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Spring Cloud Ribbon的使用详解

2023-10-27

一、概述

1、Ribbon是什么

Ribbon是Netflix发布的开源项目，Spring Cloud Ribbon是基于Netflix Ribbon实现的一套客户端负载均衡的框架。

2、Ribbon能干什么

LB负载均衡(Load Balance)是什么？

简单的说就是将用户的请求平摊的分配到多个服务上，从而达到系统的HA（高可用）。
常见的负载均衡有软件Nginx，硬件 F5等。

什么情况下需要负载均衡？

现在Java非常流行微服务，也就是所谓的面向服务开发，将一个项目拆分成了多个项目，其优点有很多，其中一个优点就是：将服务拆分成一个一个微服务后，我们很容易的来针对性的进行集群部署。例如订单模块用的人比较多，我就可以将这个模块多部署几台机器，来分担单个服务器的压力。

这时候有个问题来了，前端页面请求的时候到底请求集群当中的哪一台？既然是降低单个服务器的压力，所以肯定全部机器都要利用起来，而不是说一台用着，其他空余着。这时候就需要用负载均衡了，像这种前端页面调用后端请求的，要做负载均衡的话，常用的就是Nginx。

Ribbon和Nginx负载均衡区别

  • 当后端服务是集群的情况下，前端页面调用后端请求，要做负载均衡的话，常用的就是Nginx。
  • Ribbon主要是在服务端内做负载均衡，举例：订单后端服务 要调用 支付后端服务，这属于后端之间的服务调用，压根根本不经过页面，而支付后端服务是集群，这时候订单服务就需要做负载均衡来调用支付服务，记住是订单服务做负载均衡 来调用 支付服务。

负载均衡分类

  • 集中式LB：即在服务的消费方和提供方之间使用独立的LB设施(可以是硬件，如F5, 也可以是软件，如nginx)，由该设施负责把访问请求通过某种策略转发至服务的提供方；
  • 进程内LB：将LB逻辑集成到消费方，消费方从服务注册中心获知有哪些地址可用，然后自己再从这些地址中选择出一个合适的服务器。

Ribbon负载均衡

Ribbon就属于进程内LB，它只是一个类库，集成于消费方进程。

举例：微服务经常会涉及到A服务调用B服务的接口，这时候就需要用HTTP远程调用框架，常见的有Feign、RestTemplate、HttpClient，假如B服务只有一个节点，这时候我们可以在调用的时候写固定ip来进行调用，假如B服务的节点存在多个（也就是集群），那A服务究竟调用B服务的哪个节点呢，这时候可以通过负载均衡框架来计算出调用哪个，比如轮询调用B服务的多个节点，总不可能一直调用人家的一个服务，这样B服务的集群有什么意义呢？或者也可以随机调用任意节点，总之负载均衡的作用就是避免一直调用一个节点。

大概的流程：RestTemplate或者Feign可以通过注册中心拿到服务提供方的IP+端口，假如提供者有多个，那他就会拿到多个地址，有了这些地址就差访问的时候访问哪个地址的服务了，而Ribbon可以很好的和RestTemplate或者Feign进行集成，来决定调用哪个服务，具体是负载均衡还是随机Ribbon都可以设置。

3、Ribbon现状

项目处于维护状态 ，已经一年多没有更新过了。

https://github.com/Netflix/ribbon

在这里插入图片描述

4、未来替代方案

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

5、架构说明

在这里插入图片描述

首先通过上图一定要明白一点：ribbon一定是用在消费方，而不是服务的提供方！

Ribbon在工作时分成两步（这里以Eureka为例，consul和zk同样道理）：

  • 第一步先选择 EurekaServer ,它优先选择在同一个区域内负载较少的server.
  • 第二步再根据用户指定的策略，在从server取到的服务注册列表中选择一个地址。

其中Ribbon提供了多种策略：比如轮询、随机和根据响应时间加权。

Eureka详解：https://blog.csdn.net/weixin_43888891/article/details/125325794

之前写样例时候没有引入spring-cloud-starter-ribbon也可以使用ribbon，这是为什么？

<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-netflix-ribbon</artifactId>
</dependency>

猜测spring-cloud-starter-netflix-eureka-client自带了spring-cloud-starter-ribbon引用

证明如下： 可以看到spring-cloud-starter-netflix-eureka-client 确实引入了Ribbon（zk和consul注册中心同样是如此）

在这里插入图片描述

二、RestTemplate 用法详解

本篇涉及到的项目均使用RestTemplate结合Ribbon来完成远程负载均衡调用！

RestTemplate 用法详解：https://blog.csdn.net/weixin_43888891/article/details/125649613

三、Ribbon核心组件IRule

IRule：根据特定算法中从服务列表中选取一个要访问的服务

Ribbon给提供了很多现成的算法类，IRule就是最顶层的算法类接口，Ribbon默认是轮询规则。假如我们想要修改算法，只需要将算法类注入到容器。然后通过简单的配置就可以修改。

在这里插入图片描述

这些算法类都在如下包当中，一般我们只要引入Eureka、zk、consul三个其中一个注册中心的依赖，就会附带Ribbon的依赖，Ribbon依赖就会依赖ribbon-loadbalancer包。

在这里插入图片描述

  • ClientConfigEnabledRoundRobinRule：该策略较为特殊，我们一般不直接使用它。因为它本身并没有实现什么特殊的处理逻辑。一般都是可以通过继承他重写一些自己的策略，默认的choose方法就实现了线性轮询机制
    • BestAvailableRule：继承自ClientConfigEnabledRoundRobinRule，会先过滤掉由于多次访问故障而处于断路器跳闸状态的服务,然后选择一个并发量最小的服务，该策略的特性是可选出最空闲的实例
    • PredicateBasedRule：继承自ClientConfigEnabledRoundRobinRule，抽象策略，需要重写方法的，然后自己来自己定义过滤规则的
      • AvailabilityFilteringRule：继承PredicateBasedRule，先过滤掉故障实例,再选择并发较小的实例
      • ZoneAvoidanceRule：继承PredicateBasedRule，默认规则，复合判断server所在区域的性能和server的可用性选择服务器
  • com.netflix.loadbalancer.RoundRobinRule：轮询
    • WeightedResponseTimeRule：对RoundRobinRule的扩展,响应速度越快的实例选择权重越大,越容易被选择
    • ResponseTimeWeightedRule：对RoundRobinRule的扩展,响应时间加权
  • com.netflix.loadbalancer.RandomRule：随机
  • com.netflix.loadbalancer.StickyRule：这个基本也没人用
  • com.netflix.loadbalancer.RetryRule：先按照RoundRobinRule的策略获取服务,如果获取服务失败则在指定时间内会进行重试,获取可用的服务
  • ZoneAvoidanceRule：默认规则,复合判断server所在区域的性能和server的可用性选择服务器

四、实战项目

1、回顾之前的项目

https://blog.csdn.net/weixin_43888891/article/details/125325794

如下是项目当中涉及到的微服务：

ribbon一定是用在消费端，A调用B服务的接口，那么A就是消费端

在这里插入图片描述

在这个项目示例当中，在消费者服务当中通过RestTemplate+@LoadBalanced来完成负载均衡调用提供者。

在这里插入图片描述

这里调用提供者的时候不再是固定ip，而是通过服务名称调用。相当于通过服务名称向注册中心当中去获取注册的服务，假如注册了两个名称一样的服务，那么就获取到了两个ip，RestTemplate内部控制了访问哪个ip的服务。他是如何负载均衡的？就是和Ribbon无缝结合，具体原理后续再说。

在这里插入图片描述

注意：RestTemplate想要通过服务名称来调用，那么一定要配置@LoadBalanced注解，不然会报错的，只有配置了这个注解，RestTemplate才会和Ribbon相结合。

服务名称就是在提供者的application当中配置的。

在这里插入图片描述

2、@RibbonClient注解用法

这个注解的意思就是，当RestTemplate调用服务名称为CLOUD-PAYMENT-SERVICE的时候，采用MySelfRule当中注入的负载均衡算法。

@RibbonClient(name = "CLOUD-PAYMENT-SERVICE",configuration=MySelfRule.class)

官方文档明确给出了警告：这个自定义配置类不能放在@ComponentScan所扫描的当前包下以及子包下，否则我们自定义的这个配置类就会被所有的Ribbon客户端所共享，达不到特殊化定制的目的了（也就是一旦被扫描到，RestTemplate直接不管调用哪个服务都会用指定的算法）。

springboot项目当中的启动类使用了@SpringBootApplication注解，这个注解内部就有@ComponentScan注解，默认是扫描启动类包下所有的包，所以我们要达到定制化一定不要放在他能扫描到的地方。

cloud中文官网：https://www.springcloud.cc/spring-cloud-greenwich.html#netflix-ribbon-starter

在这里插入图片描述

3、配置文件用法

在这里插入图片描述

如下配置就可以取代@RibbonClient注解，注意一定要使用全类名，没有@RibbonClient级别高：

CLOUD-PAYMENT-SERVICE:
  ribbon:
    NFLoadBalancerRuleClassName: com.gzl.myrule.MySelfRule

@RibbonClient(name = "CLOUD-PAYMENT-SERVICE",configuration=MySelfRule.class)

4、修改默认算法

我们还是基于这个Eureka项目示例来进行演示修改默认算法：：https://blog.csdn.net/weixin_43888891/article/details/125325794

1. 修改cloud-consumer-order80（ribbon一定是用在消费端，A调用B服务的接口，那么A就是消费端）

新建package，只要不和启动类在同一个包下即可！

在这里插入图片描述

@Configuration
public class MySelfRule {
    @Bean
    public IRule myRule() {
        //定义为随机
        return new RandomRule();
    }
}

2、主启动类添加@RibbonClient（这个是一定要指定的，不然他不知道我们要修改算法，假如配置文件方式指定了就不需要添加这个注解了）

在启动该微服务的时候就能去加载我们的自定义Ribbon配置类，从而使配置生效：

@RibbonClient(name = "CLOUD-PAYMENT-SERVICE",configuration= MySelfRule.class)

在这里插入图片描述
3、测试

这时候再测试访问消费者接口，会发现已经不再是轮询访问了，成为了随机访问！

访问：http://localhost/consumer/payment/get/1

五、Ribbon原理

1、负载均衡算法

以轮询算法为例：rest接口第几次请求数 % 服务器集群总数量 = 实际调用服务器位置下标

每次服务重启动后rest接口计数从1开始。

为什么要获取服务器下标呢？

算法完全是基于DiscoveryClient来从注册中心获取到注册的服务列表，获取的是个List<ServiceInstance>，有了下标，有了服务list集合，那我们自然就知道要访问哪个服务了。

import org.springframework.cloud.client.discovery.DiscoveryClient;

@Resource
private DiscoveryClient discoveryClient;

List<ServiceInstance> instances = discoveryClient.getInstances("CLOUD-PAYMENT-SERVICE");
        for (ServiceInstance element : instances) {
            System.out.println(element.getServiceId() + "\t" + element.getHost() + "\t" + element.getPort() + "\t"
                    + element.getUri());
        }

输出的结果：

在这里插入图片描述

如： List [0] instances = 127.0.0.1:8002
　　 List [1] instances = 127.0.0.1:8001

8001+ 8002 组合成为集群，它们共计2台机器，集群总数为2， 按照轮询算法原理：

  • 当总请求数为1时： 1 % 2 =1 对应下标位置为1 ，则获得服务地址为127.0.0.1:8001
  • 当总请求数位2时： 2 % 2 =0 对应下标位置为0 ，则获得服务地址为127.0.0.1:8002
  • 当总请求数位3时： 3 % 2 =1 对应下标位置为1 ，则获得服务地址为127.0.0.1:8001
  • 当总请求数位4时： 4 % 2 =0 对应下标位置为0 ，则获得服务地址为127.0.0.1:8002
  • 如此类推…

2、源码分析

我看的Cloud的Hoxton.SR1版本，版本之间源码略有不同，但是大概思路差不多。

ribbon实现的关键点是为ribbon定制的RestTemplate，ribbon利用了RestTemplate的拦截器机制，在拦截器中实现ribbon的负载均衡。负载均衡的基本实现就是利用applicationName从服务注册中心获取可用的服务地址列表，然后通过一定算法负载，决定使用哪一个服务地址来进行http调用。

1.Ribbon的RestTemplate

RestTemplate中有一个属性是List<ClientHttpRequestInterceptor> interceptors，如果interceptors里面的拦截器数据不为空，在RestTemplate进行http请求时，这个请求就会被拦截器拦截进行，拦截器需要实现ClientHttpRequestInterceptor接口，接口就一个方法，需要实现以下方法：

在这里插入图片描述
也就是说拦截器需要完成http请求，并封装一个标准的response返回。

2.Ribbon中的拦截器

在Ribbon 中就是通过名字为LoadBalancerInterceptor的拦截器，注入到RestTemplate中，进行拦截请求，然后实现负载均衡调用的。

拦截器定义在：org.springframework.cloud.client.loadbalancer.LoadBalancerAutoConfiguration

这个类是在这个包下，并不在Ribbon的包下：

在这里插入图片描述

拦截器的定义与拦截器注入器的定义：下面的bean是拦截器注入器

在这里插入图片描述
3.Ribbon中的拦截器注入到RestTemplate

定义了拦截器，自然需要把拦截器注入到、RestTemplate才能生效，那么Ribbon中是如何实现的？上面说了拦截器的定义与拦截器注入器的定义，那么肯定会有个地方使用注入器来注入拦截器的。

还是在这个类当中：org.springframework.cloud.client.loadbalancer.LoadBalancerAutoConfiguration

在这里插入图片描述
遍历context中的注入器，调用注入方法，为目标RestTemplate注入拦截器，注入器和拦截器都是我们定义好的。

还有关键的一点是：需要注入拦截器的目标restTemplates到底是哪一些？因为RestTemplate实例在context中可能存在多个，不可能所有的都注入拦截器，这里就是@LoadBalanced注解发挥作用的时候了。

4.LoadBalanced注解

严格上来说，这个注解是spring cloud实现的，不是ribbon中的，它的作用是在依赖注入时，只注入实例化时被@LoadBalanced修饰的实例。

例如我们定义Ribbon的RestTemplate的时候是这样的：

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

因此才能为我们定义的RestTemplate注入拦截器。

那么@LoadBalanced是如何实现这个功能的呢？其实都是spring的原生操作，@LoadBalance的源码如下

在这里插入图片描述

@Qualifier注解很重要：

@Autowired默认是根据类型进行注入的，因此如果有多个类型一样的Bean候选者，则需要限定其中一个候选者，否则将抛出异常，@Qualifier限定描述符除了能根据名字进行注入，更能进行更细粒度的控制如何选择候选者

@LoadBalanced很明显，‘继承’了注解@Qualifier，RestTemplates通过@Autowired注入，同时被@LoadBalanced修饰，所以只会注入@LoadBalanced修饰的RestTemplate，也就是我们的目标RestTemplate。

5.拦截器逻辑实现

这里使用的是LoadBalancerInterceptor拦截器
在这里插入图片描述
当我们每通过RestTemplate调用一个接口的时候都会经过这个拦截器，通过拦截器当中的intercept方法，然后执行excute的时候，打断点会发现他会执行到这：

在这里就是根据对应的负载均衡算法选择对应的服务，RibbonLoadBalancerClient就是Ribbon当中的类了。由此可以看出框架有时候就是这样，来回套用，cloud对外提供API，然后组件进行真正的实现，假如感觉ribbon满足不了我们，我们完全可以按照cloud的API来开发新的负载均衡框架，进行无缝替换。

在这里插入图片描述

（1）getLoadBalancer(serviceId)：可以理解为，再第一次请求到来时，创建好IClientConfig（客户端配置）、ServerList（从配置文件中加载的服务列表）、IRule（负载均衡策略）与IPing （探活策略）等Bean，是一种懒加载的模式。

（2）getServer(loadBalancer, hint)：则是通过以上的负载均衡策略与探活策略，从服务列表中选择合适的服务实例（详细代码在ZoneAwareLoadBalancer的chooseServer方法中）。Server对象包含ip、端口与协议等信息。

重点看getServer方法，看看是如何选择服务的
在这里插入图片描述

默认就是ZoneAvoidanceRule负载均衡算法！

在这里插入图片描述
ZoneAvoidanceRule：继承PredicateBasedRule，他是没有重写choose方法的，这时候就进入到了父类的choose方法。

public Server choose(Object key) {
   ILoadBalancer lb = getLoadBalancer();
	// 这里就完成了服务的选择
	// 而且我们可以看到，这里的lb.getAllServers 说明ILoadBalancer直接存储或者间接存储了服务列表
   Optional<Server> server = getPredicate().chooseRoundRobinAfterFiltering(lb.getAllServers(), key);
   if (server.isPresent()) {
       return server.get();
   } else {
       return null;
   }       
}

从上面可以看到chooseRoundRobinAfterFiltering 这个方法的意思就是在过滤之后，选择轮询的负载均衡方式。

而lb.getAllServers是获取该服务的所有服务实例。

由此可见chooseRoundRobinAfterFiltering就是选择的关键点了。

public Optional<Server> chooseRoundRobinAfterFiltering(List<Server> servers, Object loadBalancerKey) {
    // 过滤掉不复合条件的服务实例
	List<Server> eligible = getEligibleServers(servers, loadBalancerKey);
     if (eligible.size() == 0) {
         return Optional.absent();
     }
	// incrementAndGetModulo 这个就是轮询的关键计算
     return Optional.of(eligible.get(incrementAndGetModulo(eligible.size())));
 }

其计算过程还是比较简单的，使用了AtomicInteger来计算访问的次数，cas+自旋锁来控制多线程的安全性！

private final AtomicInteger nextIndex = new AtomicInteger();

在这里插入图片描述

六、手写负载均衡器

1.RestTemplate去掉注解@LoadBalanced

2.LoadBalancer接口（在80消费者添加）

这个接口相当于是传进去多个服务，然后根据实现类，来选择出一个服务，至于是轮询还是随机，我们自己实现。

import org.springframework.cloud.client.ServiceInstance;

import java.util.List;

public interface LoadBalancer {
    ServiceInstance instances(List<ServiceInstance> serviceInstances);
}

3.定义实现类（在80消费者添加）

@Component
public class MyLB implements LoadBalancer {

    private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    // 获取服务的下标
    public final int getAndIncrement() {
        int current;
        int next;
        do {
            current = this.atomicInteger.get();
            next = current >= 2147483647 ? 0 : current + 1;
        } while (!this.atomicInteger.compareAndSet(current, next));
        System.out.println("*****next: " + next);
        return next;
    }

    // 下标和服务数进行取模
    @Override
    public ServiceInstance instances(List<ServiceInstance> serviceInstances) {
        int index = getAndIncrement() % serviceInstances.size();
        return serviceInstances.get(index);
    }
}

4.调整8001服务和8002服务，这两个服务是提供者，新增一个接口，来进行测试使用！

@Value("${server.port}")
private String serverPort;

@GetMapping(value = "/payment/lb")
 public String getPaymentLB() {
     return serverPort;
 }

5.在消费者80端添加测试接口

@GetMapping("/consumer/payment/lb")
public String getPaymentLB() {
    // 这个是利用的cloud自带的DiscoveryClient，假如cloud项目使用了注册中心都可以通过服务名称来获取对应的服务信息
    List<ServiceInstance> instances = discoveryClient.getInstances("CLOUD-PAYMENT-SERVICE");

    if (instances == null || instances.size() <= 0) {
        return null;
    }
    // 获取要访问的服务信息
    ServiceInstance serviceInstance = loadBalancer.instances(instances);
    URI uri = serviceInstance.getUri();

    return restTemplate.getForObject(uri + "/payment/lb", String.class);
}

6.测试

http://localhost/consumer/payment/lb

这样我们就成功自己实现了一个负载均衡！

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