分布式服务弹性框架“Hystrix”实践与源码研究（一）

文章初衷

为了应对将来在线（特别是无线端）业务量的成倍增长，后端服务的分布式化程度需要不断提高，对于服务的延迟和容错管理将面临更大挑战，公司框架和开源团队选择内部推广Netflix的Hystrix，一是为了推进各部门的服务使用覆盖率，二是为了增加C Sharp语言版本的参与度（目前公司至少三成服务由.NET编写）。该博文属于个人对Hystrix研究和实践经验。

什么是Hystrix？

Hystrix是世界最大在线影片租赁服务商Netflix开源，针对分布式系统的延迟和容错库。该库由Java写成，项目源于Netflix API团队在2011年启动的弹性工程项目。项目在github上发布至今，已经有接近三千颗星，只有少数优秀的开源项目才能享受到千星级别的待遇，Hystrix成功可见一斑。

 为什么使用Hystrix？

在大中型分布式系统中，通常系统很多依赖(HTTP,hession,Netty,Dubbo等)，如下图:

在高并发访问下,这些依赖的稳定性与否对系统的影响非常大,但是依赖有很多不可控问题:如网络连接缓慢，资源繁忙，暂时不可用，服务脱机等.

如下图：QPS为50的依赖 I 出现不可用，但是其他依赖仍然可用.

当依赖I 阻塞时,大多数服务器的线程池就出现阻塞(BLOCK),影响整个线上服务的稳定性.如下图:

在复杂的分布式架构的应用程序有很多的依赖，都会不可避免地在某些时候失败。高并发的依赖失败时如果没有隔离措施，当前应用服务就有被拖垮的风险。

例如:一个依赖30个SOA服务的系统,每个服务99.99%可用。
99.99%的30次方 ≈ 99.7%
0.3% 意味着一亿次请求 会有 3,000,00次失败
换算成时间大约每月有2个小时服务不稳定.
随着服务依赖数量的变多，服务不稳定的概率会成指数性提高.
解决问题方案:对依赖做隔离,Hystrix就是处理依赖隔离的框架,同时也是可以帮我们做依赖服务的治理和监控.

到底能做什么呢？

1）Hystrix使用命令模式HystrixCommand(Command)包装依赖调用逻辑，每个命令在单独线程中/信号授权下执行

2）提供熔断器组件,可以自动运行或手动调用,停止当前依赖一段时间(10秒)，熔断器默认错误率阈值为50%,超过将自动运行。

3）可配置依赖调用超时时间,超时时间一般设为比99.5%平均时间略高即可.当调用超时时，直接返回或执行fallback逻辑。

4）为每个依赖提供一个小的线程池（或信号），如果线程池已满调用将被立即拒绝，默认不采用排队.加速失败判定时间。

5）依赖调用结果分:成功，失败（抛出异常），超时，线程拒绝，短路。 请求失败(异常，拒绝，超时，短路)时执行fallback(降级)逻辑。

　　

6）提供近实时依赖的统计和监控

7）支持异步执行。支持并发请求缓存。自动批处理失败请求。

Hystrix设计理念

想要知道如何使用，必须先明白其核心设计理念，Hystrix基于命令模式，通过UML图先直观的认识一下这一设计模式

可见，Command是在Receiver和Invoker之间添加的中间层，Command实现了对Receiver的封装。那么Hystrix的应用场景如何与上图对应呢？

API既可以是Invoker又可以是reciever，通过继承Hystrix核心类HystrixCommand来封装这些API（例如，远程接口调用，数据库查询之类可能会产生延时的操作）。就可以为API提供弹性保护了。

Hello World

Hello World的例子旨在展示，如何在项目中低侵入式的改造，使API置于Hystrix保护之下！

引入maven依赖

<!-- 依赖版本 -->
<hystrix.version>1.3.16</hystrix.version>
<hystrix-metrics-event-stream.version>1.1.2</hystrix-metrics-event-stream.version> 
 
<dependency>
     <groupId>com.netflix.hystrix</groupId>
     <artifactId>hystrix-core</artifactId>
     <version>${hystrix.version}</version>
 </dependency>
     <dependency>
     <groupId>com.netflix.hystrix</groupId>
     <artifactId>hystrix-metrics-event-stream</artifactId>
     <version>${hystrix-metrics-event-stream.version}</version>
 </dependency>
<!-- 仓库地址 -->
<repository>
     <id>nexus</id>
     <name>local private nexus</name>
     <url>http://maven.oschina.net/content/groups/public/</url>
     <releases>
          <enabled>true</enabled>
     </releases>
     <snapshots>
          <enabled>false</enabled>
     </snapshots>
</repository>

下面是一个没有使用Hystrix保护的sayHello的服务以及它的调用

//API调用，可能会产生延时
public class HelloService {
     public static String sayHello(final String name)
     {
         return String.format("Hello %s!", name);
     }
 }
//客户端直接调用API
public class Client{
      public static void main(String[] args)
      {
           System.out.println(HelloService.sayHello("World"));     
      }  
}    

假设字符串生成过程是一个需要保护的操作，下面我们用Hystrix进行封装。

需要注意的是，虽然使用命令模式，但是我们这里不建议覆盖execute方法，而是实现run的模版方法，多数框架的实现会采用template设计模式，并且将模版方法设置为protected签名，这样做的好处是，既可以将具体的业务交给业务实现者，又可以为之添加其他功能，而业务实现者只需要关注自己的业务就好了。比如这里HystrixCommand.execute方法实际上是调用了HystrixCommand.queue().get()，而queue方法除了最终调用run之外，还需要为run方法提供超时和异常等保护功能，外部也不能直接调用非安全的run方法，这一实践非常值得我们学习。

OK，现在我们通过实现run方法来包装sayHello功能，我们通过一个私有域_name，通过构造函数来传递消息，获取构造参数的拷贝来保持不变性。

public class SayHelloCommand extends HystrixCommand<String> {
    private final String _name;
    public SayHelloCommand(String name)
    {
        super(HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("HelloService"));
        _name = new String(name);//unmutable
        
    }
    @Override
    protected String run() {

        return String.format("Hello %s!", _name);
    }
}

API改造如下,作为门面方法最好不要改动函数的签名（除非参数和返回类型有变动，这是因为客户端代码的改动代价往往是巨大的），同时提供版本sayHelloAsync，该方法提供了异步功能

public class HelloService {
//    public static String sayHello(final String name)
//    {
//        return "Hello " + name + "!";
//    }
    
    /**
     * sayHello under protection of Hystrix
     * @param name
     * @return <code>"Hello " + name + "!"</code> 
     */
    public static String sayHello(final String name)
    {
        return new SayHelloCommand(name).execute();
    }
    
    /**
     * call async
     * @param name
     * @return
     */
    public static Future<String> sayHelloAsync(final String name)
    {
        return new SayHelloCommand(name).queue();
    }
}

 接下来我们来看看，如何在超时熔断情况下使用FallBack策略，这点在项目中是相当有用的，比如超时后访问数据备库，或者直接返回重试响应

首先SayHelloCommand构造函数使用Hystrix的Setter来设置超时时间，这里解释下Setter这个类涉及到的几个最佳实践

1.Setter使用builder模式，想想构造函数有很多参数要设置，作为构造参数传递会大大降低可阅读性，用静态工厂方法一个个设置又可能造成多线程并发下的不一致性，而且这种bug往往非常难以定位，所以builder模式是非常好的实践。将Setter作为构造器传给HystrixCommand的构造函数，Setter中又很多静态方法，可以通过方法名明确的知道元素的意义。

2.Setter是HystrixCommand内部静态类，Hystrix代码大量的使用了内部静态类，来作为该类的工厂方法，或者构造器，我觉得这样划分使代码职责更加清晰，比单独的工厂类更易于维护。

3.Setter使用函数式串联，每个静态工厂方法返回Setter实例，这样我们可以把构造过程串联起来,使代码更加易于阅读。

4.Setter是不可变类，每个静态工厂方法返回一个新的Setter拷贝，所以Setter是线程安全的。

OK，Setter介绍到这里，这里我们继续设置超时时间为500

public SayHelloCommand(final String name)
    {
        //builder for HystrixCommand
        super(Setter.withGroupKey(HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("HelloServiceGroup"))
                .andCommandPropertiesDefaults(HystrixCommandProperties.Setter().withTimeoutInMilliseconds(500)));
        _name = new String(name);
    }

run方法我们使用Thread.sleep(600)来特意达到超时的效果，同时实现getFallback方法，程序超时后会立即运行FallBack

    @Override
    protected String getFallback() {
        return String.format("[FallBack]Hello %s!", _name);
    }

    @Override
    protected String run() throws Exception {
        //TimeOut
        Thread.sleep(600);
        return String.format("Hello %s!", _name);
    }

最终输出：

[FallBack]Hello World!

回顾重点

1.Hystrix可以为分布式服务提供弹性保护

2.Hystrix通过命令模式封装调用，来实现弹性保护，继承HystrixCommand并且实现run方法，就完成了最简单的封装。

3. 实现getFallBack方法可以为熔断或者异常提供后备处理方法。

4.HystrixCommand中Setter类的最佳实践。

5.模版方法在框架中的实践。