08 资源指标数据统计的实现全解析(上)

节点选择器:NodeSelectorSlot

NodeSelectorSlot 负责为资源的首次访问创建 DefaultNode,以及维护 Context.curNode 和调用树。NodeSelectorSlot 被放在 ProcessorSlotChain 链表的第一个位置,这是因为后续的 ProcessorSlot 都需要依赖这个 ProcessorSlot。NodeSelectorSlot 源码如下:

public class NodeSelectorSlot extends AbstractLinkedProcessorSlot<Object> {
    // Context 的 name -> 资源的 DefaultNode
    private volatile Map<String, DefaultNode> map = new HashMap<>(10);
    // 入口方法
    @Override
    public void entry(Context context, ResourceWrapper resourceWrapper, Object obj, int count, boolean prioritized, Object... args) throws Throwable {
        // 使用 Context 的名称作为 key 缓存资源的 DefaultNode
        DefaultNode node = map.get(context.getName());
        if (node == null) {
            synchronized (this) {
                node = map.get(context.getName());
                if (node == null) {
                    // 为资源创建 DefaultNode
                    node = new DefaultNode(resourceWrapper, null);
                    // 替换 map
                    HashMap<String, DefaultNode> cacheMap = new HashMap<>(map.size());
                    cacheMap.putAll(map);
                    cacheMap.put(context.getName(), node);
                    map = cacheMap;
                    // 绑定调用树
                    ((DefaultNode) context.getLastNode()).addChild(node);
                }
            }
        }
        // 替换 Context 的 curNode 为当前 DefaultNode
        context.setCurNode(node);
        fireEntry(context, resourceWrapper, node, count, prioritized, args);
    }

    // 出口方法什么也不做
    @Override
    public void exit(Context context, ResourceWrapper resourceWrapper, int count, Object... args) {
        fireExit(context, resourceWrapper, count, args);
    }
}

如源码所示,map 字段是一个非静态字段,意味着每个 NodeSelectorSlot 都有一个 map。由于一个资源对应一个 ProcessorSlotChain,而一个 ProcessorSlotChain 只创建一个 NodeSelectorSlot,并且 map 缓存 DefaultNode 使用的 key 并非资源 ID,而是 Context.name,所以 map 的作用是缓存针对同一资源为不同调用链路入口创建的 DefaultNode。

在 entry 方法中,首先根据 Context.name 从 map 获取当前调用链路入口的资源 DefaultNode,如果资源第一次被访问,也就是资源的 ProcessorSlotChain 第一次被创建,那么这个 map 是空的,就会加锁为资源创建 DefaultNode,如果资源不是首次被访问,但却首次作为当前调用链路(Context)的入口资源,也需要加锁为资源创建一个 DefaultNode。可见,Sentinel 会为同一资源 ID 创建多少个 DefaultNode 取决于有多少个调用链使用其作为入口资源,直白点就是同一资源存在多少个 DefaultNode 取决于 Context.name 有多少种不同取值,这就是为什么说一个资源可能有多个 DefaultNode 的原因。

为什么这么设计呢?

举个例子,对同一支付接口,我们需要使用 Spring MVC 暴露给前端访问,同时也可能会使用 Dubbo 暴露给其它内部服务调用。Sentinel 的 Web MVC 适配器在调用链路入口创建名为“sentinel_spring_web_context”的 Context,与 Sentinel 的 Dubbo 适配器调用 ContextUtil#enter 方法创建的 Context 名称不同。针对这种情况,我们可以实现只限制 Spring MVC 进来的流量,也就是限制前端发起接口调用的 QPS、并行占用的线程数等。

NodeSelectorSlot#entry 方法最难以理解的就是实现绑定调用树这行代码:

((DefaultNode) context.getLastNode()).addChild(node);

这行代码分两种情况分析更容易理解,我们就以 Sentinel 提供的 Demo 为例进行分析。

一般情况

Sentinel 的 sentinel-demo 模块下提供了多种使用场景的 Demo,我们选择 sentinel-demo-spring-webmvc 这个 Demo 为例,该 Demo 下有一个 hello 接口,其代码如下。

@RestController
public class WebMvcTestController {

    @GetMapping("/hello")
    public String apiHello() throws BlockException {
        doBusiness();
        return "Hello!";
    }
}

我们不需要添加任何规则,只是为了调试 Sentinel 的源码。将 demo 启动起来后,在浏览器访问“/hello”接口,在 NodeSelectorSlot#entry 方法的绑定调用树这一行代码下断点,观察此时 Context 的字段信息。正常情况下我们可以看到如下图所示的结果。

08-01-one01

从上图中可以看出,此时的 Context.entranceNode 的子节点为空(childList 的大小为 0),并且当前 CtEntry 父、子节点都是 Null(curEntry 字段)。当绑定调用树这一行代码执行完成后,Context 的字段信息如下图所示:

08-02-one02

从上图可以看出,NodeSelectorSlot 为当前资源创建的 DefaultNode 被添加到了 Context.entranceNode 的子节点。entranceNode 类型为 EntranceNode,在调用 ContextUtil#enter 方法时创建,在第一次创建名为“sentinel_spring_web_context”的 Context 时创建,相同名称的 Context 都使用同一个 EntranceNode。并且该 EntranceNode 在创建时会被添加到 Constant.ROOT。

此时,Constant.ROOT、Context.entranceNode、当前访问资源的 DefaultNode 构造成的调用树如下:

           ROOT (machine-root)
                /
      EntranceNode (context name: sentinel_spring_web_context)
             /
DefaultNode (resource name: GET:/hello)

如果我们现在再访问 Demo 的其他接口,例如访问“/err”接口,那么生成的调用树就会变成如下:

                        ROOT (machine-root)
                            /
      EntranceNode (context name: sentinel_spring_web_context)
                    /                                \
DefaultNode (resource name: GET:/hello)     DefaultNode (resource name: GET:/err) 

Context.entranceNode 将会存储 Web 项目的所有资源(接口)的 DefaultNode。

存在多次 SphU#entry 的情况

比如我们在一个服务中添加了 Sentinel 的 Web MVC 适配模块的依赖,也添加了 Sentinel 的 OpenFeign 适配模块的依赖,并且我们使用 OpenFeign 调用内部其他服务的接口,那么就会存在一次调用链路上出现多次调用 SphU#entry 方法的情况。

首先 webmvc 适配器在接收客户端请求时会调用一次 SphU#entry,在处理客户端请求时可能需要使用 OpenFeign 调用其它服务的接口,那么在发起接口调用时,Sentinel 的 OpenFeign 适配器也会调用一次 SphU#entry。

现在我们将 Demo 的 hello 接口修改一下,将 hello 接口调用的 doBusiness 方法也作为资源使用 Sentinel 保护起来,改造后的 hello 接口代码如下:

@RestController
public class WebMvcTestController {

    @GetMapping("/hello")
    public String apiHello() throws BlockException {
        ContextUtil.enter("my_context");
        Entry entry = null;
        try {
            entry = SphU.entry("POST:http://wujiuye.com/hello2", EntryType.OUT);
            // ==== 这里是被包装的代码 =====
            doBusiness();
            return "Hello!";
            // ==== end ===============
        } catch (Exception e) {
            if (!(e instanceof BlockException)) {
                Tracer.trace(e);
            }
            throw e;
        } finally {
            if (entry != null) {
                entry.exit(1);
            }
            ContextUtil.exit();
        }
    }
}

我们可将 doBusiness 方法看成是远程调用,例如调用第三方的接口,接口名称为“http://wujiuye.com/hello2”,使用 POST 方式调用,那么我们可以使用“POST:http://wujiuye.com/hello2”作为资源名称,并将流量类型设置为 OUT 类型。上下文名称取名为”my_context”。

现在启动 demo,使用浏览器访问“/hello”接口。当代码执行到 apiHello 方法时,在 NodeSelectorSlot#entry 方法的绑定调用树这一行代码下断点。当绑定调用树这行代码执行完成后,Context 的字段信息如下图所示。

08-03-two01

如图所示,Sentinel 并没有创建名称为 my_context 的 Context,还是使用应用接收到请求时创建名为“sentinel_spring_web_context”的 Context,所以处理浏览器发送过来的请求的“GET:/hello”资源是本次调用链路的入口资源,Sentinel 在调用链路入口处创建 Context 之后不再创建新的 Context。

由于之前并没有为名称为“POST:http://wujiuye.com/hello2”的资源创建 ProcessorSlotChain,所以 SphU#entry 会为该资源创建一个 ProcessorSlotChain,也就会为该 ProcessorSlotChain 创建一个 NodeSelectorSlot。在执行到 NodeSelectorSlot#entry 方法时,就会为该资源创建一个 DefaultNode,而将该资源的 DefaultNode 绑定到节点树后,该资源的 DefaultNode 就会成为“GET:/hello”资源的 DefaultNode 的子节点,调用树如下。

                    ROOT (machine-root)
                    /
    EntranceNode (name: sentinel_spring_web_context)
                 /                       \
          DefaultNode (GET:/hello)   .........
               /
         DefaultNode  (POST:/hello2)

此时,当前调用链路上也已经存在两个 CtEntry,这两个 CtEntry 构造一个双向链表,如下图所示。

08-04-two02

虽然存在两个 CtEntry,但此时 Context.curEntry 指向第二个 CtEntry,第二个 CtEntry 在 apiHello 方法中调用 SphU#entry 方法时创建,当执行完 doBusiness 方法后,调用当前 CtEntry#exit 方法,由该 CtEntry 将 Context.curEntry 还原为该 CtEntry 的父 CtEntry。这有点像入栈和出栈操作,例如栈帧在 Java 虚拟机栈的入栈和出栈,调用方法时方法的栈帧入栈,方法执行完成栈帧出栈。

NodeSelectorSlot#entry 方法我们还有一行代码没有分析,就是将当前创建的 DefaultNode 设置为 Context 的当前节点,代码如下:

// 替换 Context.curNode 为当前 DefaultNode
context.setCurNode(node);

替换 Context.curNode 为当前资源 DefaultNode 这行代码就是将当前创建的 DefaultNode 赋值给当前 CtEntry.curNode。对着上图理解就是,将资源“GET:/hello”的 DefaultNode 赋值给第一个 CtEntry.curNode,将资源“POST:http://wujiuye.com/hello2”的 DefaultNode 赋值给第二个 CtEntry.curNode。

要理解 Sentinel 构造 CtEntry 双向链表的目的,首先我们需要了解调用 Context#getCurNode 方法获取当前资源的 DefaultNode 可以做什么。

Tracer#tracer 方法用于记录异常。以异常指标数据统计为例,在发生非 Block 异常时,Tracer#tracer 需要从 Context 获取当前资源的 DefaultNode,通知 DefaultNode 记录异常,同时 DefaultNode 也会通知 ClusterNode 记录记录,如下代码所示。

public class DefaultNode extends StatisticNode {
  ......
  @Override
    public void increaseExceptionQps(int count) {
        super.increaseExceptionQps(count);
        this.clusterNode.increaseExceptionQps(count);
    }
}

这个例子虽然简单,但也足以说明 Sentinel 构造 CtEntry 双向链表的目的。

ClusterNode 构造器:ClusterBuilderSlot

ClusterNode 出现的背景

在一个资源的 ProcessorSlotChain 中,NodeSelectorSlot 负责为资源创建 DefaultNode,这个 DefaultNode 仅限同名的 Context 使用。所以一个资源可能会存在多个 DefaultNode,那么想要获取一个资源的总的 QPS 就必须要遍历这些 DefaultNode。为了性能考虑,Sentinel 会为每个资源创建一个全局唯一的 ClusterNode,用于统计资源的全局并行占用线程数、QPS、异常总数等指标数据。

ClusterBuilderSlot

与 NodeSelectorSlot 的职责相似,ClusterBuilderSlot 的职责是为资源创建全局唯一的 ClusterNode,仅在资源第一次被访问时创建。ClusterBuilderSlot 还会将 ClusterNode 赋值给 DefaultNode.clusterNode,由 DefaultNode 持有 ClusterNode,负责管理 ClusterNode 的指标数据统计。这点也是 ClusterBuilderSlot 在 ProcessorSlotChain 链表中必须排在 NodeSelectorSlot 之后的原因,即必须先有 DefaultNode,才能将 ClusterNode 交给 DefaultNode 管理。

ClusterBuilderSlot 的源码比较多,本篇只分析其实现 ProcessorSlot 接口的 entry 和 exit 方法。ClusterBuilderSlot 删减后的源码如下。

public class ClusterBuilderSlot extends AbstractLinkedProcessorSlot<DefaultNode> {
    // 资源 -> ClusterNode
    private static volatile Map<ResourceWrapper, ClusterNode> clusterNodeMap = new HashMap<>();
    private static final Object lock = new Object();

    // 非静态,一个资源对应一个 ProcessorSlotChain,所以一个资源共用一个 ClusterNode
    private volatile ClusterNode clusterNode = null;

    @Override
    public void entry(Context context, ResourceWrapper resourceWrapper, DefaultNode node, int count,
                      boolean prioritized, Object... args)
            throws Throwable {
        if (clusterNode == null) {
            synchronized (lock) {
                if (clusterNode == null) {
                    // 创建 ClusterNode
                    clusterNode = new ClusterNode(resourceWrapper.getName(), resourceWrapper.getResourceType());
                    // 添加到缓存
                    HashMap<ResourceWrapper, ClusterNode> newMap = new HashMap<>(Math.max(clusterNodeMap.size(), 16));
                    newMap.putAll(clusterNodeMap);
                    newMap.put(node.getId(), clusterNode);
                    clusterNodeMap = newMap;
                }
            }
        }
        // node 为 NodeSelectorSlot 传递过来的 DefaultNode
        node.setClusterNode(clusterNode);
        // 如果 origin 不为空,则为远程创建一个 StatisticNode
        if (!"".equals(context.getOrigin())) {
            Node originNode = node.getClusterNode().getOrCreateOriginNode(context.getOrigin());
            context.getCurEntry().setOriginNode(originNode);
        }
        fireEntry(context, resourceWrapper, node, count, prioritized, args);
    }

    @Override
    public void exit(Context context, ResourceWrapper resourceWrapper, int count, Object... args) {
        fireExit(context, resourceWrapper, count, args);
    }
}

ClusterBuilderSlot 使用一个 Map 缓存资源的 ClusterNode,并且用一个非静态的字段维护当前资源的 ClusterNode。因为一个资源只会创建一个 ProcessorSlotChain,意味着 ClusterBuilderSlot 也只会创建一个,那么让 ClusterBuilderSlot 持有该资源的 ClusterNode 就可以省去每次都从 Map 中获取的步骤,这当然也是 Sentinel 为性能做出的努力。

ClusterBuilderSlot#entry 方法的 node 参数由前一个 ProcessorSlot 传递过来,也就是 NodeSelectorSlot 传递过来的 DefaultNode。ClusterBuilderSlot 将 ClusterNode 赋值给 DefaultNode.clusterNode,那么后续的 ProcessorSlot 就能从 node 参数中取得 ClusterNode。DefaultNode 与 ClusterNode 的关系如下图所示。

08-05-default-cluster

ClusterNode 有一个 Map 类型的字段用来缓存 origin 与 StatisticNode 的映射,代码如下:

public class ClusterNode extends StatisticNode {
    private final String name;
    private final int resourceType;
    private Map<String, StatisticNode> originCountMap = new HashMap<>();
}

如果上游服务在调用当前服务的接口传递 origin 字段过来,例如可在 http 请求头添加“S-user”参数,或者 Dubbo rpc 调用在请求参数列表加上“application”参数,那么 ClusterBuilderSlot 就会为 ClusterNode 创建一个 StatisticNode,用来统计当前资源被远程服务调用的指标数据。

例如,当 origin 表示来源应用的名称时,对应的 StatisticNode 统计的就是针对该调用来源的指标数据,可用来查看哪个服务访问这个接口最频繁,由此可实现按调用来源限流。

ClusterNode#getOrCreateOriginNode 方法源码如下:

   public Node getOrCreateOriginNode(String origin) {
        StatisticNode statisticNode = originCountMap.get(origin);
        if (statisticNode == null) {
            try {
                lock.lock();
                statisticNode = originCountMap.get(origin);
                if (statisticNode == null) {
                    statisticNode = new StatisticNode();
                    // 这几行代码在 Sentinel 中随处可见
                    HashMap<String, StatisticNode> newMap = new HashMap<>(originCountMap.size() + 1);
                    newMap.putAll(originCountMap);
                    newMap.put(origin, statisticNode);
                    originCountMap = newMap;
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        return statisticNode;
    }

为了便于使用,ClusterBuilderSlot 会将调用来源(origin)的 StatisticNode 赋值给 Context.curEntry.originNode,后续的 ProcessorSlot 可调用 Context#getCurEntry#getOriginNode 方法获取该 StatisticNode。这里我们可以得出一个结论,如果我们自定义的 ProcessorSlot 需要用到调用来源的 StatisticNode,那么在构建 ProcessorSlotChain 时,我们必须要将这个自定义 ProcessorSlot 放在 ClusterBuilderSlot 之后。