Hystrix原理与实战

背景

分布式系统环境下,服务间类似依赖非常常见,一个业务调用通常依赖多个基础服务。

比如:订单服务调用商品服务,商品服务调用库存服务。

对于同步调用,当库存服务不可用时,商品服务请求线程被阻塞,当有大批量请求调用库存服务时,最终可能导致整个商品服务资源耗尽,无法继续对外提供服务。并且这种不可用可能沿请求调用链向上传递,这种现象被称为雪崩效应。

初探Hystrix

Hystrix [hɪst'rɪks],中文含义是豪猪,因其背上长满棘刺,从而拥有了自我保护的能力。本文所说的Hystrix是Netflix开源的一款容错框架,同样具有自我保护能力。为了实现容错和自我保护,下面我们看看Hystrix如何设计和实现的。

Hystrix设计目标:

  • 对来自依赖的延迟和故障进行防护和控制——这些依赖通常都是通过网络访问的
  • 阻止故障的连锁反应
  • 快速失败并迅速恢复
  • 回退并优雅降级
  • 提供近实时的监控与告警

Hystrix遵循的设计原则:

  • 防止任何单独的依赖耗尽资源(线程)
  • 过载立即切断并快速失败,防止排队
  • 尽可能提供回退以保护用户免受故障
  • 使用隔离技术(例如隔板,泳道和断路器模式)来限制任何一个依赖的影响
  • 通过近实时的指标,监控和告警,确保故障被及时发现
  • 通过动态修改配置属性,确保故障及时恢复
  • 防止整个依赖客户端执行失败,而不仅仅是网络通信

Hystrix如何实现这些设计目标?

  • 使用命令模式将所有对外部服务(或依赖关系)的调用包装在HystrixCommand或HystrixObservableCommand对象中,并将该对象放在单独的线程中执行;
  • 每个依赖都维护着一个线程池(或信号量),线程池被耗尽则拒绝请求(而不是让请求排队)。
  • 记录请求成功,失败,超时和线程拒绝。
  • 服务错误百分比超过了阈值,熔断器开关自动打开,一段时间内停止对该服务的所有请求。
  • 请求失败,被拒绝,超时或熔断时执行降级逻辑。
  • 近实时地监控指标和配置的修改。

Hystrix工作流

Hystrix整个工作流如下:

  1. 构造一个 HystrixCommand或HystrixObservableCommand对象,用于封装请求,并在构造方法配置请求被执行需要的参数;
  2. 执行命令,Hystrix提供了4种执行命令的方法,后面详述;
  3. 判断是否使用缓存响应请求,若启用了缓存,且缓存可用,直接使用缓存响应请求。Hystrix支持请求缓存,但需要用户自定义启动;
  4. 判断熔断器是否打开,如果打开,跳到第8步;
  5. 判断线程池/队列/信号量是否已满,已满则跳到第8步;
  6. 执行HystrixObservableCommand.construct()或HystrixCommand.run(),如果执行失败或者超时,跳到第8步;否则,跳到第9步;
  7. 统计熔断器监控指标;
  8. 走Fallback备用逻辑
  9. 返回请求响应

从流程图上可知道,第5步线程池/队列/信号量已满时,还会执行第7步逻辑,更新熔断器统计信息,而第6步无论成功与否,都会更新熔断器统计信息。

Hystrix容错:资源隔离

资源隔离主要指对线程的隔离。Hystrix提供了两种线程隔离方式:线程池和信号量。

线程隔离-线程池

Hystrix通过命令模式对发送请求的对象执行请求的对象进行解耦,将不同类型的业务请求封装为对应的命令请求。如订单服务查询商品,查询商品请求->商品Command;商品服务查询库存,查询库存请求->库存Command。并且为每个类型的Command配置一个线程池,当第一次创建Command时,根据配置创建一个线程池,并放入ConcurrentHashMap,如商品Command:

final static ConcurrentHashMap<String, HystrixThreadPool> threadPools = new ConcurrentHashMap<String, HystrixThreadPool>();
...
if (!threadPools.containsKey(key)) {
threadPools.put(key, new HystrixThreadPoolDefault(threadPoolKey, propertiesBuilder));
}

后续查询商品的请求创建Command时,将会重用已创建的线程池。线程池隔离之后的服务依赖关系:

通过将发送请求线程与执行请求的线程分离,可有效防止发生级联故障。当线程池或请求队列饱和时,Hystrix将拒绝服务,使得请求线程可以快速失败,从而避免依赖问题扩散。

------线程池隔离优缺点

优点:

  • 保护应用程序以免受来自依赖故障的影响,指定依赖线程池饱和不会影响应用程序的其余部分。
  • 当引入新客户端lib时,即使发生问题,也是在本lib中,并不会影响到其他内容。
  • 当依赖从故障恢复正常时,应用程序会立即恢复正常的性能。
  • 当应用程序一些配置参数错误时,线程池的运行状况会很快检测到这一点(通过增加错误,延迟,超时,拒绝等),同时可以通过动态属性进行实时纠正错误的参数配置。
  • 如果服务的性能有变化,需要实时调整,比如增加或者减少超时时间,更改重试次数,可以通过线程池指标动态属性修改,而且不会影响到其他调用请求。
  • 除了隔离优势外,hystrix拥有专门的线程池可提供内置的并发功能,使得可以在同步调用之上构建异步门面(外观模式),为异步编程提供了支持(Hystrix引入了Rxjava异步框架)。

注意:尽管线程池提供了线程隔离,我们的客户端底层代码也必须要有超时设置或响应线程中断,不能无限制的阻塞以致线程池一直饱和。

缺点:

线程池的主要缺点是增加了计算开销。每个命令的执行都在单独的线程完成,增加了排队、调度和上下文切换的开销。因此,要使用Hystrix,就必须接受它带来的开销,以换取它所提供的好处。

通常情况下,线程池引入的开销足够小,不会有重大的成本或性能影响。但对于一些访问延迟极低的服务,如只依赖内存缓存,线程池引入的开销就比较明显了,这时候使用线程池隔离技术就不适合了,我们需要考虑更轻量级的方式,如信号量隔离。

线程隔离-信号量

上面提到了线程池隔离的缺点,当依赖延迟极低的服务时,线程池隔离技术引入的开销超过了它所带来的好处。这时候可以使用信号量隔离技术来代替,通过设置信号量来限制对任何给定依赖的并发调用量。下图说明了线程池隔离和信号量隔离的主要区别:

使用线程池时,发送请求的线程和执行依赖服务的线程不是同一个,而使用信号量时,发送请求的线程和执行依赖服务的线程是同一个,都是发起请求的线程

由于Hystrix默认使用线程池做线程隔离,使用信号量隔离需要显示地将属性execution.isolation.strategy设置为ExecutionIsolationStrategy.SEMAPHORE,同时配置信号量个数,默认为10。客户端需向依赖服务发起请求时,首先要获取一个信号量才能真正发起调用,由于信号量的数量有限,当并发请求量超过信号量个数时,后续的请求都会直接拒绝,进入fallback流程。

信号量隔离主要是通过控制并发请求量,防止请求线程大面积阻塞,从而达到限流和防止雪崩的目的。

线程隔离总结

线程池和信号量都可以做线程隔离,但各有各的优缺点和支持的场景,对比如下:

  线程切换 支持异步 支持超时 支持熔断 限流 开销
信号量
线程池

线程池和信号量都支持熔断和限流。相比线程池,信号量不需要线程切换,因此避免了不必要的开销。但是信号量不支持异步,也不支持超时,也就是说当所请求的服务不可用时,信号量会控制超过限制的请求立即返回,但是已经持有信号量的线程只能等待服务响应或从超时中返回,即可能出现长时间等待。线程池模式下,当超过指定时间未响应的服务,Hystrix会通过响应中断的方式通知线程立即结束并返回。

Hystrix容错:熔断

现实生活中,可能大家都有注意到家庭电路中通常会安装一个保险盒,当负载过载时,保险盒中的保险丝会自动熔断,以保护电路及家里的各种电器,这就是熔断器的一个常见例子。Hystrix中的熔断器(Circuit Breaker)也是起类似作用,Hystrix在运行过程中会向每个commandKey对应的熔断器报告成功、失败、超时和拒绝的状态,熔断器维护并统计这些数据,并根据这些统计信息来决策熔断开关是否打开。如果打开,熔断后续请求,快速返回。隔一段时间(默认是5s)之后熔断器尝试半开,放入一部分流量请求进来,相当于对依赖服务进行一次健康检查,如果请求成功,熔断器关闭。

Hystrix容错:降级

降级,通常指务高峰期,为了保证核心服务正常运行,需要停掉一些不太重要的业务,或者某些服务不可用时,执行备用逻辑从故障服务中快速失败或快速返回,以保障主体业务不受影响。Hystrix提供的降级主要是为了容错,保证当前服务不受依赖服务故障的影响,从而提高服务的健壮性。要支持回退或降级处理,可以重写HystrixCommand的getFallBack方法或HystrixObservableCommand的resumeWithFallback方法。

Hystrix在以下几种情况下会走降级逻辑:

  • 执行construct()或run()抛出异常
  • 熔断器打开导致命令短路
  • 命令的线程池和队列或信号量的容量超额,命令被拒绝
  • 命令执行超时

具体代码看原文

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