Spring Cloud中的@LoadBalanced注解實現原理
在微服務架構盛行的當下，我們會借助 Spring Cloud 等主流的微服務開發框架來實現各個微服務。而在服務與服務的調用過程中，負載均衡是一項基本技術手段，用來確保系統高可用的同時也能實現對請求的有效分發，從而提升系統性能。
今天我們討論負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 框架對負載均衡實現過程所提供的開發友好性。熟悉 Spring Cloud 的人，應該知道，我們想要在服務調用過程中嵌入負載均衡機制，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載均衡機制呢？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，可以發現雖然這個工程的名稱是 common，但內置了大量以 client 命名的代碼包。這些代碼包中就包含了與服務發現、負載均衡相關的所有基礎類定義，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 容器會調用 RestTemplateCustomizer 的 customize 方法進行定制化，這個定制化的過程就是對目標 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 的攔截器擴展機制。有時候我們需要對 HTTP 請求做一些通用的攔截設置，就會使用到攔截器。這些攔截器需要實現 ClientHttpRequestInterceptor 接口，而這里的 LoadBalancerInterceptor 就是用于對請求進行攔截。
我們在它的構造函數中發現傳入了一個 LoadBalancerClient，而在它的攔截方法中，本質上就是使用這個 LoadBalanceClient 來執行真正的負載均衡。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 執行負載均衡
returnthis.loadBalancer.execute(serviceName, requestFactory.createRequest(request, body, execution));
}
}可以看到，這里的 intercept 攔截方法中直接調用了 LoadBalancerClient 接口的 execute 方法完成對請求的負載均衡執行。而這個方法的輸入參數有兩個，一個是代表服務名稱的 serviceName，另一個則是代表負載均衡請求對象的 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了 LoadBalanceClient，并用它來完成了請求地址 URI 的構建。顯然，LoadBalanceClient 是我們分析負載均衡機制的核心入口。接下來，我們就對這個接口及其實現類進行詳細的展開。
LoadBalancerClient 接口與實現類
LoadBalancerClient 是一個非常重要的接口，定義如下：
public interface LoadBalancerClient extends ServiceInstanceChooser {
//執行負載均衡調用
<T> T execute(String serviceId, LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException;
//執行負載均衡調用
<T> T execute(String serviceId, ServiceInstance serviceInstance,
LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException;
//構建負載均衡調用 URI
URI reconstructURI(ServiceInstance instance, URI original);
}這里有兩個 execute 重載方法，用于根據負載均衡器所確定的服務實例來執行服務調用。而 reconstructURI 方法則用于構建服務 URI，基于負載均衡所選擇的 ServiceInstance 信息，并利用服務實例的 host、port 以及端點路徑，我們就可以構造一個真正可供訪問的服務地址。
同時，我們發現 LoadBalancerClient 有一個父接口——ServiceInstanceChooser，這個接口的定義如下：
public interface ServiceInstanceChooser {
//根據 serviceId 選擇目標服務實例
ServiceInstance choose(String serviceId);
//根據 serviceId 和請求選擇目標服務實例
<T> ServiceInstance choose(String serviceId, Request<T> request);
}顯然，從負載均衡角度講，我們應該重點關注實際上是這兩個 choose 方法的實現，因為它們完成了對目標服務實例的具體選擇過程，而這個選擇過程集成了各種負載均衡算法。
在 Spring Cloud 中，針對 LoadBalancerClient 接口有一組實現類，包括我們要介紹的這個 Spring Cloud Netflix 中的 RibbonLoadBalancerClient 類。這個類基于 Netflix Ribbon 組件實現了負載均衡機制，是 Spring Cloud 中最早、最經典的一種負載均衡實現方式。
這里我們有必要梳理一下 Netflix Ribbon 和 Spring Cloud 之間的關系。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。
對于 Netflix Ribbon 而言，Spring Cloud Netflix Ribbon 相當于它的客戶端；對于 Spring Cloud Netflix Ribbon 來說，我們的應用服務相當于它的客戶端。Netflix Ribbon、Spring Cloud Netflix Ribbon、應用服務這三者之間的關系以及核心入口是這樣的：
Spring Cloud 負載均衡三大組件之間的關系圖
在 RibbonLoadBalancerClient 中，我們可以看到它的 choose 方法是調用了一個 getServer 方法來獲取服務器信息，而這個 getServer 方法則是通過 ILoadBalancer 接口完成了對目標服務器的選擇，對應代碼如下所示：
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
public void addServers(List<Server> newServers);
//選擇一個后端服務
public Server chooseServer(Object key);
//標記一個服務不可用
public void markServerDown(Server server);
//獲取當前可用的服務列表
public List<Server> getReachableServers();
//獲取所有后端服務列表
public List<Server> getAllServers();
}針對負載均衡，我們重點應該關注的是 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端實例的選擇過程，從而包含了具體的負載均衡實現過程。
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 接口集成了具體負載均衡策略的實現。IRule 接口是對負載均衡策略的一種抽象，可以通過實現這個接口來提供各種負載均衡算法，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載均衡算法。回到 Netflix Ribbon，IRule 接口的類層結構如下圖所示：
IRule 接口的類層結構圖
可以看到，Netflix Ribbon 中的負載均衡實現策略是非常豐富的，既提供了 RandomRule、RoundRobinRule 等無狀態的靜態策略，又實現了 AvailabilityFilteringRule、WeightedResponseTimeRule 等多種基于服務器運行狀況進行實時路由的動態策略。
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載均衡策略執行重試機制。嚴格意義上講，重試是一種服務容錯而不是負載均衡機制，但 Ribbon 也內置了這方面的功能。
事實上，我們也可以基于 IRule 接口實現任何定制化的負載均衡算法，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 中的默認負載均衡策略——RoundRobin。
總結
好了，讓我們來總結回顧一下今天的內容吧。對于一款客戶端負載均衡工具而言，要做的事情無非是從服務列表中選擇一個服務進行調用。為了實現這個過程，我們首先需要集成各種負載均衡算法，另一方面我們也需要提供入口供客戶端請求進行使用。
Spring Cloud 就為我們提供了一種非常友好的實現方式，開發人員只需要通過一個簡單的@LoadBalanced 注解就能自動在調用過程中集成負載均衡機制。
