Dubbo剖析-集群容错

本篇主要对dubbo集群容错进行剖析，主要下面几个模块

cluster容错方案
Directory目录服务
route 路由解析
loadBalance 软负载均衡

一、调用链路

二、容错方案

集群模式的配置

<dubbo:service cluster="failsafe" /> 服务提供方
<dubbo:reference cluster="failsafe" /> 服务消费方

集群容错实现

接口类 com.alibaba.dubbo.rpc.cluster.Cluster
Cluster实现类

1.AvailableCluster
获取可用的调用。遍历所有Invokers判断Invoker.isAvalible,只要一个有为true直接调用返回，不管成不成功

2.BroadcastCluster
广播调用。遍历所有Invokers, 逐个调用每个调用catch住异常不影响其他invoker调用

3.FailbackCluster
失败自动恢复，对于invoker调用失败，后台记录失败请求，任务定时重发, 通常用于通知

//FailbackClusterInvoker
//记录失败的调用
private final ConcurrentMap<Invocation, AbstractClusterInvoker<?>> failed = new ConcurrentHashMap<Invocation, AbstractClusterInvoker<?>>();

protected Result doInvoke(Invocation invocation, List<Invoker<T>> invokers, LoadBalance loadbalance) throws RpcException {
        try {
            checkInvokers(invokers, invocation);
            Invoker<T> invoker = select(loadbalance, invocation, invokers, null);
            return invoker.invoke(invocation);
        } catch (Throwable e) {
            //失败后调用 addFailed
            addFailed(invocation, this);
            return new RpcResult(); // ignore
        }
    }

private void addFailed(Invocation invocation, AbstractClusterInvoker<?> router) {
    if (retryFuture == null) {
        synchronized (this) {
            if (retryFuture == null) {
                retryFuture = scheduledExecutorService.scheduleWithFixedDelay(new Runnable() {

                    public void run() {
                        // 收集统计信息
                        try {
                            retryFailed();
                        } catch (Throwable t) { // 防御性容错
                            logger.error("Unexpected error occur at collect statistic", t);
                        }
                    }
                }, RETRY_FAILED_PERIOD, RETRY_FAILED_PERIOD, TimeUnit.MILLISECONDS);
            }
        }
    }
    failed.put(invocation, router);
}

//失败的进行重试，重试成功后移除当前map
void retryFailed() {
        if (failed.size() == 0) {
            return;
        }
        for (Map.Entry<Invocation, AbstractClusterInvoker<?>> entry : new HashMap<Invocation, AbstractClusterInvoker<?>>(
                failed).entrySet()) {
            Invocation invocation = entry.getKey();
            Invoker<?> invoker = entry.getValue();
            try {
                invoker.invoke(invocation);
                failed.remove(invocation);
            } catch (Throwable e) {
                logger.error("Failed retry to invoke method " + invocation.getMethodName() + ", waiting again.", e);
            }
        }
    }

4.FailfastCluster
快速失败，只发起一次调用，失败立即保错，通常用于非幂等性操作

5.FailoverCluster default
失败转移，当出现失败，重试其它服务器，通常用于读操作，但重试会带来更长延迟
（1）目录服务directory.list(invocation) 列出方法的所有可调用服务
获取重试次数，默认重试两次

int len = getUrl().getMethodParameter(invocation.getMethodName(), Constants.RETRIES_KEY, Constants.DEFAULT_RETRIES) + 1;

（2）根据LoadBalance负载策略选择一个Invoker
（3）执行invoker.invoke(invocation)调用
（4）调用成功返回
调用失败小于重试次数，重新执行从3）步骤开始执行，调用次数大于等于重试次数抛出调用失败异常

6.FailsafeCluster
失败安全，出现异常时，直接忽略，通常用于写入审计日志等操作。

7.ForkingCluster
并行调用，只要一个成功即返回，通常用于实时性要求较高的操作，但需要浪费更多服务资源。

注：
还有 MergeableCluster 和 MockClusterWrapper策略，但是个人没有用过所以就不说了

三、Directory目录服务

1. StaticDirectory

静态目录服务，它的所有Invoker通过构造函数传入，服务消费方引用服务的时候，服务对多注册中心的引用，将Invokers集合直接传入 StaticDirectory构造器

public StaticDirectory(URL url, List<Invoker<T>> invokers, List<Router> routers) {
    super(url == null && invokers != null && invokers.size() > 0 ? invokers.get(0).getUrl() : url, routers);
    if (invokers == null || invokers.size() == 0)
        throw new IllegalArgumentException("invokers == null");
    this.invokers = invokers;
}

StaticDirectory的list方法直接返回所有invoker集合

@Override
protected List<Invoker<T>> doList(Invocation invocation) throws RpcException {
    return invokers;
}

2. RegistryDirectory

注册目录服务，它的Invoker集合是从注册中心获取的，它实现了NotifyListener接口实现了回调接口notify(List<Url>)。

比如消费方要调用某远程服务，会向注册中心订阅这个服务的所有服务提供方，订阅时和服务提供方数据有变动时回调消费方的NotifyListener服务的notify方法NotifyListener.notify(List<Url>) 回调接口传入所有服务的提供方的url地址然后将urls转化为invokers, 也就是refer应用远程服务到此时引用某个远程服务的RegistryDirectory中有对这个远程服务调用的所有invokers。

RegistryDirectory.list(invocation)就是根据服务调用方法获取所有的远程服务引用的invoker执行对象

四、服务路由

dubbo路由功能貌似用的不多，目的主要是对已注册的服务进行过滤，比如只能调用某些配置的服务，或者禁用某些服务。

1. ConditionRouter条件路由

dubbo-admin 后台进行配置。

路由代码入口

public <T> List<Invoker<T>> route(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation)
            throws RpcException {
    if (invokers == null || invokers.size() == 0) {
        return invokers;
    }
    try {
        if (!matchWhen(url, invocation)) {
            return invokers;
        }
        List<Invoker<T>> result = new ArrayList<Invoker<T>>();
        if (thenCondition == null) {
            logger.warn("The current consumer in the service blacklist. consumer: " + NetUtils.getLocalHost() + ", service: " + url.getServiceKey());
            return result;
        }
    .............................

2. ScriptRouter脚本路由

按照dubbo脚本规则进行编写，程序识别

五、软负载均衡

1. RandomLoadBalance `default`

随机，按权重设置随机概率。权重default=100
在一个截面上碰撞的概率高，但调用量越大分布越均匀，而且按概率使用权重后也比较均匀，有利于动态调整提供者权重。

    protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
        int length = invokers.size(); // 总个数
        int totalWeight = 0; // 总权重
        boolean sameWeight = true; // 权重是否都一样
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            int weight = getWeight(invokers.get(i), invocation);
            totalWeight += weight; // 累计总权重
            if (sameWeight && i > 0
                    && weight != getWeight(invokers.get(i - 1), invocation)) {
                sameWeight = false; // 计算所有权重是否一样
            }
        }
        if (totalWeight > 0 && !sameWeight) {
            // 如果权重不相同且权重大于0则按总权重数随机
            int offset = random.nextInt(totalWeight);
            // 并确定随机值落在哪个片断上
            for (int i = 0; i < length; i++) {
                offset -= getWeight(invokers.get(i), invocation);
                if (offset < 0) {
                    return invokers.get(i);
                }
            }
        }
        // 如果权重相同或权重为0则均等随机
        return invokers.get(random.nextInt(length));
    }

算法含义
如果所有的服务权重都一样，就采用总服务数进行随机。如果权重不一样，则按照权重出随机数，然后用随机数减去服务权重，结果为负数则使用当前循环的服务。其实也就是一个概率性问题每个服务的概率就是当前服务的权重/ 总服务权重

2. RoundRobinLoadBalance

轮循，按公约后的权重设置轮循比率。
存在慢的提供者累积请求的问题，比如：第二台机器很慢，但没挂，当请求调到第二台时就卡在那，久而久之，所有请求都卡在调到第二台上。

该负载算法维护着一个方法调用顺序计数

private final ConcurrentMap<String, AtomicPositiveInteger> sequences = new ConcurrentHashMap<String, AtomicPositiveInteger>();

以方法名作为key

轮循分为普通轮询和加权轮询。权重一样时，采用取模运算普通轮询，反之加权轮询。

下面看下具体的实现
RoundRobinLoadBalance#doSelect

i.普通轮询

AtomicPositiveInteger sequence = sequences.get(key);
if (sequence == null) {
    sequences.putIfAbsent(key, new AtomicPositiveInteger());
    sequence = sequences.get(key);
}
//获取本次调用的服务器序号，并+1
int currentSequence = sequence.getAndIncrement();

//当前序号和服务总数取模
return invokers.get(currentSequence % length);

ii.加权轮询
下面贴下核心实现代码。注意几个变量

weightSum = 服务权重之和
invokerToWeightMap = 权重>0的 invoker map

int currentSequence = sequence.getAndIncrement();
if (maxWeight > 0 && minWeight < maxWeight) { // 权重不一样

    // mod < weightSum，下面for循环进行weight递减，weight大的服务被调用的概率大
    int mod = currentSequence % weightSum;
    for (int i = 0; i < maxWeight; i++) {
        for (Map.Entry<Invoker<T>, IntegerWrapper> each : invokerToWeightMap.entrySet()) {
            final Invoker<T> k = each.getKey();
            final IntegerWrapper v = each.getValue();
            if (mod == 0 && v.getValue() > 0) {
                return k;
            }
            if (v.getValue() > 0) {
                v.decrement();
                mod--;
            }
        }
    }
}

可以举个例子
两个服务 A 和 B，权重分别是1和2
那么 mod=[0,1,2]，经过上面的逻辑，调用概率是 A B B A B B A B B ..... 显然B的概率更大一些

3. LeastActiveLoadBalance

最少活跃调用数优先，活跃数指调用前后计数差。使慢的提供者收到更少请求，因为越慢的提供者的调用前后计数差会越大。

每个服务有一个活跃计数器,我们假如有A,B两个提供者.计数均为0.当A提供者开始处理请求,该计数+1,此时A还没处理完,当处理完后则计数-1.而B请求接收到请求处理得很快.B处理完后A还没处理完,所以此时A,B的计数为1,0.那么当有新的请求来的时候,就会选择B提供者(B的活跃计数比A小).这就是文档说的,使慢的提供者收到更少请求。

int leastCount = 0; // 相同最小活跃数的个数
int[] leastIndexs = new int[length]; // 相同最小活跃数的下标

i.最小活跃服务个数=1，该服务优先

if (leastCount == 1) {
    // 如果只有一个最小则直接返回
    return invokers.get(leastIndexs[0]);
}

ii.最小活跃服务个数>1, 最小活跃的服务按照权重随机

if (!sameWeight && totalWeight > 0) {
    // 如果权重不相同且权重大于0则按总权重数随机
    int offsetWeight = random.nextInt(totalWeight);
    // 并确定随机值落在哪个片断上
    for (int i = 0; i < leastCount; i++) {
        int leastIndex = leastIndexs[i];
        //权重越大，offsetWeight越快减成负数
        offsetWeight -= getWeight(invokers.get(leastIndex), invocation);
        if (offsetWeight <= 0)
            return invokers.get(leastIndex);
    }
}

iii. 最小活跃服务个数>1, 权重相同，服务个数随机

// 如果权重相同或权重为0则均等随机
return invokers.get(leastIndexs[random.nextInt(leastCount)]);

4. ConsistentHashLoadBalance

一致性 Hash，相同参数的请求总是发到同一提供者。
当某一台提供者挂时，原本发往该提供者的请求，基于虚拟节点，平摊到其它提供者，不会引起剧烈变动。
算法参见：http://en.wikipedia.org/wiki/Consistent_hashing
缺省只对第一个参数 Hash，如果要修改，请配置 <dubbo:parameter key="hash.arguments" value="0,1" />
缺省用 160 份虚拟节点，如果要修改，请配置 <dubbo:parameter key="hash.nodes" value="320" />

配置样例

<dubbo:reference id="demoService" interface="com.youzan.dubbo.api.DemoService" loadbalance="consistenthash">
    <!--缺省只对第一个参数 Hash-->
    <dubbo:parameter key="hash.arguments" value="0,1" />
    <!--缺省用 160 份虚拟节点，-->
    <dubbo:parameter key="hash.nodes" value="160" />
</dubbo:reference>

算法解析

ConsistentHashLoadBalance为使用该算法的服务维护了一个selectors,

key=invokers.get(0).getUrl().getServiceKey() + "." + invocation.getMethodName()
eg: com.youzan.dubbo.api.DemoService.sayHello

#com.alibaba.dubbo.rpc.cluster.loadbalance.ConsistentHashLoadBalance

private final ConcurrentMap<String, ConsistentHashSelector<?>> selectors = new ConcurrentHashMap<String, ConsistentHashSelector<?>>();

@SuppressWarnings("unchecked")
@Override
protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
    String key = invokers.get(0).getUrl().getServiceKey() + "." + invocation.getMethodName();
    int identityHashCode = System.identityHashCode(invokers);

    //获取该服务的ConsistentHashSelector，并跟进本次调用获取对应invoker
    ConsistentHashSelector<T> selector = (ConsistentHashSelector<T>) selectors.get(key);
    if (selector == null || selector.getIdentityHashCode() != identityHashCode) {
        selectors.put(key, new ConsistentHashSelector<T>(invokers, invocation.getMethodName(), identityHashCode));
        selector = (ConsistentHashSelector<T>) selectors.get(key);
    }
    return selector.select(invocation);
}

ConsistentHashSelector作为ConsistentHashLoadBalance的内部类，就是具体的一致性hash实现。

ConsistentHashSelector内部元素

#com.alibaba.dubbo.rpc.cluster.loadbalance.ConsistentHashLoadBalance.ConsistentHashSelector

//该服务的所有hash节点
private final TreeMap<Long, Invoker<T>> virtualInvokers;
//虚拟节点数量
private final int replicaNumber;
//该服务的唯一hashcode，通过System.identityHashCode(invokers)获取
private final int identityHashCode;

如何构建该服务的虚拟节点？

public ConsistentHashSelector(List<Invoker<T>> invokers, String methodName, int identityHashCode) {
    // 创建TreeMap 来保存结点
    this.virtualInvokers = new TreeMap<Long, Invoker<T>>();
    // 生成调用结点HashCode
    this.identityHashCode = System.identityHashCode(invokers);
    // 获取Url 
    //dubbo://192.168.0.4:20880/com.youzan.dubbo.api.DemoService?anyhost=true&application=consumer-of-helloworld-app&check=false&class=com.youzan.dubbo.provider.DemoServiceImpl&dubbo=2.5.4&generic=false&hash.arguments=0,1&hash.nodes=160&interface=com.youzan.dubbo.api.DemoService&loadbalance=consistenthash&methods=sayHello&pid=32710&side=consumer&timestamp=1527383363936
    URL url = invokers.get(0).getUrl();
    // 获取所配置的结点数，如没有设置则使用默认值160
    this.replicaNumber = url.getMethodParameter(methodName, "hash.nodes", 160);
    // 获取需要进行hash的参数数组索引，默认对第一个参数进行hash
    String[] index = Constants.COMMA_SPLIT_PATTERN.split(url.getMethodParameter(methodName, "hash.arguments", "0"));
    argumentIndex = new int[index.length];
    for (int i = 0; i < index.length; i ++) {
        argumentIndex[i] = Integer.parseInt(index[i]);
    }
    // 创建虚拟结点
    // 对每个invoker生成replicaNumber个虚拟结点，并存放于TreeMap中
    for (Invoker<T> invoker : invokers) {
        for (int i = 0; i < replicaNumber / 4; i++) {
            // 根据md5算法为每4个结点生成一个消息摘要，摘要长为16字节128位。
            byte[] digest = md5(invoker.getUrl().toFullString() + i);
            // 随后将128位分为4部分，0-31,32-63,64-95,95-128，并生成4个32位数，存于long中，long的高32位都为0
            // 并作为虚拟结点的key。
            for (int h = 0; h < 4; h++) {
                long m = hash(digest, h);
                virtualInvokers.put(m, invoker);
            }
        }
    }
}

代码如果看的不是很懂，也不用去深究了（我就没看懂，瞻仰了网上大神的文章贴了帖注释），大家可以就粗略的认为，这段代码就是尽可能的构建出散列均匀的服务hash表。

如何从virtualInvokers选取本次调用的invoker？

// 选择invoker
public Invoker<T> select(Invocation invocation) {
    // 根据调用参数来生成Key
    String key = toKey(invocation.getArguments());
    // 根据这个参数生成消息摘要
    byte[] digest = md5(key);
    //调用hash(digest, 0)，将消息摘要转换为hashCode，这里仅取0-31位来生成HashCode
    //调用sekectForKey方法选择结点。
    Invoker<T> invoker = sekectForKey(hash(digest, 0));
    return invoker;
}

private String toKey(Object[] args) {
    StringBuilder buf = new StringBuilder();
    // 由于hash.arguments没有进行配置，因为只取方法的第1个参数作为key
    for (int i : argumentIndex) {
        if (i >= 0 && i < args.length) {
            buf.append(args[i]);
        }
    }
    return buf.toString();
}

//根据hashCode选择结点
private Invoker<T> sekectForKey(long hash) {
    Invoker<T> invoker;
    Long key = hash;
    // 若HashCode直接与某个虚拟结点的key一样，则直接返回该结点
    if (!virtualInvokers.containsKey(key)) {
        // 若不一致，找到一个比传入的key大的第一个结点。
        SortedMap<Long, Invoker<T>> tailMap = virtualInvokers.tailMap(key);
        // 若不存在，那么选择treeMap中第一个结点
        // 使用TreeMap的firstKey方法，来选择最小上界。
        if (tailMap.isEmpty()) {
            key = virtualInvokers.firstKey();
        } else {
           // 若存在则返回
            key = tailMap.firstKey();
        }
    }
    invoker = virtualInvokers.get(key);
    return invoker;
}

一致性hash环是什么东东？和上面的算法什么关系？

ConsistentHashSelector.virtualInvokers这个东西就是我们的服务hash节点，单纯的从数据结构上的确看不到什么环状的存在，可以先示意下，当前的数据结构
selector结构

virtualInvokers

我们的服务节点只是一个普通的 map数据存储而已，如何形成环呢？其实所谓的环只是逻辑上的展现，ConsistentHashSelector.sekectForKey()方法里通过 TreeMap.tailMap()、TreeMap.tailMap().firstKey、TreeMap.tailMap().firstKey() 结合case实现了环状逻辑。下面我们画图说话。

第一步原始数据结构，我们按照hash从小到大排列

A,B,C表示我们提供的服务，改示意图假设服务节点散列均匀

第二步选择服务节点

i. 假设本地调用得到的key=2120, 代码逻辑(指ConsistentHashSelector.sekectForKey)走到tailMap.firstKey()

那么读取到 3986 A服务

ii.假设本地调用得到的key=9991, tailMap为空，逻辑走到 virtualInvokers.firstKey() 回到起点

读取到 1579 A服务

上述两部情况基本已经能够描述清楚节点的选择逻辑，至于hash直接命中，那么读取对应的服务即可，无需多讲。

最后环状形成
上面两部的介绍已经描述hash算法，那么我们所谓的环状是怎么一回事呢？其实也就是为了方便更好的理解这个逻辑，我们将线性的hash排列作为环状，然后hash的选择按照顺时针方向选择节点（等价于上面hash比较大小）
环状示意
节点选择算法与上面等价，本图主要用来示意，理想的hash环hash差距应该是等差，均匀的排列。

参考:
https://blog.csdn.net/column/details/learningdubbo.html?&page=1
https://blog.csdn.net/revivedsun/article/details/71022871
https://www.jianshu.com/p/53feb7f5f5d9

Dubbo剖析-集群容错

一、调用链路

二、容错方案

集群模式的配置

集群容错实现

三、Directory目录服务

1. StaticDirectory

2. RegistryDirectory

四、服务路由

1. ConditionRouter条件路由

2. ScriptRouter脚本路由

五、软负载均衡

1. RandomLoadBalance `default`

2. RoundRobinLoadBalance

3. LeastActiveLoadBalance

4. ConsistentHashLoadBalance

配置样例

算法解析

青芒

引用和评论

dubbo框架 - 服务提供者流程

dubbo框架 - 服务消费者流程

Dubbo应用可观测性升级指南与踩坑记录

dubbo框架 - dubbo协议介绍

TimeWheel算法介绍及在应用上的探索

tio-boot整合Dubbo

Dubbo剖析-集群容错

一、调用链路

二、容错方案

集群模式的配置

集群容错实现

三、Directory目录服务

1. StaticDirectory

2. RegistryDirectory

四、服务路由

1. ConditionRouter条件路由

2. ScriptRouter脚本路由

五、软负载均衡

1. RandomLoadBalance default

2. RoundRobinLoadBalance

3. LeastActiveLoadBalance

4. ConsistentHashLoadBalance

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1. RandomLoadBalance `default`