技术文章摘抄

13 熔断降级与系统自适应限流

熔断降级

限流需要我们根据不同的硬件条件做好压测，压测出一个接口或者一个服务在某种硬件配置下最大能承受的 QPS，根据这个结果配置限流规则，并且在后期需求的不断叠加，也需要对接口重新做压测，或者根据线上的实际表现不断调整限流的阈值。因此，限流可能很少使用，或者限流的阈值都会配置的比压测结果略大，这时就需要结合熔断降级做兜底。

Sentinel 支持对同一个资源配置多个相同类型或不同类型的规则，在配置了限流规则的基础上，我们还可以为同一资源配置熔断降级规则。当接口的 QPS 未达限流阈值却已经有很多请求超时的情况下，就可能达到熔断降级规则的阈值从而触发熔断，这就能很好地保护服务自身。

熔断规则可配置的属性

DegradeRule 规则类声明的字段如下：

public class DegradeRule extends AbstractRule {
    // 可配置字段
    private double count;
    private int timeWindow;
    private int grade = RuleConstant.DEGRADE_GRADE_RT;
    private int rtSlowRequestAmount = RuleConstant.DEGRADE_DEFAULT_SLOW_REQUEST_AMOUNT;
    private int minRequestAmount = RuleConstant.DEGRADE_DEFAULT_MIN_REQUEST_AMOUNT;
    // 非配置字段
    private AtomicLong passCount = new AtomicLong(0);
    private final AtomicBoolean cut = new AtomicBoolean(false);
}
  • count：限流阈值。
  • timeWindow：重置熔断的窗口时间，默认值 0。
  • grade：降级策略，支持 DEGRADE_GRADE_RT（按平均响应耗时）、DEGRADE_GRADE_EXCEPTION_RATIO（按失败比率）和 DEGRADE_GRADE_EXCEPTION_COUNT（失败次数）三种熔断降级策略。
  • rtSlowRequestAmount：当 grade 配置为 DEGRADE_GRADE_RT 时，该值表示可触发熔断的超过阈值的慢请求数量。如果该值配置为 5，阈值为 100 毫秒，当连续 5 个请求计算平均耗时都超过 100 毫秒时，后面的请求才会被熔断，下个时间窗口修复。
  • minRequestAmount：当 grade 配置为 DEGRADE_GRADE_EXCEPTION_RATIO 时，该值表示可触发熔断的最小请求数，假设阈值配置为 10，第一个请求就失败的情况下，失败率为 100%，minRequestAmount 就是避免出现这种情况的。
  • passCount：只在 grade 为 DEGRADE_GRADE_RT 时使用，累加慢请求数，该值由一个定时任务重置，周期为 timeWindow（窗口时间大小）。
  • cut：记录当前是否已经触发熔断，当 passCount 的值大于等待 rtSlowRequestAmount 时被设置为 true，由定时任务在 timeWindow 之后重置为 false。

熔断降级判断流程

DegradeSlot 是实现熔断降级的切入点，它作为 ProcessorSlot 插入到 ProcessorSlotChain 链表中，在 entry 方法中调用 Checker 去判断是否熔断当前请求，如果熔断则抛出 Block 异常。

Checker 并不是一个接口，而是一种检测行为，限流的 ckeck 由 FlowRuleChecker 实现，而熔断的 check 行为则由 DegradeRuleManager 负责，真正 check 逻辑判断由 DegradeRule 实现，流程如下图所示。

13-01-degradeslot

当 DegradeSlot#entry 方法被调用时，由 DegradeSlot 调用 DegradeRuleManager#checkDegrade 方法检查当前请求是否满足某个熔断降级规则。熔断规则配置由 DegradeRuleManager 加载，所以 DegradeSlot 将 check 逻辑交给 DegradeRuleManager 去完成，checkDegrade 方法的源码如下：

public static void checkDegrade(ResourceWrapper resource, Context context, DefaultNode node, int count)
        throws BlockException {
        // 因为我们可以对同一个资源配置多个熔断降级规则，所以返回的将是一个集合。
        Set<DegradeRule> rules = degradeRules.get(resource.getName());
        if (rules == null) {
            return;
        }
        for (DegradeRule rule : rules) {
            if (!rule.passCheck(context, node, count)) {
                throw new DegradeException(rule.getLimitApp(), rule);
            }
        }
}

DegradeRuleManager 首先根据资源名称获取配置的熔断降级规则，然后遍历熔断降级规则，调用 DegradeRule#passCheck 方法将检查是否需要触发熔断的逻辑交给 DegradeRule 完成。如果对一个资源配置多个熔断降级规则，那么只要有一个熔断降级规则满足条件，就会触发熔断。

DegradeRule#passCheck 方法源码如下：

   @Override
    public boolean passCheck(Context context, DefaultNode node, int acquireCount, Object... args) {
        if (cut.get()) {
            return false;
        }
        // (1)
        ClusterNode clusterNode = ClusterBuilderSlot.getClusterNode(this.getResource());
        if (clusterNode == null) {
            return true;
        }
        // (2)
        if (grade == RuleConstant.DEGRADE_GRADE_RT) {
            double rt = clusterNode.avgRt();
            if (rt < this.count) {
                passCount.set(0);
                return true;
            }
            if (passCount.incrementAndGet() < rtSlowRequestAmount) {
                return true;
            }
        } 
        // (3)
        else if (grade == RuleConstant.DEGRADE_GRADE_EXCEPTION_RATIO) {
            double exception = clusterNode.exceptionQps();
            double success = clusterNode.successQps();
            double total = clusterNode.totalQps();
            if (total < minRequestAmount) {
                return true;
            }
            double realSuccess = success - exception;
            if (realSuccess <= 0 && exception < minRequestAmount) {
                return true;
            }
            if (exception / success < count) {
                return true;
            }
        } 
        // (4)
        else if (grade == RuleConstant.DEGRADE_GRADE_EXCEPTION_COUNT) {
            double exception = clusterNode.totalException();
            if (exception < count) {
                return true;
            }
        }
        // (5)
        if (cut.compareAndSet(false, true)) {
            ResetTask resetTask = new ResetTask(this);
            pool.schedule(resetTask, timeWindow, TimeUnit.SECONDS);
        }
        // 熔断
        return false;
    }
  1. 根据资源名称获取该资源全局的指标数据统计 ClusterNode。
  2. 如果熔断降级策略为 DEGRADE_GRADE_RT，从 ClusterNode 读取当前平均耗时，如果平均耗时超过限流的阈值，并且超过阈值的慢请求数大于 rtSlowRequestAmount，则跳转到（5）；否则如果平均耗时下降小于阈值，将计数器 passCount 重置为 0。
  3. 如果熔断降级策略为 DEGRADE_GRADE_EXCEPTION_RATIO，读取当前时间窗口（1 秒）的异常总数、成功总数、总 QPS，判断异常总数与成功总数的比值是否小于规则设置的阈值，小于才能通过。失败率大于等于阈值且当前总的 QPS 大于 minRequestAmount，则跳转到（5）。
  4. 如果熔断降级策略为 DEGRADE_GRADE_EXCEPTION_COUNT，读取当前滑动窗口（1 分钟）的异常总数，如果异常总数大于规则配置的阈值，则跳转到（5），否则请求通过。
  5. 记录当前已经触发熔断，后续请求不需要重复判断。并且开启定时任务用于重置熔断标志，休眠 timeWindow 时长后重置熔断标志；当 timeWindow 不配置或者配置为 0 时，cut 被立即重置，也就是不保存熔断判断的结果，每个请求都需要重新判断一次。

官方文档在介绍 DEGRADE_GRADE_EXCEPTION_COUNT 策略的地方加了使用注意说明，内容为：

注意由于统计时间窗口是分钟级别的，若 timeWindow 小于 60s，则结束熔断状态后仍可能再进入熔断状态。

这句话并不难理解，因为调用 ClusterNode#totalException 方法获取的是一分钟内的总异常数。StatisticNode 的 totalException 源码如下：

// 数组大小为 60，窗口时间长度为 1000 毫秒
private transient Metric rollingCounterInMinute = new ArrayMetric(60, 60 * 1000, false);

@Override
public long totalException() {
    // 获取 1 分钟的总异常数
    return rollingCounterInMinute.exception();
}

也因如此，DEGRADE_GRADE_EXCEPTION_COUNT 这个熔断降级策略似乎使用场景不多，笔者也未曾使用过。

timeWindow、passCount、cut 是作者出于性能考虑而添加的，在配置熔断规则时，建议不要将 timeWindow 配置为 0 或者小于 0，可将 timeWindow 配置为 1000 毫秒，一个窗口时间长度，能减少一点计算就能降低一点 Sentinel 对性能的影响。

系统自适应限流

系统自适应限流就是在系统负载过高的情况下，自动切断后续请求，以保证服务的稳定运行。系统自适应限流也属于熔断降级的一种实现，而非限流降级，它与熔断降级都有一个共性，在保证服务稳定运行的情况下尽最大可能处理更多请求，一旦系统负载达到阈值就熔断请求。

SystemSlot 是实现系统自适应限流的切入点。DegradeSlot 在 ProcessorSlotChain 链表中被放在 FlowSlot 的后面，作为限流的兜底解决方案，而 SystemSlot 在 ProcessorSlotChain 链表中被放在 FlowSlot 的前面，强制优先考虑系统目前的情况能否处理当前请求，让系统尽可能跑在最大吞吐量的同时保证系统的稳定性。

系统自适应限流规则配置

系统自适应限流规则针对所有流量类型为 IN 的资源生效，因此不需要配置规则的资源名称。SystemRule 定义的字段如下：

public class SystemRule extends AbstractRule {
    private double highestSystemLoad = -1;
    private double highestCpuUsage = -1;
    private double qps = -1;
    private long avgRt = -1;
    private long maxThread = -1;
}
  • qps：按 QPS 限流的阈值，默认 -1，大于 0 才生效。
  • avgRt：按平均耗时的限流阈值，默认 -1，大于 0 才生效。
  • maxThread：最大并行占用的线程数阈值，默认 -1，大于 0 才生效。
  • highestCpuUsage：按 CPU 使用率限流的阈值，取值[0,1]之间，默认 -1，大于等于 0.0 才生效。
  • highestSystemLoad：按系统负载限流的阈值，默认 -1，大于 0.0 才生效。

如果配置了多个 SystemRule，则每个配置项只取最小值。例如三个 SystemRule 都配置了 qps，则取这三个规则中最小的 qps 作为限流阈值，这在调用 SystemRuleManager#loadRules 方法加载规则时完成。

   public static void loadSystemConf(SystemRule rule) {
        // 是否开启系统自适应限流判断功能
        boolean checkStatus = false;
        // highestSystemLoad
        if (rule.getHighestSystemLoad() >= 0) {
            // 多个规则都配置则取最小值
            highestSystemLoad = Math.min(highestSystemLoad, rule.getHighestSystemLoad());
            highestSystemLoadIsSet = true;
            // 开启系统自适应限流检查功能
            checkStatus = true;
        }
        // highestCpuUsage
        if (rule.getHighestCpuUsage() >= 0) {
            if (rule.getHighestCpuUsage() > 1) {}
            // [0,1)
            else {
                // 多个规则都配置则取最小值
                highestCpuUsage = Math.min(highestCpuUsage, rule.getHighestCpuUsage());
                highestCpuUsageIsSet = true;
                checkStatus = true;
            }
        }
        // avgRt
        if (rule.getAvgRt() >= 0) {
            // 多个规则都配置则取最小值
            maxRt = Math.min(maxRt, rule.getAvgRt());
            maxRtIsSet = true;
            checkStatus = true;
        }
        // maxThread
        if (rule.getMaxThread() >= 0) {
            // 多个规则都配置则取最小值
            maxThread = Math.min(maxThread, rule.getMaxThread());
            maxThreadIsSet = true;
            checkStatus = true;
        }
        // qps
        if (rule.getQps() >= 0) {
            // 多个规则都配置则取最小值
            qps = Math.min(qps, rule.getQps());
            qpsIsSet = true;
            checkStatus = true;
        }
        checkSystemStatus.set(checkStatus);
    }

系统自适应限流判断流程

当 SystemSlot#entry 方法被调用时，由 SystemSlot 调用 SystemRuleManager#checkSystem 方法判断是否需要限流，流程如下图所示：

13-03-systemslot

SystemRuleManager#checkSystem 方法从全局的资源指标数据统计节点 Constans.ENTRY_NODE 读取当前时间窗口的指标数据，判断总的 QPS、平均耗时这些指标数据是否达到阈值，或者总占用的线程数是否达到阈值，如果达到阈值则抛出 Block 异常（SystemBlockException）。除此之外，checkSystem 方法还实现了根据系统当前 Load 和 CPU 使用率限流。

SystemRuleManager#checkSystem 方法源码如下：

public static void checkSystem(ResourceWrapper resourceWrapper) throws BlockException {
        if (resourceWrapper == null) {
            return;
        }
        // 如果有配置 SystemRule，则 checkSystemStatus 为 true
        if (!checkSystemStatus.get()) {
            return;
        }
        // 只限流类型为 IN 的流量
        if (resourceWrapper.getEntryType() != EntryType.IN) {
            return;
        }
        // qps 限流
        double currentQps = Constants.ENTRY_NODE == null ? 0.0 : Constants.ENTRY_NODE.successQps();
        if (currentQps > qps) {
            throw new SystemBlockException(resourceWrapper.getName(), "qps");
        }
        // 占用线程数限流
        int currentThread = Constants.ENTRY_NODE == null ? 0 : Constants.ENTRY_NODE.curThreadNum();
        if (currentThread > maxThread) {
            throw new SystemBlockException(resourceWrapper.getName(), "thread");
        }
        // 平均耗时限流
        double rt = Constants.ENTRY_NODE == null ? 0 : Constants.ENTRY_NODE.avgRt();
        if (rt > maxRt) {
            throw new SystemBlockException(resourceWrapper.getName(), "rt");
        }
        // 系统平均负载限流
        if (highestSystemLoadIsSet && getCurrentSystemAvgLoad() > highestSystemLoad) {
            if (!checkBbr(currentThread)) {
                throw new SystemBlockException(resourceWrapper.getName(), "load");
            }
        }
        // cpu 使用率限流
        if (highestCpuUsageIsSet && getCurrentCpuUsage() > highestCpuUsage) {
            throw new SystemBlockException(resourceWrapper.getName(), "cpu");
        }
}
  • Constans.ENTRY_NODE：统计所有流量类型为 IN 的指标数据、总的并行占用线程数。
  • SystemStatusListener#run 方法被定时调用，负责获取系统的平均负载和 CPU 使用率。
  • 当系统负载大于限流的负载阈值时，使用 BBR 算法判断是否需要限流。

获取系统负载和 CPU 使用率

使用 TOP 命令可查看系统的平均负载（Load）和 CPU 使用率，如下图所示：

13-02-system-top

  • Load Avg：三个浮点数，分别代表 1 分钟、5 分钟、15 分钟内系统的平均负载。
  • CPU：usage 为 CPU 总的使用率，user 为用户线程的 CPU 使用率，sys 为系统线程的 CPU 使用率。

Sentinel 通过定时任务每秒钟使用 OperatingSystemMXBean API 获取这两个指标数据的值，代码如下：

@Override
    public void run() {
        try {
            OperatingSystemMXBean osBean = ManagementFactory
                                       .getPlatformMXBean(OperatingSystemMXBean.class);
            // getSystemLoadAverage
            currentLoad = osBean.getSystemLoadAverage();
            // getSystemCpuLoad
            currentCpuUsage = osBean.getSystemCpuLoad();
            if (currentLoad > SystemRuleManager.getSystemLoadThreshold()) {
                writeSystemStatusLog();
            }
        } catch (Throwable e) {
            RecordLog.warn("[SystemStatusListener] Failed to get system metrics from JMX", e);
        }
    }
  • getSystemLoadAverage：获取最近 1 分钟系统的平均负载。
  • getSystemCpuLoad：返回整个系统的最近 CPU 使用率。此值是 [0.0,1.0] 间隔中的双精度值。值为 0.0 表示在最近观察的时间段内，所有 CPU 都处于空闲状态，而值为 1.0 意味着在最近一段时间内，所有 CPU 都处于 100%活动状态。如果系统最近的 CPU 使用率不可用，则该方法返回负值。

checkBbr

private static boolean checkBbr(int currentThread) {
        if (currentThread > 1 &&
            currentThread > 
            Constants.ENTRY_NODE.maxSuccessQps() * Constants.ENTRY_NODE.minRt() / 1000) {
            return false;
        }
        return true;
}
  • Constants.ENTRY_NODE.maxSuccessQps：从秒级滑动窗口中获取最大请求成功总数。
  • Constants.ENTRY_NODE.minRt：当前时间窗口的最小请求处理耗时。

假设某接口的最大 QPS 为 800，处理一次请求的最小耗时为 5ms，那么至少需要并行的线程数与 Min RT 和 Max QPS 的关系为：

Max QPS = Threads * (1000/Min Rt)

推出：

Threads = Max QPS/(1000/Min Rt) = Max QPS * Min Rt/1000

替换 Min Rt 为 5ms、Max QPS 为 800，计算结果：

Threads = 800 * 5⁄1000 = 4

所以，checkBbr 方法中，(minRt/1000) 是将最小耗时的单位由毫秒转为秒，表示系统处理最多请求时的最小耗时，maxSuccessQps * (minRt/1000) 表示至少需要每秒多少个线程并行才能达到 maxSuccessQps。在系统负载比较高的情况下，只要并行占用的线程数超过该值就限流。但如果 Load 高不是由当前进程引起的，checkBbr 的效果就不明显。

参考文献：

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