Spring cloud负载均衡 @LoadBalanced注解原理

接上一篇文章，案例代码也在上一篇文章的基础上。

在上一篇文章的案例中，我们创建了作为Eureka server的Eureka注册中心服务、作为Eureka client的userservice、orderservice。

orderservice引入RestTemplate，加入了@LoadBalanced注解，代码如下：

package com;

@SpringBootApplication
@EnableEurekaClient
public class OrderServiceApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(OrderServiceApplication.class);
    }

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

}

从而，我们实现了基于Eureka注册中心的微服务治理框架，在orderservice调用userservice的时候通过加了@LoadBalanced注解的RestTemplate实现了负载均衡。

今天的目标是：深入研究@LoadBalanced生效的底层原理。

@LoadBalanced是怎么实现负载均衡的？

我们要回答的第一个问题是，为什么@LoadBalanced能实现负载均衡？

我们从代码的源头一路追查下去......

orderservice通过RestTemplate实现对userservice的调用代码：

@Service
public class OrderService {
    @Autowired
    private RestTemplate restTemplate;
    public String getOrder(){
        //通过userService获取user信息
        String url="http://userservice/user/getUser";
        System.out.println("url"+url);
        User user=restTemplate.getForObject(url,User.class);
        System.out.println(user);
        return user.getName();
    }
}

很容易的，我们需要有一个认知：这里访问的地址http://userservice/user/getUser只可能在Spring cloud服务治理环境下有意义，最终能访问到我们发布到本机上的userservice的如下服务：

1. http://localhost:8080
2. http://localhost:8081
3. http://localhost:8082

必定需要借助Spring Cloud的某一机制将http://userservice转换为上述地址之一。这个转换过程，也就是Spring Cloud的负载均衡机制。

跟踪getForObject：

    @Override
    @Nullable
    public <T> T getForObject(String url, Class<T> responseType, Object... uriVariables) throws RestClientException {
        RequestCallback requestCallback = acceptHeaderRequestCallback(responseType);
        HttpMessageConverterExtractor<T> responseExtractor =
                new HttpMessageConverterExtractor<>(responseType, getMessageConverters(), logger);
        return execute(url, HttpMethod.GET, requestCallback, responseExtractor, uriVariables);
    }

调用到execute方法：

    @Override
    @Nullable
    public <T> T execute(String url, HttpMethod method, @Nullable RequestCallback requestCallback,
            @Nullable ResponseExtractor<T> responseExtractor, Object... uriVariables) throws RestClientException {

        URI expanded = getUriTemplateHandler().expand(url, uriVariables);
        return doExecute(expanded, method, requestCallback, responseExtractor);
    }

doExecute方法：

@Nullable
    protected <T> T doExecute(URI url, @Nullable HttpMethod method, @Nullable RequestCallback requestCallback,
            @Nullable ResponseExtractor<T> responseExtractor) throws RestClientException {

        Assert.notNull(url, "URI is required");
        Assert.notNull(method, "HttpMethod is required");
        ClientHttpResponse response = null;
        try {
            ClientHttpRequest request = createRequest(url, method);
            if (requestCallback != null) {
                requestCallback.doWithRequest(request);
            }
            response = request.execute();
            handleResponse(url, method, response);
            return (responseExtractor != null ? responseExtractor.extractData(response) : null);
        }
        catch (IOException ex) {
            String resource = url.toString();
            String query = url.getRawQuery();
            resource = (query != null ? resource.substring(0, resource.indexOf('?')) : resource);
            throw new ResourceAccessException("I/O error on " + method.name() +
                    " request for \"" + resource + "\": " + ex.getMessage(), ex);
        }
        finally {
            if (response != null) {
                response.close();
            }
        }
    }

createRequest方法：

    protected ClientHttpRequest createRequest(URI url, HttpMethod method) throws IOException {
        ClientHttpRequest request = getRequestFactory().createRequest(url, method);
        initialize(request);
        if (logger.isDebugEnabled()) {
            logger.debug("HTTP " + method.name() + " " + url);
        }
        return request;
    }

最关键的部分来了，就是这个 getRequestFactory()方法，在RestTemplate的父类InterceptingHttpAccessor中定义：

    private final List<ClientHttpRequestInterceptor> interceptors = new ArrayList<>();


    public ClientHttpRequestFactory getRequestFactory() {
        List<ClientHttpRequestInterceptor> interceptors = getInterceptors();
        if (!CollectionUtils.isEmpty(interceptors)) {
            ClientHttpRequestFactory factory = this.interceptingRequestFactory;
            if (factory == null) {
                factory = new InterceptingClientHttpRequestFactory(super.getRequestFactory(), interceptors);
                this.interceptingRequestFactory = factory;
            }
            return factory;
        }
        else {
            return super.getRequestFactory();
        }
    }

    public List<ClientHttpRequestInterceptor> getInterceptors() {
        return this.interceptors;
    }

首先通过getInterceptor()方法检查是否有有拦截器，拦截器interceptors是由ClientHttpRequestInterceptor组成的一个list。如果有的话，就会创建InterceptingClientHttpRequestFactory、并且将拦截器interceptors送给InterceptingClientHttpRequestFactory工厂之后，返回工厂InterceptingClientHttpRequestFactory。

然后，方法调用返回到createRequest方法中，调用InterceptingClientHttpRequestFactory的createRequest方法，最终会调用到：

    @Override
    protected ClientHttpRequest createRequest(URI uri, HttpMethod httpMethod, ClientHttpRequestFactory requestFactory) {
        return new InterceptingClientHttpRequest(requestFactory, this.interceptors, uri, httpMethod);
    }

方法最终返回的是InterceptingClientHttpRequest，并且，会将工厂InterceptingClientHttpRequestFactory持有的interceptors传递给InterceptingClientHttpRequest对象：

protected InterceptingClientHttpRequest(ClientHttpRequestFactory requestFactory,
            List<ClientHttpRequestInterceptor> interceptors, URI uri, HttpMethod method) {

        this.requestFactory = requestFactory;
        this.interceptors = interceptors;
        this.method = method;
        this.uri = uri;
    }

之后返回到doExecute方法中，会调用InterceptingClientHttpRequest的父类AbstractClientHttpRequest类的execute方法、之后又转回到InterceptingClientHttpRequest类的executeInternal方法：

    @Override
    protected final ClientHttpResponse executeInternal(HttpHeaders headers, byte[] bufferedOutput) throws IOException {
        InterceptingRequestExecution requestExecution = new InterceptingRequestExecution();
        return requestExecution.execute(this, bufferedOutput);
    }

executeInternal方法创建了InterceptingClientHttpRequest内部类InterceptingRequestExecution对象之后，调用内部对象的execute方法。

查看内部类InterceptingRequestExecution，不难发现，他拿到了宿主类InterceptingClientHttpRequest的拦截器interceptors的迭代器：

private class InterceptingRequestExecution implements ClientHttpRequestExecution {

        private final Iterator<ClientHttpRequestInterceptor> iterator;

        public InterceptingRequestExecution() {
            this.iterator = interceptors.iterator();
        }

        @Override
        public ClientHttpResponse execute(HttpRequest request, byte[] body) throws IOException {
            if (this.iterator.hasNext()) {
                ClientHttpRequestInterceptor nextInterceptor = this.iterator.next();
                return nextInterceptor.intercept(request, body, this);
            }
            else {
                HttpMethod method = request.getMethod();
                Assert.state(method != null, "No standard HTTP method");
                ClientHttpRequest delegate = requestFactory.createRequest(request.getURI(), method);
                request.getHeaders().forEach((key, value) -> delegate.getHeaders().addAll(key, value));
                if (body.length > 0) {
                    if (delegate instanceof StreamingHttpOutputMessage) {
                        StreamingHttpOutputMessage streamingOutputMessage = (StreamingHttpOutputMessage) delegate;
                        streamingOutputMessage.setBody(outputStream -> StreamUtils.copy(body, outputStream));
                    }
                    else {
                        StreamUtils.copy(body, delegate.getBody());
                    }
                }
                return delegate.execute();
            }
        }
    }

然后在execute方法中首先遍历该迭代器iterator并调用迭代器对象ClientHttpRequestInterceptor的intercept方法。

拦截器ClientHttpRequestInterceptor就是实现负载均衡的关键所在，Spring正是在拦截器ClientHttpRequestInterceptor的intercept方法中，完成了负载均衡的实现：将请求中的服务名称比如本案例中的userservice、替换成了由Eureka注册中心下发下来的具体的userservice服务器（比如http://127.0.0.1:8081）

我们发现最关键的部分就是RestTemplate对象中的拦截器interceptors。

接下来的问题就是：interceptors是什么时候、怎么创建出来的？

拦截器的初始化

从RestTemplate的父类InterceptingHttpAccessor简单追踪一下，不难发现他的interceptors是通过setInterceptors方法赋值的，然后借助开发工具的帮助：

发现LoadBalanceAutoConfiguration调用了setInterceptors方法。

这个LoadBalanceAutoConfiguration的命名方式是不是很熟悉啊？我们前面分析过SpringBoot的自动配置，就是各种xxxxAutoConfiguration命名的类负责具体的自动配置任务的。

简单了解了下，LoadBalanceAutoConfiguration就是SpringBoot的自动配置类。我们找到LoadBalanceAutoConfiguration类在spring-cloud-commons包下，按图索骥，我们找到了包下的/META-INF/spring.factories文件：

因此我们知道，SpringBoot的自动配置机制会通过调用LoadBalanceAutoConfiguration类来完成LoadBalance的相关初始化工作。
所以我们接下来的工作就是要研究LoadBalanceAutoConfiguration。

LoadBalanceAutoConfiguration

第一步，从LoadBalanceAutoConfiguration类的源码知道他要通过restTemplateCustomizer方法加载一个RestTemplateCustomizer对象，方法需要一个参数LoadBalancerInterceptor：

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

先看一眼RestTemplateCustomizer类，只有一个customize方法，该方法有一个参数RestTemplate：

public interface RestTemplateCustomizer {

    void customize(RestTemplate restTemplate);

}

这个customize方法已经在restTemplateCustomizer方法中通过lamda表达式定义出来了，代码逻辑很简单：

就是要将LoadBalancerInterceptor拦截器对象通过调用RestTemplate的setInterceptors方法加入到RestTemplate的interceptors中！

似乎快要摸到开关了！！！

那么我们现在又冒出了以下几个问题：

1. 这个LoadBalancerInterceptor从哪里来？
2. RestTemplate从哪里来？
3. 什么时候调用这个已经注入到Spring Ioc容器中的RestTemplateCustomizer的customize方法？

第1、第2两个问题其实很简单。看代码：

    @Configuration(proxyBeanMethods = false)
    @Conditional(RetryMissingOrDisabledCondition.class)
    static class LoadBalancerInterceptorConfig {

        @Bean
        public LoadBalancerInterceptor loadBalancerInterceptor(LoadBalancerClient loadBalancerClient,
                LoadBalancerRequestFactory requestFactory) {
            return new LoadBalancerInterceptor(loadBalancerClient, requestFactory);
        }
        ...
}

LoadBalancerAutoConfiguration类中有一个静态配置类LoadBalancerInterceptorConfig，通过loadBalancerInterceptor方法注入了LoadBalancerInterceptor 对象，创建对象的时候通过参数注入了loadBalancerClient和LoadBalancerRequestFactory。

第2个问题，RestTemplate的注入，其实是我们从应用层通过@Bean注入的，同时加了@LoadBalanced注解。

现在我们来回答第3个问题：

什么时候调用这个已经注入到Spring Ioc容器中的RestTemplateCustomizer的customize方法?

比前两个问题稍稍复杂了一点：

    @LoadBalanced
    @Autowired(required = false)
    private List<RestTemplate> restTemplates = Collections.emptyList();
    
    @Bean
    public SmartInitializingSingleton loadBalancedRestTemplateInitializerDeprecated(
            final ObjectProvider<List<RestTemplateCustomizer>> restTemplateCustomizers) {
        return () -> restTemplateCustomizers.ifAvailable(customizers -> {
            for (RestTemplate restTemplate : LoadBalancerAutoConfiguration.this.restTemplates) {
                for (RestTemplateCustomizer customizer : customizers) {
                    customizer.customize(restTemplate);
                }
            }
        });
    }

首先看到标注了@Autowire和@LoadBalanced注解的RestTemplates列表的注入，意思是： 如果有加了@LoadBalanced注解的RestTemplates bean的话，就自动装配到restTemplates 变量中。

之后，通过loadBalancedRestTemplateInitializerDeprecated方法注入了一个SmartInitializingSingleton，我们知道SmartInitializingSingleton在装配到Spring Ioc之后会调用他的afterSingletonsInstantiated()方法。这里注入的SmartInitializingSingleton通过lamda实现了afterSingletonsInstantiated()方法，代码逻辑：通过方法参数打包注入到Ioc容器中的RestTemplateCustomizer（前面讲过了，他已经注入到IoC容器中了）到restTemplateCustomizers中，然后遍历restTemplates（这个list在前面说过了，已经把我们通过@Bean和@LoadBalanced注解的RestTemplate对象注入进来了）、针对每一个RestTemplate再遍历restTemplateCustomizers中的RestTemplateCustomizer对象，逐个调用他的customize方法。

OK！对于@LoadBalanced注解从应用、到初始化、生效机制，我们就分析清楚了。

最后还遗留两个小问题，初始化和应用两端各一个：初始化过程中的装配到loadBalancerInterceptor对象中的LoadBalancerClient具体是什么对象、什么时候注入的？应用端最终的负载均衡策略、负载均衡实现逻辑，我们还没具体分析。

下一篇文章解决上述两个问题。