在微服務(wù)架構(gòu)盛行的當(dāng)下，我們會借助 Spring Cloud 等主流的微服務(wù)開發(fā)框架來實現(xiàn)各個微服務(wù)。而在服務(wù)與服務(wù)的調(diào)用過程中，負(fù)載均衡是一項基本技術(shù)手段，用來確保系統(tǒng)高可用的同時也能實現(xiàn)對請求的有效分發(fā)，從而提升系統(tǒng)性能。

今天我們討論負(fù)載均衡的切入點并不是它的基本概念和原理，而是專注于 Spring Cloud 框架對負(fù)載均衡實現(xiàn)過程所提供的開發(fā)友好性。熟悉 Spring Cloud 的人，應(yīng)該知道，我們想要在服務(wù)調(diào)用過程中嵌入負(fù)載均衡機(jī)制，要做的事情就只有一件，就是在 RestTemplate 模板工具類上添加一個@LoadBalanced 注解。

@LoadBalanced
@Bean
public RestTemplate getRestTemplate(){
   return new RestTemplate();
}

這里的 RestTemplate 是 Spring 自帶的一個 HTTP 請求工具類，本身并具備負(fù)載均衡能力。你可能會覺得奇怪，為什么在這個工具類上添加了@LoadBalanced 注解就能自動嵌入負(fù)載均衡機(jī)制呢？這個@LoadBalanced 注解背后的工作原理又是怎么樣的呢？這就是今天我們要分析的內(nèi)容，我們接著往下看。

Spring Cloud 中的@LoadBalanced

讓我們打開 Spring Cloud 源碼，來到 spring-cloud-commons 這個代碼工程，可以發(fā)現(xiàn)雖然這個工程的名稱是 common，但內(nèi)置了大量以 client 命名的代碼包。這些代碼包中就包含了與服務(wù)發(fā)現(xiàn)、負(fù)載均衡相關(guān)的所有基礎(chǔ)類定義，我們要介紹的@LoadBalanced 注解也位于這些代碼包中。

spring-cloud-commons 代碼工程圖

事實上，在 Spring Cloud 中存在一個自動配置類 LoadBalancerAutoConfiguration 類。而在這個類中，維護(hù)著一個被@LoadBalanced 修飾的 RestTemplate 對象列表。

@LoadBalanced
@Autowired(required = false)
private List<RestTemplate> restTemplates = Collections.emptyList();

針對這些被@LoadBalanced 注解修飾的 RestTemplate，在 LoadBalancerAutoConfiguration 初始化的過程中，Spring 容器會調(diào)用 RestTemplateCustomizer 的 customize 方法進(jìn)行定制化，這個定制化的過程就是對目標(biāo) RestTemplate 增加攔截器 LoadBalancerInterceptor。

@Bean
 @ConditionalOnMissingBean
 public RestTemplateCustomizer restTemplateCustomizer(
    final LoadBalancerInterceptor loadBalancerInterceptor) {
   return restTemplate -> {
                List<ClientHttpRequestInterceptor> list = new ArrayList<>(
                        restTemplate.getInterceptors());
                list.add(loadBalancerInterceptor);
 //為 RestTemplate 添加攔截器
                restTemplate.setInterceptors(list);
            };
 }

這里就用到了 RestTemplate 的攔截器擴(kuò)展機(jī)制。有時候我們需要對 HTTP 請求做一些通用的攔截設(shè)置，就會使用到攔截器。這些攔截器需要實現(xiàn) ClientHttpRequestInterceptor 接口，而這里的 LoadBalancerInterceptor 就是用于對請求進(jìn)行攔截。

我們在它的構(gòu)造函數(shù)中發(fā)現(xiàn)傳入了一個 LoadBalancerClient，而在它的攔截方法中，本質(zhì)上就是使用這個 LoadBalanceClient 來執(zhí)行真正的負(fù)載均衡。LoadBalancerInterceptor 類代碼如下所示：

public class LoadBalancerInterceptor implements ClientHttpRequestInterceptor {
  ...
public LoadBalancerInterceptor(LoadBalancerClient loadBalancer) {
this(loadBalancer, new LoadBalancerRequestFactory(loadBalancer));
 }
@Override
public ClientHttpResponse intercept(final HttpRequest request, final byte[] body, final ClientHttpRequestExecution execution) throws IOException {
final URI originalUri = request.getURI();
  String serviceName = originalUri.getHost();
//通過 LoadBalancerClient 執(zhí)行負(fù)載均衡
returnthis.loadBalancer.execute(serviceName, requestFactory.createRequest(request, body, execution));
 }
}

可以看到，這里的 intercept 攔截方法中直接調(diào)用了 LoadBalancerClient 接口的 execute 方法完成對請求的負(fù)載均衡執(zhí)行。而這個方法的輸入?yún)?shù)有兩個，一個是代表服務(wù)名稱的 serviceName，另一個則是代表負(fù)載均衡請求對象的 LoadBalancerRequest。具體的 LoadBalancerRequest 是如下所示的一個 ServiceRequestWrapper 包裝類：

public class ServiceRequestWrapper extends HttpRequestWrapper {
privatefinal ServiceInstance instance;
privatefinal LoadBalancerClient loadBalancer;
public ServiceRequestWrapper(HttpRequest request, ServiceInstance instance, LoadBalancerClient loadBalancer) {
super(request);
this.instance = instance;
this.loadBalancer = loadBalancer;
 }
@Override
public URI getURI() {
  URI uri = this.loadBalancer.reconstructURI(this.instance, getRequest().getURI());
return uri;
 }
}

這段代碼中同樣出現(xiàn)了 LoadBalanceClient，并用它來完成了請求地址 URI 的構(gòu)建。顯然，LoadBalanceClient 是我們分析負(fù)載均衡機(jī)制的核心入口。接下來，我們就對這個接口及其實現(xiàn)類進(jìn)行詳細(xì)的展開。

LoadBalancerClient 接口與實現(xiàn)類

LoadBalancerClient 是一個非常重要的接口，定義如下：

public interface LoadBalancerClient extends ServiceInstanceChooser {
 //執(zhí)行負(fù)載均衡調(diào)用
 <T> T execute(String serviceId, LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException;
 //執(zhí)行負(fù)載均衡調(diào)用
 <T> T execute(String serviceId, ServiceInstance serviceInstance,
   LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException;
 //構(gòu)建負(fù)載均衡調(diào)用 URI
 URI reconstructURI(ServiceInstance instance, URI original);
}

這里有兩個 execute 重載方法，用于根據(jù)負(fù)載均衡器所確定的服務(wù)實例來執(zhí)行服務(wù)調(diào)用。而 reconstructURI 方法則用于構(gòu)建服務(wù) URI，基于負(fù)載均衡所選擇的 ServiceInstance 信息，并利用服務(wù)實例的 host、port 以及端點路徑，我們就可以構(gòu)造一個真正可供訪問的服務(wù)地址。

同時，我們發(fā)現(xiàn) LoadBalancerClient 有一個父接口——ServiceInstanceChooser，這個接口的定義如下：

public interface ServiceInstanceChooser {
 //根據(jù) serviceId 選擇目標(biāo)服務(wù)實例
 ServiceInstance choose(String serviceId);
 //根據(jù) serviceId 和請求選擇目標(biāo)服務(wù)實例
  <T> ServiceInstance choose(String serviceId, Request<T> request);
}

顯然，從負(fù)載均衡角度講，我們應(yīng)該重點關(guān)注實際上是這兩個 choose 方法的實現(xiàn)，因為它們完成了對目標(biāo)服務(wù)實例的具體選擇過程，而這個選擇過程集成了各種負(fù)載均衡算法。

在 Spring Cloud 中，針對 LoadBalancerClient 接口有一組實現(xiàn)類，包括我們要介紹的這個 Spring Cloud Netflix 中的 RibbonLoadBalancerClient 類。這個類基于 Netflix Ribbon 組件實現(xiàn)了負(fù)載均衡機(jī)制，是 Spring Cloud 中最早、最經(jīng)典的一種負(fù)載均衡實現(xiàn)方式。

這里我們有必要梳理一下 Netflix Ribbon 和 Spring Cloud 之間的關(guān)系。Netflix Ribbon 是來自 Netflix 的一個外部組件，它提供的只是一個輔助工具。這個輔助工具的目的是讓你去集成它，而不是說它自己完成所有的工作。Spring Cloud Netflix Ribbon 就是 Spring Cloud 專門針對 Netflix Ribbon 提供的一個獨立的集成實現(xiàn)。

對于 Netflix Ribbon 而言，Spring Cloud Netflix Ribbon 相當(dāng)于它的客戶端；對于 Spring Cloud Netflix Ribbon 來說，我們的應(yīng)用服務(wù)相當(dāng)于它的客戶端。Netflix Ribbon、Spring Cloud Netflix Ribbon、應(yīng)用服務(wù)這三者之間的關(guān)系以及核心入口是這樣的：

Spring Cloud 負(fù)載均衡三大組件之間的關(guān)系圖

在 RibbonLoadBalancerClient 中，我們可以看到它的 choose 方法是調(diào)用了一個 getServer 方法來獲取服務(wù)器信息，而這個 getServer 方法則是通過 ILoadBalancer 接口完成了對目標(biāo)服務(wù)器的選擇，對應(yīng)代碼如下所示：

public ServiceInstance choose(String serviceId, Object hint) {
  Server server = getServer(getLoadBalancer(serviceId), hint);
  ...
 }
 protected Server getServer(ILoadBalancer loadBalancer, Object hint) {
  ...
  return loadBalancer.chooseServer(hint != null ? hint : "default");
 }

這個 ILoadBalancer 就來自于 Netflix Ribbon，這個接口位于 com.netflix.loadbalancer 包下，定義是這樣的：

public interface ILoadBalancer {
//添加后端服務(wù)
public void addServers(List<Server> newServers);
//選擇一個后端服務(wù)
public Server chooseServer(Object key);
//標(biāo)記一個服務(wù)不可用
public void markServerDown(Server server);
//獲取當(dāng)前可用的服務(wù)列表
public List<Server> getReachableServers();
//獲取所有后端服務(wù)列表
public List<Server> getAllServers();
}

針對負(fù)載均衡，我們重點應(yīng)該關(guān)注的是 ILoadBalancer 接口中 chooseServer 方法。從方法命名上，我們不難理解這個方法完成了對某一個服務(wù)端實例的選擇過程，從而包含了具體的負(fù)載均衡實現(xiàn)過程。

public Server chooseServer(Object key) {
        if (counter == null) {
            counter = createCounter();
        }
        counter.increment();
        if (rule == null) {
            returnnull;
        } else {
            try {
                return rule.choose(key);
            } catch (Exception e) {
                 returnnull;
            }
        }
}

可以看到，這里使用了一個 IRule 接口集成了具體負(fù)載均衡策略的實現(xiàn)。IRule 接口是對負(fù)載均衡策略的一種抽象，可以通過實現(xiàn)這個接口來提供各種負(fù)載均衡算法，代碼示例是這樣的：

public interface IRule{
    public Server choose(Object key);
    public void setLoadBalancer(ILoadBalancer lb);
    public ILoadBalancer getLoadBalancer();
}

接下來就讓我們看看 Ribbon 中的 IRule 接口為我們提供了具體哪些負(fù)載均衡算法?；氐?Netflix Ribbon，IRule 接口的類層結(jié)構(gòu)如下圖所示：

IRule 接口的類層結(jié)構(gòu)圖

可以看到，Netflix Ribbon 中的負(fù)載均衡實現(xiàn)策略是非常豐富的，既提供了 RandomRule、RoundRobinRule 等無狀態(tài)的靜態(tài)策略，又實現(xiàn)了 AvailabilityFilteringRule、WeightedResponseTimeRule 等多種基于服務(wù)器運行狀況進(jìn)行實時路由的動態(tài)策略。

在上圖中，我們還看到了 RetryRule 這種重試策略，這種策略會對選定的負(fù)載均衡策略執(zhí)行重試機(jī)制。嚴(yán)格意義上講，重試是一種服務(wù)容錯而不是負(fù)載均衡機(jī)制，但 Ribbon 也內(nèi)置了這方面的功能。

事實上，我們也可以基于 IRule 接口實現(xiàn)任何定制化的負(fù)載均衡算法，然后通過配置的方式加載到 Spring Cloud 中，示例代碼如下所示：

@Configuration
public class LoadBalanceConfig{
    @Autowired
    IClientConfig config;
    @Bean
    @ConditionalOnMissingBean
    public IRule customRule(IClientConfig config) {
        return new RandomRule();
    }
}

這個配置類的作用是使用 RandomRule 替換 Ribbon 中的默認(rèn)負(fù)載均衡策略——RoundRobin。

總結(jié)

好了，讓我們來總結(jié)回顧一下今天的內(nèi)容吧。對于一款客戶端負(fù)載均衡工具而言，要做的事情無非是從服務(wù)列表中選擇一個服務(wù)進(jìn)行調(diào)用。為了實現(xiàn)這個過程，我們首先需要集成各種負(fù)載均衡算法，另一方面我們也需要提供入口供客戶端請求進(jìn)行使用。

Spring Cloud 就為我們提供了一種非常友好的實現(xiàn)方式，開發(fā)人員只需要通過一個簡單的@LoadBalanced 注解就能自動在調(diào)用過程中集成負(fù)載均衡機(jī)制。