel的限流降级等功能,主要是通过一个SlotChain实现的。在链式插槽中,有7个核心的Slot,这些Slot各司其职,可以分为以下几种类型:

一、进行资源调用路径构造的NodeSelectorSlot和ClusterBuilderSlot

二、进行资源的实时状态统计的StatisticsSlot

三、进行系统保护,限流,降级等规则校验的SystemSlot、AuthoritySlot、FlowSlot、DegradeSlot

后面几个Slot依赖于前面几个Slot统计的结果。至此,每种Slot的功能已经基本分析清楚了。

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限流降级神器哨兵 (sentinel) 的资源调用链原理分析


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