Spring Cloud Feign原理及性能

什么是Feign？

Feign 的英文表意为“假装，伪装，变形”， 是一个http请求调用的轻量级框架，可以以Java接口注解的方式调用Http请求，而不用像Java中通过封装HTTP请求报文的方式直接调用。Feign通过处理注解，将请求模板化，当实际调用的时候，传入参数，根据参数再应用到请求上，进而转化成真正的请求，这种请求相对而言比较直观。
Feign被广泛应用在Spring Cloud 的解决方案中，是学习基于Spring Cloud 微服务架构不可或缺的重要组件。
开源项目地址：
https://github.com/OpenFeign/feign

Feign解决了什么问题？

封装了Http调用流程，更适合面向接口化的变成习惯
在服务调用的场景中，我们经常调用基于Http协议的服务，而我们经常使用到的框架可能有HttpURLConnection、Apache HttpComponnets、OkHttp3 、Netty等等，这些框架在基于自身的专注点提供了自身特性。而从角色划分上来看，他们的职能是一致的提供Http调用服务。具体流程如下：

 

Feign是如何设计的？

PHASE 1. 基于面向接口的动态代理方式生成实现类

在使用feign 时，会定义对应的接口类，在接口类上使用Http相关的注解，标识HTTP请求参数信息,如下所示：

interface GitHub {
  @RequestLine("GET /repos/{owner}/{repo}/contributors")
  List<Contributor> contributors(@Param("owner") String owner, @Param("repo") String repo);
}

public static class Contributor {
  String login;
  int contributions;
}

public class MyApp {
  public static void main(String... args) {
    GitHub github = Feign.builder()
                         .decoder(new GsonDecoder())
                         .target(GitHub.class, "https://api.github.com");

    // Fetch and print a list of the contributors to this library.
    List<Contributor> contributors = github.contributors("OpenFeign", "feign");
    for (Contributor contributor : contributors) {
      System.out.println(contributor.login + " (" + contributor.contributions + ")");
    }
  }
}

在Feign 底层，通过基于面向接口的动态代理方式生成实现类，将请求调用委托到动态代理实现类，基本原理如下所示：

  public class ReflectiveFeign extends Feign{
   ///省略部分代码
   @Override
   public <T> T newInstance(Target<T> target) {
     //根据接口类和Contract协议解析方式，解析接口类上的方法和注解，转换成内部的MethodHandler处理方式
     Map<String, MethodHandler> nameToHandler = targetToHandlersByName.apply(target);
     Map<Method, MethodHandler> methodToHandler = new LinkedHashMap<Method, MethodHandler>();
     List<DefaultMethodHandler> defaultMethodHandlers = new LinkedList<DefaultMethodHandler>();

     for (Method method : target.type().getMethods()) {
       if (method.getDeclaringClass() == Object.class) {
         continue;
       } else if(Util.isDefault(method)) {
         DefaultMethodHandler handler = new DefaultMethodHandler(method);
         defaultMethodHandlers.add(handler);
         methodToHandler.put(method, handler);
       } else {
         methodToHandler.put(method, nameToHandler.get(Feign.configKey(target.type(), method)));
       }
     }
     InvocationHandler handler = factory.create(target, methodToHandler);
     // 基于Proxy.newProxyInstance 为接口类创建动态实现，将所有的请求转换给InvocationHandler 处理。
     T proxy = (T) Proxy.newProxyInstance(target.type().getClassLoader(), new Class<?>[]{target.type()}, handler);

     for(DefaultMethodHandler defaultMethodHandler : defaultMethodHandlers) {
       defaultMethodHandler.bindTo(proxy);
     }
     return proxy;
   }
   //省略部分代码

PHASE 2. 根据Contract协议规则，解析接口类的注解信息，解析成内部表现：

Feign 定义了转换协议，定义如下：

/**
 * Defines what annotations and values are valid on interfaces.
 */
public interface Contract {

  /**
   * Called to parse the methods in the class that are linked to HTTP requests.
   * 传入接口定义，解析成相应的方法内部元数据表示
   * @param targetType {@link feign.Target#type() type} of the Feign interface.
   */
  // TODO: break this and correct spelling at some point
  List<MethodMetadata> parseAndValidatateMetadata(Class<?> targetType);
}

默认Contract 实现

Feign 默认有一套自己的协议规范，规定了一些注解，可以映射成对应的Http请求，如官方的一个例子：

public interface GitHub {

  @RequestLine("GET /repos/{owner}/{repo}/contributors")
  List<Contributor> getContributors(@Param("owner") String owner, @Param("repo") String repository);

  class Contributor {
    String login;
    int contributions;
  }
}

上述的例子中，尝试调用GitHub.getContributors("foo","myrepo")的的时候，会转换成如下的HTTP请求：

GET /repos/foo/myrepo/contributors
HOST XXXX.XXX.XXX

Feign 默认的协议规范

注解	接口Target	使用说明
@RequestLine	方法上	定义HttpMethod 和 UriTemplate. UriTemplate 中使用{} 包裹的表达式，可以通过在方法参数上使用@Param 自动注入
@Param	方法参数	定义模板变量，模板变量的值可以使用名称的方式使用模板注入解析
@Headers	类上或者方法上	定义头部模板变量，使用@Param 注解提供参数值的注入。如果该注解添加在接口类上，则所有的请求都会携带对应的Header信息；如果在方法上，则只会添加到对应的方法请求上
@QueryMap	方法上	定义一个键值对或者 pojo，参数值将会被转换成URL上的 query 字符串上
@HeaderMap	方法上	定义一个HeaderMap, 与 UrlTemplate 和HeaderTemplate 类型，可以使用@Param 注解提供参数值

具体FeignContract 是如何解析的，不在本文的介绍范围内，详情请参考代码：
https://github.com/OpenFeign/feign/blob/master/core/src/main/java/feign/Contract.java

基于Spring MVC的协议规范SpringMvcContract:

当前Spring Cloud 微服务解决方案中，为了降低学习成本，采用了Spring MVC的部分注解来完成 请求协议解析，也就是说 ，写客户端请求接口和像写服务端代码一样：客户端和服务端可以通过SDK的方式进行约定，客户端只需要引入服务端发布的SDK API，就可以使用面向接口的编码方式对接服务：

我们团队内部就是按照这种思路，结合Spring Boot Starter 的特性，定义了服务端starter,
服务消费者在使用的时候，只需要引入Starter，就可以调用服务。这个比较适合平台无关性，接口抽象出来的好处就是可以根据服务调用实现方式自有切换：

1. 可以基于简单的Http服务调用；
2. 可以基于Spring Cloud 微服务架构调用；
3. 可以基于Dubbo SOA服务治理

这种模式比较适合在SaSS混合软件服务的模式下自有切换，根据客户的硬件能力选择合适的方式部署，也可以基于自身的服务集群部署微服务

至于Spring Cloud 是如何实现 协议解析的，可参考代码：
https://github.com/spring-cloud/spring-cloud-openfeign/blob/master/spring-cloud-openfeign-core/src/main/java/org/springframework/cloud/openfeign/support/SpringMvcContract.java

当然，目前的Spring MVC的注解并不是可以完全使用的，有一些注解并不支持,如@GetMapping,@PutMapping 等，仅支持使用@RequestMapping 等，另外注解继承性方面也有些问题；具体限制细节，每个版本能会有些出入，可以参考上述的代码实现，比较简单。

Spring Cloud 没有基于Spring MVC 全部注解来做Feign 客户端注解协议解析，个人认为这个是一个不小的坑。在刚入手Spring Cloud 的时候，就碰到这个问题。后来是深入代码才解决的.... 这个应该有人写了增强类来处理，暂且不表，先MARK一下，是一个开源代码练手的好机会。

PHASE 3. 基于 RequestBean，动态生成Request

根据传入的Bean对象和注解信息，从中提取出相应的值，来构造Http Request 对象：

PHASE 4. 使用Encoder 将Bean转换成 Http报文正文（消息解析和转码逻辑）

Feign 最终会将请求转换成Http 消息发送出去，传入的请求对象最终会解析成消息体，如下所示：

在接口定义上Feign做的比较简单，抽象出了Encoder 和decoder 接口：

public interface Encoder {
  /** Type literal for {@code Map<String, ?>}, indicating the object to encode is a form. */
  Type MAP_STRING_WILDCARD = Util.MAP_STRING_WILDCARD;

  /**
   * Converts objects to an appropriate representation in the template.
   *  将实体对象转换成Http请求的消息正文中
   * @param object   what to encode as the request body.
   * @param bodyType the type the object should be encoded as. {@link #MAP_STRING_WILDCARD}
   *                 indicates form encoding.
   * @param template the request template to populate.
   * @throws EncodeException when encoding failed due to a checked exception.
   */
  void encode(Object object, Type bodyType, RequestTemplate template) throws EncodeException;

  /**
   * Default implementation of {@code Encoder}.
   */
  class Default implements Encoder {

    @Override
    public void encode(Object object, Type bodyType, RequestTemplate template) {
      if (bodyType == String.class) {
        template.body(object.toString());
      } else if (bodyType == byte[].class) {
        template.body((byte[]) object, null);
      } else if (object != null) {
        throw new EncodeException(
            format("%s is not a type supported by this encoder.", object.getClass()));
      }
    }
  }
}

public interface Decoder {

  /**
   * Decodes an http response into an object corresponding to its {@link
   * java.lang.reflect.Method#getGenericReturnType() generic return type}. If you need to wrap
   * exceptions, please do so via {@link DecodeException}.
   *  从Response 中提取Http消息正文，通过接口类声明的返回类型，消息自动装配
   * @param response the response to decode
   * @param type     {@link java.lang.reflect.Method#getGenericReturnType() generic return type} of
   *                 the method corresponding to this {@code response}.
   * @return instance of {@code type}
   * @throws IOException     will be propagated safely to the caller.
   * @throws DecodeException when decoding failed due to a checked exception besides IOException.
   * @throws FeignException  when decoding succeeds, but conveys the operation failed.
   */
  Object decode(Response response, Type type) throws IOException, DecodeException, FeignException;

  /** Default implementation of {@code Decoder}. */
  public class Default extends StringDecoder {

    @Override
    public Object decode(Response response, Type type) throws IOException {
      if (response.status() == 404) return Util.emptyValueOf(type);
      if (response.body() == null) return null;
      if (byte[].class.equals(type)) {
        return Util.toByteArray(response.body().asInputStream());
      }
      return super.decode(response, type);
    }
  }
}

目前Feign 有以下实现：

Encoder/ Decoder 实现	说明
JacksonEncoder，JacksonDecoder	基于 Jackson 格式的持久化转换协议
GsonEncoder，GsonDecoder	基于Google GSON 格式的持久化转换协议
SaxEncoder，SaxDecoder	基于XML 格式的Sax 库持久化转换协议
JAXBEncoder，JAXBDecoder	基于XML 格式的JAXB 库持久化转换协议
ResponseEntityEncoder，ResponseEntityDecoder	Spring MVC 基于 ResponseEntity< T > 返回格式的转换协议
SpringEncoder，SpringDecoder	基于Spring MVC HttpMessageConverters 一套机制实现的转换协议 ,应用于Spring Cloud 体系中

PHASE 5. 拦截器负责对请求和返回进行装饰处理

在请求转换的过程中，Feign 抽象出来了拦截器接口，用于用户自定义对请求的操作：

public interface RequestInterceptor {

  /**
   * 可以在构造RequestTemplate 请求时，增加或者修改Header, Method, Body 等信息
   * Called for every request. Add data using methods on the supplied {@link RequestTemplate}.
   */
  void apply(RequestTemplate template);
}

比如，如果希望Http消息传递过程中被压缩，可以定义一个请求拦截器：

public class FeignAcceptGzipEncodingInterceptor extends BaseRequestInterceptor {

    /**
     * Creates new instance of {@link FeignAcceptGzipEncodingInterceptor}.
     *
     * @param properties the encoding properties
     */
    protected FeignAcceptGzipEncodingInterceptor(FeignClientEncodingProperties properties) {
        super(properties);
    }

    /**
     * {@inheritDoc}
     */
    @Override
    public void apply(RequestTemplate template) {
        //  在Header 头部添加相应的数据信息
        addHeader(template, HttpEncoding.ACCEPT_ENCODING_HEADER, HttpEncoding.GZIP_ENCODING,
                HttpEncoding.DEFLATE_ENCODING);
    }
}

PHASE 6. 日志记录

在发送和接收请求的时候，Feign定义了统一的日志门面来输出日志信息 , 并且将日志的输出定义了四个等级：

级别	说明
NONE	不做任何记录
BASIC	只记录输出Http 方法名称、请求URL、返回状态码和执行时间
HEADERS	记录输出Http 方法名称、请求URL、返回状态码和执行时间 和 Header 信息
FULL	记录Request 和Response的Header，Body和一些请求元数据

public abstract class Logger {

  protected static String methodTag(String configKey) {
    return new StringBuilder().append('[').append(configKey.substring(0, configKey.indexOf('(')))
        .append("] ").toString();
  }

  /**
   * Override to log requests and responses using your own implementation. Messages will be http
   * request and response text.
   *
   * @param configKey value of {@link Feign#configKey(Class, java.lang.reflect.Method)}
   * @param format    {@link java.util.Formatter format string}
   * @param args      arguments applied to {@code format}
   */
  protected abstract void log(String configKey, String format, Object... args);

  protected void logRequest(String configKey, Level logLevel, Request request) {
    log(configKey, "---> %s %s HTTP/1.1", request.method(), request.url());
    if (logLevel.ordinal() >= Level.HEADERS.ordinal()) {

      for (String field : request.headers().keySet()) {
        for (String value : valuesOrEmpty(request.headers(), field)) {
          log(configKey, "%s: %s", field, value);
        }
      }

      int bodyLength = 0;
      if (request.body() != null) {
        bodyLength = request.body().length;
        if (logLevel.ordinal() >= Level.FULL.ordinal()) {
          String
              bodyText =
              request.charset() != null ? new String(request.body(), request.charset()) : null;
          log(configKey, ""); // CRLF
          log(configKey, "%s", bodyText != null ? bodyText : "Binary data");
        }
      }
      log(configKey, "---> END HTTP (%s-byte body)", bodyLength);
    }
  }

  protected void logRetry(String configKey, Level logLevel) {
    log(configKey, "---> RETRYING");
  }

  protected Response logAndRebufferResponse(String configKey, Level logLevel, Response response,
                                            long elapsedTime) throws IOException {
    String reason = response.reason() != null && logLevel.compareTo(Level.NONE) > 0 ?
        " " + response.reason() : "";
    int status = response.status();
    log(configKey, "<--- HTTP/1.1 %s%s (%sms)", status, reason, elapsedTime);
    if (logLevel.ordinal() >= Level.HEADERS.ordinal()) {

      for (String field : response.headers().keySet()) {
        for (String value : valuesOrEmpty(response.headers(), field)) {
          log(configKey, "%s: %s", field, value);
        }
      }

      int bodyLength = 0;
      if (response.body() != null && !(status == 204 || status == 205)) {
        // HTTP 204 No Content "...response MUST NOT include a message-body"
        // HTTP 205 Reset Content "...response MUST NOT include an entity"
        if (logLevel.ordinal() >= Level.FULL.ordinal()) {
          log(configKey, ""); // CRLF
        }
        byte[] bodyData = Util.toByteArray(response.body().asInputStream());
        bodyLength = bodyData.length;
        if (logLevel.ordinal() >= Level.FULL.ordinal() && bodyLength > 0) {
          log(configKey, "%s", decodeOrDefault(bodyData, UTF_8, "Binary data"));
        }
        log(configKey, "<--- END HTTP (%s-byte body)", bodyLength);
        return response.toBuilder().body(bodyData).build();
      } else {
        log(configKey, "<--- END HTTP (%s-byte body)", bodyLength);
      }
    }
    return response;
  }

  protected IOException logIOException(String configKey, Level logLevel, IOException ioe, long elapsedTime) {
    log(configKey, "<--- ERROR %s: %s (%sms)", ioe.getClass().getSimpleName(), ioe.getMessage(),
        elapsedTime);
    if (logLevel.ordinal() >= Level.FULL.ordinal()) {
      StringWriter sw = new StringWriter();
      ioe.printStackTrace(new PrintWriter(sw));
      log(configKey, sw.toString());
      log(configKey, "<--- END ERROR");
    }
    return ioe;
  }

PHASE 7 . 基于重试器发送HTTP请求

Feign 内置了一个重试器，当HTTP请求出现IO异常时，Feign会有一个最大尝试次数发送请求，以下是Feign核心
代码逻辑：

final class SynchronousMethodHandler implements MethodHandler {

  // 省略部分代码

  @Override
  public Object invoke(Object[] argv) throws Throwable {
   //根据输入参数，构造Http 请求。
    RequestTemplate template = buildTemplateFromArgs.create(argv);
    // 克隆出一份重试器
    Retryer retryer = this.retryer.clone();
    // 尝试最大次数，如果中间有结果，直接返回
    while (true) {
      try {
        return executeAndDecode(template);
      } catch (RetryableException e) {
        retryer.continueOrPropagate(e);
        if (logLevel != Logger.Level.NONE) {
          logger.logRetry(metadata.configKey(), logLevel);
        }
        continue;
      }
    }
  }

重试器有如下几个控制参数：

重试参数	说明	默认值
period	初始重试时间间隔，当请求失败后，重试器将会暂停 初始时间间隔(线程 sleep 的方式)后再开始，避免强刷请求，浪费性能	100ms
maxPeriod	当请求连续失败时，重试的时间间隔将按照：long interval = (long) (period * Math.pow(1.5, attempt - 1)); 计算，按照等比例方式延长，但是最大间隔时间为 maxPeriod, 设置此值能够避免 重试次数过多的情况下执行周期太长	1000ms
maxAttempts	最大重试次数	5

具体的代码实现可参考：
https://github.com/OpenFeign/feign/blob/master/core/src/main/java/feign/Retryer.java

PHASE 8. 发送Http请求

Feign 真正发送HTTP请求是委托给 feign.Client 来做的：

public interface Client {

  /**
   * Executes a request against its {@link Request#url() url} and returns a response.
   *  执行Http请求，并返回Response
   * @param request safe to replay.
   * @param options options to apply to this request.
   * @return connected response, {@link Response.Body} is absent or unread.
   * @throws IOException on a network error connecting to {@link Request#url()}.
   */
  Response execute(Request request, Options options) throws IOException;
  }

Feign 默认底层通过JDK 的 java.net.HttpURLConnection 实现了feign.Client接口类,在每次发送请求的时候，都会创建新的HttpURLConnection 链接，这也就是为什么默认情况下Feign的性能很差的原因。可以通过拓展该接口，使用Apache HttpClient 或者OkHttp3等基于连接池的高性能Http客户端，我们项目内部使用的就是OkHttp3作为Http 客户端。

如下是Feign 的默认实现，供参考：

public static class Default implements Client {

    private final SSLSocketFactory sslContextFactory;
    private final HostnameVerifier hostnameVerifier;

    /**
     * Null parameters imply platform defaults.
     */
    public Default(SSLSocketFactory sslContextFactory, HostnameVerifier hostnameVerifier) {
      this.sslContextFactory = sslContextFactory;
      this.hostnameVerifier = hostnameVerifier;
    }

    @Override
    public Response execute(Request request, Options options) throws IOException {
      HttpURLConnection connection = convertAndSend(request, options);
      return convertResponse(connection).toBuilder().request(request).build();
    }

    HttpURLConnection convertAndSend(Request request, Options options) throws IOException {
      final HttpURLConnection
          connection =
          (HttpURLConnection) new URL(request.url()).openConnection();
      if (connection instanceof HttpsURLConnection) {
        HttpsURLConnection sslCon = (HttpsURLConnection) connection;
        if (sslContextFactory != null) {
          sslCon.setSSLSocketFactory(sslContextFactory);
        }
        if (hostnameVerifier != null) {
          sslCon.setHostnameVerifier(hostnameVerifier);
        }
      }
      connection.setConnectTimeout(options.connectTimeoutMillis());
      connection.setReadTimeout(options.readTimeoutMillis());
      connection.setAllowUserInteraction(false);
      connection.setInstanceFollowRedirects(true);
      connection.setRequestMethod(request.method());

      Collection<String> contentEncodingValues = request.headers().get(CONTENT_ENCODING);
      boolean
          gzipEncodedRequest =
          contentEncodingValues != null && contentEncodingValues.contains(ENCODING_GZIP);
      boolean
          deflateEncodedRequest =
          contentEncodingValues != null && contentEncodingValues.contains(ENCODING_DEFLATE);

      boolean hasAcceptHeader = false;
      Integer contentLength = null;
      for (String field : request.headers().keySet()) {
        if (field.equalsIgnoreCase("Accept")) {
          hasAcceptHeader = true;
        }
        for (String value : request.headers().get(field)) {
          if (field.equals(CONTENT_LENGTH)) {
            if (!gzipEncodedRequest && !deflateEncodedRequest) {
              contentLength = Integer.valueOf(value);
              connection.addRequestProperty(field, value);
            }
          } else {
            connection.addRequestProperty(field, value);
          }
        }
      }
      // Some servers choke on the default accept string.
      if (!hasAcceptHeader) {
        connection.addRequestProperty("Accept", "*/*");
      }

      if (request.body() != null) {
        if (contentLength != null) {
          connection.setFixedLengthStreamingMode(contentLength);
        } else {
          connection.setChunkedStreamingMode(8196);
        }
        connection.setDoOutput(true);
        OutputStream out = connection.getOutputStream();
        if (gzipEncodedRequest) {
          out = new GZIPOutputStream(out);
        } else if (deflateEncodedRequest) {
          out = new DeflaterOutputStream(out);
        }
        try {
          out.write(request.body());
        } finally {
          try {
            out.close();
          } catch (IOException suppressed) { // NOPMD
          }
        }
      }
      return connection;
    }

    Response convertResponse(HttpURLConnection connection) throws IOException {
      int status = connection.getResponseCode();
      String reason = connection.getResponseMessage();

      if (status < 0) {
        throw new IOException(format("Invalid status(%s) executing %s %s", status,
            connection.getRequestMethod(), connection.getURL()));
      }

      Map<String, Collection<String>> headers = new LinkedHashMap<String, Collection<String>>();
      for (Map.Entry<String, List<String>> field : connection.getHeaderFields().entrySet()) {
        // response message
        if (field.getKey() != null) {
          headers.put(field.getKey(), field.getValue());
        }
      }

      Integer length = connection.getContentLength();
      if (length == -1) {
        length = null;
      }
      InputStream stream;
      if (status >= 400) {
        stream = connection.getErrorStream();
      } else {
        stream = connection.getInputStream();
      }
      return Response.builder()
              .status(status)
              .reason(reason)
              .headers(headers)
              .body(stream, length)
              .build();
    }
  }