为何一个@LoadBalanced注解就能让RestTemplate拥有负载均衡的能力？【享学Spring Clo

时间：2021-07-25 03:11:45

每篇一句

你应该思考：为什么往往完成比完美更重要？

前言

在Spring Cloud微服务应用体系中，远程调用都应负载均衡。我们在使用RestTemplate作为远程调用客户端的时候，开启负载均衡极其简单：一个@LoadBalanced注解就搞定了。
相信大家大都使用过Ribbon做Client端的负载均衡，也许你有和我一样的感受：Ribbon虽强大但不是特别的好用。我研究了一番，其实根源还是我们对它内部的原理不够了解，导致对一些现象无法给出合理解释，同时也影响了我们对它的定制和扩展。本文就针对此做出梳理，希望大家通过本文也能够对Ribbon有一个较为清晰的理解（本文只解释它@LoadBalanced这一小块内容）。

开启客户端负载均衡只需要一个注解即可，形如这样：

@LoadBalanced // 标注此注解后，RestTemplate就具有了客户端负载均衡能力
@Bean
public RestTemplate restTemplate(){
    return new RestTemplate();
}

说Spring是Java界最优秀、最杰出的重复发明*作品一点都不为过。本文就代领你一探究竟，为何开启RestTemplate的负载均衡如此简单。

说明：本文建立在你已经熟练使用RestTemplate，并且了解RestTemplate它相关组件的原理的基础上分析。若对这部分还比较模糊，强行推荐你先参看我前面这篇文章：RestTemplate的使用和原理你都烂熟于胸了吗？【享学Spring MVC】

RibbonAutoConfiguration

这是Spring Boot/Cloud启动Ribbon的入口自动配置类，需要先有个大概的了解：

@Configuration
// 类路径存在com.netflix.client.IClient、RestTemplate等时生效
@Conditional(RibbonAutoConfiguration.RibbonClassesConditions.class) 
// // 允许在单个类中使用多个@RibbonClient
@RibbonClients 
// 若有Eureka，那就在Eureka配置好后再配置它~~~（如果是别的注册中心呢，ribbon还能玩吗？）
@AutoConfigureAfter(name = "org.springframework.cloud.netflix.eureka.EurekaClientAutoConfiguration")
@AutoConfigureBefore({ LoadBalancerAutoConfiguration.class, AsyncLoadBalancerAutoConfiguration.class })
// 加载配置：ribbon.eager-load --> true的话，那么项目启动的时候就会把Client初始化好，避免第一次惩罚
@EnableConfigurationProperties({ RibbonEagerLoadProperties.class, ServerIntrospectorProperties.class })
public class RibbonAutoConfiguration {

    @Autowired
    private RibbonEagerLoadProperties ribbonEagerLoadProperties;
    // Ribbon的配置文件们~~~~~~~（复杂且重要）
    @Autowired(required = false)
    private List<RibbonClientSpecification> configurations = new ArrayList<>();

    // 特征，FeaturesEndpoint这个端点(`/actuator/features`)会使用它org.springframework.cloud.client.actuator.HasFeatures
    @Bean
    public HasFeatures ribbonFeature() {
        return HasFeatures.namedFeature("Ribbon", Ribbon.class);
    }


    // 它是最为重要的，是一个org.springframework.cloud.context.named.NamedContextFactory  此工厂用于创建命名的Spring容器
    // 这里传入配置文件，每个不同命名空间就会创建一个新的容器（和Feign特别像） 设置当前容器为父容器
    @Bean
    public SpringClientFactory springClientFactory() {
        SpringClientFactory factory = new SpringClientFactory();
        factory.setConfigurations(this.configurations);
        return factory;
    }

    // 这个Bean是关键，若你没定义，就用系统默认提供的Client了~~~
    // 内部使用和持有了SpringClientFactory。。。
    @Bean
    @ConditionalOnMissingBean(LoadBalancerClient.class)
    public LoadBalancerClient loadBalancerClient() {
        return new RibbonLoadBalancerClient(springClientFactory());
    }
    ...
}

这个配置类最重要的是完成了Ribbon相关组件的自动配置，有了LoadBalancerClient才能做负载均衡（这里使用的是它的唯一实现类RibbonLoadBalancerClient）

@LoadBalanced

注解本身及其简单（一个属性都木有）：

// 所在包是org.springframework.cloud.client.loadbalancer
// 能标注在字段、方法参数、方法上
// JavaDoc上说得很清楚：它只能标注在RestTemplate上才有效
@Target({ ElementType.FIELD, ElementType.PARAMETER, ElementType.METHOD })
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Inherited
@Qualifier
public @interface LoadBalanced {
}

它最大的特点：头上标注有@Qualifier注解，这是它生效的最重要因素之一，本文后半啦我花了大篇幅介绍它的生效时机。
关于@LoadBalanced自动生效的配置，我们需要来到这个自动配置类：LoadBalancerAutoConfiguration

LoadBalancerAutoConfiguration

// Auto-configuration for Ribbon (client-side load balancing).
// 它的负载均衡技术依赖于的是Ribbon组件~
// 它所在的包是：org.springframework.cloud.client.loadbalancer
@Configuration
@ConditionalOnClass(RestTemplate.class) //可见它只对RestTemplate生效
@ConditionalOnBean(LoadBalancerClient.class) // Spring容器内必须存在这个接口的Bean才会生效（参见：RibbonAutoConfiguration）
@EnableConfigurationProperties(LoadBalancerRetryProperties.class) // retry的配置文件
public class LoadBalancerAutoConfiguration {
    
    // 拿到容器内所有的标注有@LoadBalanced注解的Bean们
    // 注意：必须标注有@LoadBalanced注解的才行
    @LoadBalanced
    @Autowired(required = false)
    private List<RestTemplate> restTemplates = Collections.emptyList(); 
    // LoadBalancerRequestTransformer接口：允许使用者把request   ServiceInstance --> 改造一下
    // Spring内部默认是没有提供任何实现类的（匿名的都木有）
    @Autowired(required = false)
    private List<LoadBalancerRequestTransformer> transformers = Collections.emptyList();

    // 配置一个匿名的SmartInitializingSingleton 此接口我们应该是熟悉的
    // 它的afterSingletonsInstantiated()方法会在所有的单例Bean初始化完成之后，再调用一个一个的处理BeanName~
    // 本处：使用配置好的所有的RestTemplateCustomizer定制器们，对所有的`RestTemplate`定制处理
    // RestTemplateCustomizer下面有个lambda的实现。若调用者有需要可以书写然后扔进容器里既生效
    // 这种定制器：若你项目中有多个RestTempalte，需要统一处理的话。写一个定制器是个不错的选择
    // （比如统一要放置一个请求拦截器：输出日志之类的）
    @Bean
    public SmartInitializingSingleton loadBalancedRestTemplateInitializerDeprecated(final ObjectProvider<List<RestTemplateCustomizer>> restTemplateCustomizers) {
        return () -> restTemplateCustomizers.ifAvailable(customizers -> {
            for (RestTemplate restTemplate : LoadBalancerAutoConfiguration.this.restTemplates) {
                for (RestTemplateCustomizer customizer : customizers) {
                    customizer.customize(restTemplate);
                }
            }
        });
    }
    
    // 这个工厂用于createRequest()创建出一个LoadBalancerRequest
    // 这个请求里面是包含LoadBalancerClient以及HttpRequest request的
    @Bean
    @ConditionalOnMissingBean
    public LoadBalancerRequestFactory loadBalancerRequestFactory(LoadBalancerClient loadBalancerClient) {
        return new LoadBalancerRequestFactory(loadBalancerClient, this.transformers);
    }
    
    // =========到目前为止还和负载均衡没啥关系==========
    // =========接下来的配置才和负载均衡有关（当然上面是基础项）==========

    // 若有Retry的包，就是另外一份配置，和这差不多~~
    @Configuration
    @ConditionalOnMissingClass("org.springframework.retry.support.RetryTemplate")
    static class LoadBalancerInterceptorConfig {、
    
        // 这个Bean的名称叫`loadBalancerClient`，我个人觉得叫`loadBalancerInterceptor`更合适吧（虽然ribbon是唯一实现）
        // 这里直接使用的是requestFactory和Client构建一个拦截器对象
        // LoadBalancerInterceptor可是`ClientHttpRequestInterceptor`，它会介入到http.client里面去
        // LoadBalancerInterceptor也是实现负载均衡的入口，下面详解
        // Tips:这里可没有@ConditionalOnMissingBean哦~~~~
        @Bean
        public LoadBalancerInterceptor ribbonInterceptor(LoadBalancerClient loadBalancerClient, LoadBalancerRequestFactory requestFactory) {
            return new LoadBalancerInterceptor(loadBalancerClient, requestFactory);
        }
    
        
        // 向容器内放入一个RestTemplateCustomizer 定制器
        // 这个定制器的作用上面已经说了：在RestTemplate初始化完成后，应用此定制化器在**所有的实例上**
        // 这个匿名实现的逻辑超级简单：向所有的RestTemplate都塞入一个loadBalancerInterceptor 让其具备有负载均衡的能力
        
        // Tips：此处有注解@ConditionalOnMissingBean。也就是说如果调用者自己定义过RestTemplateCustomizer类型的Bean，此处是不会执行的
        // 请务必注意这点：容易让你的负载均衡不生效哦~~~~
        @Bean
        @ConditionalOnMissingBean
        public RestTemplateCustomizer restTemplateCustomizer(final LoadBalancerInterceptor loadBalancerInterceptor) {
            return restTemplate -> {
                List<ClientHttpRequestInterceptor> list = new ArrayList<>(restTemplate.getInterceptors());
                list.add(loadBalancerInterceptor);
                restTemplate.setInterceptors(list);
            };
        }
    }
    ...
}

这段配置代码稍微有点长，我把流程总结为如下几步：

  1. LoadBalancerAutoConfiguration要想生效类路径必须有RestTemplate，以及Spring容器内必须有LoadBalancerClient的实现Bean
    1. LoadBalancerClient的唯一实现类是：org.springframework.cloud.netflix.ribbon.RibbonLoadBalancerClient
  2. LoadBalancerInterceptor是个ClientHttpRequestInterceptor客户端请求拦截器。它的作用是在客户端发起请求之前拦截，进而实现客户端的负载均衡
  3. restTemplateCustomizer()返回的匿名定制器RestTemplateCustomizer它用来给所有的RestTemplate加上负载均衡拦截器（需要注意它的@ConditionalOnMissingBean注解~）

不难发现，负载均衡实现的核心就是一个拦截器，就是这个拦截器让一个普通的RestTemplate逆袭成为了一个具有负载均衡功能的请求器

LoadBalancerInterceptor

该类唯一被使用的地方就是LoadBalancerAutoConfiguration里配置上去~

public class LoadBalancerInterceptor implements ClientHttpRequestInterceptor {

    // 这个命名都不叫Client了，而叫loadBalancer~~~
    private LoadBalancerClient loadBalancer;
    // 用于构建出一个Request
    private LoadBalancerRequestFactory requestFactory;
    ... // 省略构造函数（给这两个属性赋值）

    @Override
    public ClientHttpResponse intercept(final HttpRequest request, final byte[] body, final ClientHttpRequestExecution execution) throws IOException {
        final URI originalUri = request.getURI();
        String serviceName = originalUri.getHost();
        Assert.state(serviceName != null, "Request URI does not contain a valid hostname: "   originalUri);
        return this.loadBalancer.execute(serviceName, this.requestFactory.createRequest(request, body, execution));
    }
}

此拦截器拦截请求后把它的serviceName委托给了LoadBalancerClient去执行，根据ServiceName可能对应N多个实际的Server，因此就可以从众多的Server中运用均衡算法，挑选出一个最为合适的Server做最终的请求（它持有真正的请求执行器ClientHttpRequestExecution）。

LoadBalancerClient

请求被拦截后，最终都是委托给了LoadBalancerClient处理。

// 由使用负载平衡器选择要向其发送请求的服务器的类实现
public interface ServiceInstanceChooser {

    // 从负载平衡器中为指定的服务选择Service服务实例。
    // 也就是根据调用者传入的serviceId，负载均衡的选择出一个具体的实例出来
    ServiceInstance choose(String serviceId);
}

// 它自己定义了三个方法
public interface LoadBalancerClient extends ServiceInstanceChooser {
    
    // 执行请求
    <T> T execute(String serviceId, LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException;
    <T> T execute(String serviceId, ServiceInstance serviceInstance, LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException;
    
    // 重新构造url：把url中原来写的服务名 换掉 换成实际的
    URI reconstructURI(ServiceInstance instance, URI original);
}

它只有一个实现类RibbonLoadBalancerClient（ServiceInstanceChooser是有多个实现类的~）。

RibbonLoadBalancerClient

首先我们应当关注它的choose()方法：

public class RibbonLoadBalancerClient implements LoadBalancerClient {
    
    @Override
    public ServiceInstance choose(String serviceId) {
        return choose(serviceId, null);
    }
    // hint：你可以理解成分组。若指定了，只会在这个偏好的分组里面去均衡选择
    // 得到一个Server后，使用RibbonServer把server适配起来~~~
    // 这样一个实例就选好了~~~真正请求会落在这个实例上~
    public ServiceInstance choose(String serviceId, Object hint) {
        Server server = getServer(getLoadBalancer(serviceId), hint);
        if (server == null) {
            return null;
        }
        return new RibbonServer(serviceId, server, isSecure(server, serviceId),
                serverIntrospector(serviceId).getMetadata(server));
    }

    // 根据ServiceId去找到一个属于它的负载均衡器
    protected ILoadBalancer getLoadBalancer(String serviceId) {
        return this.clientFactory.getLoadBalancer(serviceId);
    }

}

choose方法：传入serviceId，然后通过SpringClientFactory获取负载均衡器com.netflix.loadbalancer.ILoadBalancer，最终委托给它的chooseServer()方法选取到一个com.netflix.loadbalancer.Server实例，也就是说真正完成Server选取的是ILoadBalancer。

ILoadBalancer以及它相关的类是一个较为庞大的体系，本文不做更多的展开，而是只聚焦在我们的流程上

LoadBalancerInterceptor执行的时候是直接委托执行的loadBalancer.execute()这个方法：

RibbonLoadBalancerClient：

    // hint此处传值为null：一视同仁
    // 说明：LoadBalancerRequest是通过LoadBalancerRequestFactory.createRequest(request, body, execution)创建出来的
    // 它实现LoadBalancerRequest接口是用的一个匿名内部类，泛型类型是ClientHttpResponse
    // 因为最终执行的显然还是执行器：ClientHttpRequestExecution.execute()
    @Override
    public <T> T execute(String serviceId, LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException {
        return execute(serviceId, request, null);
    }
    // public方法（非接口方法）
    public <T> T execute(String serviceId, LoadBalancerRequest<T> request, Object hint) throws IOException {
        // 同上：拿到负载均衡器，然后拿到一个serverInstance实例
        ILoadBalancer loadBalancer = getLoadBalancer(serviceId);
        Server server = getServer(loadBalancer, hint);
        if (server == null) { // 若没找到就直接抛出异常。这里使用的是IllegalStateException这个异常
            throw new IllegalStateException("No instances available for "   serviceId);
        }

        // 把Server适配为RibbonServer  isSecure：客户端是否安全
        // serverIntrospector内省  参考配置文件：ServerIntrospectorProperties
        RibbonServer ribbonServer = new RibbonServer(serviceId, server,
                isSecure(server, serviceId), serverIntrospector(serviceId).getMetadata(server));

        //调用本类的重载接口方法~~~~~
        return execute(serviceId, ribbonServer, request);
    }

    // 接口方法：它的参数是ServiceInstance --> 已经确定了唯一的Server实例~~~
    @Override
    public <T> T execute(String serviceId, ServiceInstance serviceInstance, LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException {
    
        // 拿到Server）（说白了，RibbonServer是execute时的唯一实现）
        Server server = null;
        if (serviceInstance instanceof RibbonServer) {
            server = ((RibbonServer) serviceInstance).getServer();
        }
        if (server == null) {
            throw new IllegalStateException("No instances available for "   serviceId);
        }

        // 说明：执行的上下文是和serviceId绑定的
        RibbonLoadBalancerContext context = this.clientFactory.getLoadBalancerContext(serviceId);
        ... 
        // 真正的向server发送请求，得到返回值
        // 因为有拦截器，所以这里肯定说执行的是InterceptingRequestExecution.execute()方法
        // so会调用ServiceRequestWrapper.getURI()，从而就会调用reconstructURI()方法
            T returnVal = request.apply(serviceInstance);
            return returnVal;
        ... // 异常处理
    }

returnVal是一个ClientHttpResponse，最后交给handleResponse()方法来处理异常情况（若存在的话），若无异常就交给提取器提值：responseExtractor.extractData(response)，这样整个请求就算全部完成了。

使用细节

针对@LoadBalanced下的RestTemplate的使用，我总结如下细节供以参考：

  1. 传入的String类型的url必须是绝对路径（http://...），否则抛出异常：java.lang.IllegalArgumentException: URI is not absolute
  2. serviceId不区分大小写（http://user/...效果同http://USER/...）
  3. serviceId后请不要跟port端口号了~~~

最后，需要特别指出的是：标注有@LoadBalanced的RestTemplate只能书写serviceId而不能再写IP地址/域名去发送请求了。若你的项目中两种case都有需要，请定义多个RestTemplate分别应对不同的使用场景~

本地测试

了解了它的执行流程后，若需要本地测试（不依赖于注册中心），可以这么来做：

// 因为自动配置头上有@ConditionalOnMissingBean注解，所以自定义一个覆盖它的行为即可
// 此处复写它的getServer()方法，返回一个固定的（访问百度首页）即可，方便测试
@Bean
public LoadBalancerClient loadBalancerClient(SpringClientFactory factory) {
    return new RibbonLoadBalancerClient(factory) {
        @Override
        protected Server getServer(ILoadBalancer loadBalancer, Object hint) {
            return new Server("www.baidu.com", 80);
        }
    };
}

这么一来，下面这个访问结果就是百度首页的html内容喽。

@Test
public void contextLoads() {
    String obj = restTemplate.getForObject("http://my-serviceId", String.class);
    System.out.println(obj);
}

此处my-serviceId肯定是不存在的，但得益于我上面自定义配置的LoadBalancerClient

什么，写死return一个Server实例不优雅？确实，总不能每次上线前还把这部分代码给注释掉吧，若有多个实例呢？还得自己写负载均衡算法吗？很显然Spring Cloud早早就为我们考虑到了这一点：脱离Eureka使用配置listOfServers进行客户端负载均衡调度（<clientName>.<nameSpace>.listOfServers=<comma delimited hostname:port strings>）

对于上例我只需要在主配置文件里这么配置一下：

# ribbon.eureka.enabled=false # 若没用euraka，此配置可省略。否则不可以
my-serviceId.ribbon.listOfServers=www.baidu.com # 若有多个实例请用逗号分隔

效果完全同上。

Tips：这种配置法不需要是完整的绝对路径，http://是可以省略的（new Server()方式亦可）

自己添加一个记录请求日志的拦截器可行吗？

显然是可行的，我给出示例如下：

@LoadBalanced
@Bean
public RestTemplate restTemplate() {
    RestTemplate restTemplate = new RestTemplate();
    List<ClientHttpRequestInterceptor> list = new ArrayList<>();
    list.add((request, body, execution) -> {
        System.out.println("当前请求的URL是："   request.getURI().toString());
        return execution.execute(request, body);
    });
    restTemplate.setInterceptors(list);
    return restTemplate;
}

这样每次客户端的请求都会打印这句话：当前请求的URI是：http://my-serviceId，一般情况（缺省情况）自定义的拦截器都会在负载均衡拦截器前面执行（因为它要执行最终的请求）。若你有必要定义多个拦截器且要控制顺序，可通过Ordered系列接口来实现~

最后的最后，我抛出一个非常非常重要的问题：

    @LoadBalanced
    @Autowired(required = false)
    private List<RestTemplate> restTemplates = Collections.emptyList();

@Autowired @LoadBalanced能把你配置的RestTemplate自动注入进来拿来定制呢？？？核心原理是什么？

> 提示：本原理内容属于Spring Framwork核心技术，建议深入思考而不囫囵吞枣。有疑问的可以给我留言，我也将会在下篇文章给出详细解答（建议先思考）

推荐阅读

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总结

本文以大家熟悉的@LoadBalanced和RestTemplate为切入点介绍了Ribbon实现负载均衡的执行流程，当然此部分对Ribbon整个的核心负载体系知识来说知识冰山一角，但它作为敲门砖还是很有意义的，希望本文能勾起你对Ribbon体系的兴趣，深入了解它~

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