Spring Cloud Ribbon源码分析

如何使用Spring Cloud Ribbon进行负载均衡调用？

前面写的Eureka Client，服务消费者调用服务消费者的时候，是通过负载均衡方式调用的。这里再回顾下当时的用法：
1.在启动类中，声明一个RestTemplate的bean，用@LoadBalanced注解修饰：

@Bean
@LoadBalanced
public RestTemplate restTemplate() {
    return new RestTemplate();
}

2.在进行http调用的地方，通过@Autowired方式，注入RestTemplate，再通过restTemplate调用。调用时，写服务名就可以，比如按照下面这种方式调用。

return this.restTemplate.getForEntity("http://MICROSERVICE-PROVIDER/provider", String.class).getBody();

通过这两步操作，进行调用时，就可以通过服务名，得到多个服务实例的信息，通过负载均衡的方式进行调用。

从上面的步骤看来，使用负载均衡的开发量还是挺简单的，不过为什么在restTemplate上加个注解，通过restTemplate进行调用，就可以做到负载均衡呢，这里就需要研究下源码才能知道原因了。

Spring Cloud Ribbon源码分析

既然是在restTemplate加了@LoadBalanced注解，那就进去这个注解里面看下吧。

/**
 * Annotation to mark a RestTemplate bean to be configured to use a LoadBalancerClient
 * @author Spencer Gibb
 */
@Target({ ElementType.FIELD, ElementType.PARAMETER, ElementType.METHOD })
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Inherited
@Qualifier
public @interface LoadBalanced {
}

从注释中可以知道，这个注解是用来给RestTemplate做标记，以使用负载均衡客户端（LoadBalancerClient）来配置它。所以，我们在生成的RestTemplate的bean上添加这么一个注解，这个bean就会配置LoadBalancerClient。
那么，就再看下LoadBalancerClient的代码：

/**
 * Represents a client side load balancer
 * @author Spencer Gibb
 */
public interface LoadBalancerClient {
    /**
     * Choose a ServiceInstance from the LoadBalancer for the specified service
     * @param serviceId the service id to look up the LoadBalancer
     * @return a ServiceInstance that matches the serviceId
     */
    ServiceInstance choose(String serviceId);

    /**
     * execute request using a ServiceInstance from the LoadBalancer for the specified
     * service
     * @param serviceId the service id to look up the LoadBalancer
     * @param request allows implementations to execute pre and post actions such as
     * incrementing metrics
     * @return the result of the LoadBalancerRequest callback on the selected
     * ServiceInstance
     */
     T execute(String serviceId, LoadBalancerRequest request) throws IOException;

    /**
     * Create a proper URI with a real host and port for systems to utilize.
     * Some systems use a URI with the logical serivce name as the host,
     * such as http://myservice/path/to/service.  This will replace the
     * service name with the host:port from the ServiceInstance.
     * @param instance
     * @param original a URI with the host as a logical service name
     * @return a reconstructed URI
     */
    URI reconstructURI(ServiceInstance instance, URI original);

}

LoadBalancerClient是一个接口，里面有三个方法。
第一个，ServiceInstance choose(String serviceId);从方法名上就可以看出，是根据传入的serviceId（服务名），从负载均衡器中选择一个服务实例，服务实例通过ServiceInstance类来表示。
第二个，execute方法，使用从负载均衡器中选择的服务实例来执行请求内容。
第三个，URI reconstructURI(ServiceInstance instance, URI original);方法，是重新构建一个URI的，还记得我们在代码中，通过RestTemplate请求服务时，写的是服务名吧，这个方法就会把这个请求的URI进行转换，返回host+port，通过host+port的形式去请求服务。
从工程中搜索LoadBalancerClient接口的实现类，可以找到RibbonLoadBalancerClient类实现了这个接口，并且实现了接口中定义的方法。

再梳理一下逻辑，我们在RestTemplate上添加了@LoadBalanced注解，RibbonLoadBalancerClient就会配置到这个RestTemplate实例上。

在LoadBalancerClient接口的同一个包路径下，还会看到另一个LoadBalancerAutoConfiguration类，看名字就感觉这是一个自动配置LoadBalancer的，进去这个类看一下。

/**
 * Auto configuration for Ribbon (client side load balancing).
 *
 * @author Spencer Gibb
 * @author Dave Syer
 */
@Configuration
@ConditionalOnClass(RestTemplate.class)
@ConditionalOnBean(LoadBalancerClient.class)
public class LoadBalancerAutoConfiguration {

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

    @Bean
    public SmartInitializingSingleton loadBalancedRestTemplateInitializer(
            final List customizers) {
        return new SmartInitializingSingleton() {
            @Override
            public void afterSingletonsInstantiated() {
                for (RestTemplate restTemplate : LoadBalancerAutoConfiguration.this.restTemplates) {
                    for (RestTemplateCustomizer customizer : customizers) {
                        customizer.customize(restTemplate);
                    }
                }
            }
        };
    }

    @Bean
    @ConditionalOnMissingBean
    public RestTemplateCustomizer restTemplateCustomizer(
            final LoadBalancerInterceptor loadBalancerInterceptor) {
        return new RestTemplateCustomizer() {
            @Override
            public void customize(RestTemplate restTemplate) {
                List list = new ArrayList<>(
                        restTemplate.getInterceptors());
                list.add(loadBalancerInterceptor);
                restTemplate.setInterceptors(list);
            }
        };
    }

    @Bean
    public LoadBalancerInterceptor ribbonInterceptor(
            LoadBalancerClient loadBalancerClient) {
        return new LoadBalancerInterceptor(loadBalancerClient);
    }

}

注释中说明这个类是为Ribbon做自动配置的，类上的@Configuration说明这是一个配置类，在当前项目中存在RestTemplate类、并且存在LoadBalancerClient接口的实现类时，就满足了自动化配置的条件。
在LoadBalancerAutoConfiguration类中，创建了一个LoadBalancerInterceptor拦截器，还维护了一个被@LoadBalanced修饰的RestTemplate列表，在初始化的时候，会为每个restTemplate实例添加LoadBalancerInterceptor拦截器。
我们自己实现的项目，就定义了RestTemplate的一个对象，并且引入了spring-cloud相关的包，存在RibbonLoadBalancerClient作为LoadBalancerClient的实现类，所以，满足自动化配置的条件。接下来就看下，在restTemplate实例添加的LoadBalancerInterceptor拦截器的逻辑。

public class LoadBalancerInterceptor implements ClientHttpRequestInterceptor {

    private LoadBalancerClient loadBalancer;

    public LoadBalancerInterceptor(LoadBalancerClient loadBalancer) {
        this.loadBalancer = loadBalancer;
    }

    @Override
    public ClientHttpResponse intercept(final HttpRequest request, final byte[] body,
            final ClientHttpRequestExecution execution) throws IOException {
        final URI originalUri = request.getURI();
        String serviceName = originalUri.getHost();
        return this.loadBalancer.execute(serviceName,
                new LoadBalancerRequest() {

                    @Override
                    public ClientHttpResponse apply(final ServiceInstance instance)
                            throws Exception {
                        HttpRequest serviceRequest = new ServiceRequestWrapper(request,
                                instance);
                        return execution.execute(serviceRequest, body);
                    }

                });
    }

    private class ServiceRequestWrapper extends HttpRequestWrapper {

        private final ServiceInstance instance;

        public ServiceRequestWrapper(HttpRequest request, ServiceInstance instance) {
            super(request);
            this.instance = instance;
        }

        @Override
        public URI getURI() {
            URI uri = LoadBalancerInterceptor.this.loadBalancer.reconstructURI(
                    this.instance, getRequest().getURI());
            return uri;
        }

    }

}

由于在自动配置类中，对restTemplate实例添加了LoadBalancerInterceptor拦截器，所以，当用restTemplate发送http请求时，就会执行这个拦截器的intercept方法。
intercept方法中，会根据request.getURI()，获取请求的uri，再获取host，我们在发送http请求的时候，是用的服务名作为host，所以，这里就会拿到服务名，再调用具体LoadBalancerClient实例的execute方法，发送请求。
LoadBalancerClient的实现类为RibbonLoadBalancerClient，最终的负载均衡请求由它来执行，所以，还需要再梳理下RibbonLoadBalancerClient的逻辑。

先看下RibbonLoadBalancerClient中的execute方法：

@Override
public  T execute(String serviceId, LoadBalancerRequest request) throws IOException {
    ILoadBalancer loadBalancer = getLoadBalancer(serviceId);
    Server server = getServer(loadBalancer);
    if (server == null) {
        throw new IllegalStateException("No instances available for " + serviceId);
    }
    RibbonServer ribbonServer = new RibbonServer(serviceId, server, isSecure(server,
            serviceId), serverIntrospector(serviceId).getMetadata(server));

    RibbonLoadBalancerContext context = this.clientFactory
            .getLoadBalancerContext(serviceId);
    RibbonStatsRecorder statsRecorder = new RibbonStatsRecorder(context, server);

    try {
        T returnVal = request.apply(ribbonServer);
        statsRecorder.recordStats(returnVal);
        return returnVal;
    }
    // catch IOException and rethrow so RestTemplate behaves correctly
    catch (IOException ex) {
        statsRecorder.recordStats(ex);
        throw ex;
    }
    catch (Exception ex) {
        statsRecorder.recordStats(ex);
        ReflectionUtils.rethrowRuntimeException(ex);
    }
    return null;
}

服务名作为serviceId字段传进来，先通过getLoadBalancer获取loadBalancer，再根据loadBalancer获取server，下面是getServer的代码：

protected Server getServer(ILoadBalancer loadBalancer) {
    if (loadBalancer == null) {
        return null;
    }
    return loadBalancer.chooseServer("default"); // TODO: better handling of key
}

如果loadBalancer为空，就直接返回空，否则就调用loadBalancer的chooseServer方法，获取相应的server。
看一下ILoadBalancer是一个接口，里面声明了一系列负载均衡实现的方法：

public interface ILoadBalancer {
    public void addServers(List newServers);
    public Server chooseServer(Object key);
    public void markServerDown(Server server);
    public List getReachableServers();
    public List getAllServers();
}

这里面还有一个getServerList方法，不过已经标记为Deprecated，所以就没有列出。
这些方法名比较直观，很容易就能猜出是干啥的，addServers是用来添加一个server集合，chooseServer是选择一个server，markServerDown用来标记某个服务下线，getReachableServers获取可用的Server集合，getAllServers是获取所有的server集合。
ILoadBalancer有很多实现，那具体是用的哪个类呢，可以通过RibbonClientConfiguration类看到，这个配置类在初始化的时候，返回了ZoneAwareLoadBalancer作为负载均衡器。

@Bean
@ConditionalOnMissingBean
public ILoadBalancer ribbonLoadBalancer(IClientConfig config,
        ServerList serverList, ServerListFilter serverListFilter,
        IRule rule, IPing ping) {
    ZoneAwareLoadBalancer balancer = LoadBalancerBuilder.newBuilder()
            .withClientConfig(config).withRule(rule).withPing(ping)
            .withServerListFilter(serverListFilter).withDynamicServerList(serverList)
            .buildDynamicServerListLoadBalancer();
    return balancer;
}

ZoneAwareLoadBalancer从名字中可以看出来，这个负载均衡器和zone是有关系的。下面看下ZoneAwareLoadBalancer中的chooseServer方法：

@Override
public Server chooseServer(Object key) {
    if (!ENABLED.get() || getLoadBalancerStats().getAvailableZones().size() <= 1) {
        logger.debug("Zone aware logic disabled or there is only one zone");
        return super.chooseServer(key);
    }
    Server server = null;
    try {
        LoadBalancerStats lbStats = getLoadBalancerStats();
        Map zoneSnapshot = ZoneAvoidanceRule.createSnapshot(lbStats);
        logger.debug("Zone snapshots: {}", zoneSnapshot);
        if (triggeringLoad == null) {
            triggeringLoad = DynamicPropertyFactory.getInstance().getDoubleProperty(
                    "ZoneAwareNIWSDiscoveryLoadBalancer." + this.getName() + ".triggeringLoadPerServerThreshold", 0.2d);
        }

        if (triggeringBlackoutPercentage == null) {
            triggeringBlackoutPercentage = DynamicPropertyFactory.getInstance().getDoubleProperty(
                    "ZoneAwareNIWSDiscoveryLoadBalancer." + this.getName() + ".avoidZoneWithBlackoutPercetage", 0.99999d);
        }
        Set availableZones = ZoneAvoidanceRule.getAvailableZones(zoneSnapshot, triggeringLoad.get(), triggeringBlackoutPercentage.get());
        logger.debug("Available zones: {}", availableZones);
        if (availableZones != null &&  availableZones.size() < zoneSnapshot.keySet().size()) {
            String zone = ZoneAvoidanceRule.randomChooseZone(zoneSnapshot, availableZones);
            logger.debug("Zone chosen: {}", zone);
            if (zone != null) {
                BaseLoadBalancer zoneLoadBalancer = getLoadBalancer(zone);
                server = zoneLoadBalancer.chooseServer(key);
            }
        }
    } catch (Throwable e) {
        logger.error("Unexpected exception when choosing server using zone aware logic", e);
    }
    if (server != null) {
        return server;
    } else {
        logger.debug("Zone avoidance logic is not invoked.");
        return super.chooseServer(key);
    }
}

这个方法会根据server的zone和可用性来选择具体的实例，返回一个Server对象。

通过ZoneAwareLoadBalancer选择具体的Server之后，再包装成RibbonServer对象，之前返回的server是该对象中的一个字段，除此之外，还有服务名serviceId，是否需要使用https等信息。最后，通过LoadBalancerRequest的apply方法，向具体的server发请求，从而实现了负载均衡。
下面是apply方法的定义：

public interface LoadBalancerRequest {
    public T apply(ServiceInstance instance) throws Exception;
}

在请求时，传入的ribbonServer对象，被当成ServiceInstance类型的对象进行接收。ServiceInstance是一个接口，定义了服务治理系统中，每个实例需要提供的信息，比如serviceId，host，port等。
LoadBalancerRequest是一个接口，最终会通过实现类的apply方法去执行，实现类是在LoadBalancerInterceptor中调用RibbonLoadBalancerClient的execute方法时，传进来的一个匿名类，可以通过查看LoadBalancerInterceptor的代码看到。
创建LoadBalancerRequest匿名类的时候，就重写了apply方法，apply方法中，还新建了一个ServiceRequestWrapper的内部类，这个类中，就重写了getURI方法，getURI方法会调用loadBalancer的reconstructURI方法来构建uri。

看到这里，已经可以大体知道Ribbon实现负载均衡的流程了，我们在RestTemplate上添加注解，就会有LoadBalancerClient的对象来配置它，也就是RibbonLoadBalancerClient。同时，LoadBalancerAutoConfiguration会进行配置，创建一个LoadBalancerInterceptor，并且拿到我们声明的所有restTemplate，在这些restTemplate中添加LoadBalancerInterceptor拦截器。
当通过restTemplate发送请求时，就会经过这个拦截器，在拦截器中，就会调用RibbonLoadBalancerClient中的方法，获取到根据服务名，通过负载均衡方法获取到服务实例，然后去请求这个实例。
上面说的这些，是如何对请求进行负载均衡的，但是还有个问题，我们请求的实例，是从Eureka Server上获取到的，那这个实例列表是如何获取的呢？怎么保证这个实例列表中的实例是可用的呢？

在RibbonLoadBalancerClient选择实例的时候，是通过ILoadBalancer的实现类根据负载均衡算法选择服务实例的，也就是ZoneAwareLoadBalancer的chooseServer中的逻辑，那就在这里找线索。查看ZoneAwareLoadBalancer的继承关系，可以看到如下图所示。

可以看到，最上面是ILoadBalancer接口，AbstractLoadBalancer类继承了这个接口，BaseLoadBalancer继承了AbstractLoadBalancer类，DynamicServerListLoadBalancer继承了BaseLoadBalancer，ZoneAwareLoadBalancer继承了DynamicServerListLoadBalancer。

ILoadBalancer接口的代码已经看过了，现在看下AbstractLoadBalancer的代码：

public abstract class AbstractLoadBalancer implements ILoadBalancer {

    public enum ServerGroup{
        ALL,
        STATUS_UP,
        STATUS_NOT_UP        
    }

    /**
     * delegate to {@link #chooseServer(Object)} with parameter null.
     */
    public Server chooseServer() {
        return chooseServer(null);
    }

    /**
     * List of servers that this Loadbalancer knows about
     * 
     * @param serverGroup Servers grouped by status, e.g., {@link ServerGroup#STATUS_UP}
     */
    public abstract List getServerList(ServerGroup serverGroup);

    /**
     * Obtain LoadBalancer related Statistics
     */
    public abstract LoadBalancerStats getLoadBalancerStats();    
}

这是一个抽象类，里面加了一个枚举，增加了两个抽象方法。定义的chooseServer方法。

下面再看BaseLoadBalancer类，BaseLoadBalancer类就算是负载均衡器的一个基础实现类，在里面可以看到定义了两个list：

@Monitor(name = PREFIX + "AllServerList", type = DataSourceType.INFORMATIONAL)
protected volatile List allServerList = Collections
        .synchronizedList(new ArrayList());
@Monitor(name = PREFIX + "UpServerList", type = DataSourceType.INFORMATIONAL)
protected volatile List upServerList = Collections
        .synchronizedList(new ArrayList());

从名字上看，这就是维护所有服务的实例列表，和维护状态为up的实例列表。
而且还可以看到BaseLoadBalancer中实现的ILoadBalancer接口中的方法，比如下面这两个，获取可用的服务列表，就会把upServerList返回，获取所有的服务列表，就会把allServerList返回。

@Override
public List getReachableServers() {
    return Collections.unmodifiableList(upServerList);
}

@Override
public List getAllServers() {
    return Collections.unmodifiableList(allServerList);
}

接下来，再看DynamicServerListLoadBalancer类。从类头上的注释可以知道，这个类可以动态的获取服务列表，并且利用filter对服务列表进行过滤。

在DynamicServerListLoadBalancer类中，能看到定义了一个ServerList类型的serverListImpl字段，ServerList是一个接口，里面有两个方法：

public interface ServerList<T extends Server> {

    public List getInitialListOfServers();

    /**
     * Return updated list of servers. This is called say every 30 secs
     * (configurable) by the Loadbalancer's Ping cycle
     * 
     */
    public List getUpdatedListOfServers();   

}

getInitialListOfServers是获取初始化的服务列表。
getUpdatedListOfServers是获取更新的服务列表。
ServerList有多个实现类，具体用的哪个呢，可以在EurekaRibbonClientConfiguration类中找到，这是Ribbon和Eureka结合的自动配置类，这里面有个方法：

@Bean
@ConditionalOnMissingBean
public ServerList ribbonServerList(IClientConfig config) {
    DiscoveryEnabledNIWSServerList discoveryServerList = new DiscoveryEnabledNIWSServerList(
            config);
    DomainExtractingServerList serverList = new DomainExtractingServerList(
            discoveryServerList, config, this.approximateZoneFromHostname);
    return serverList;
}

方法中先新建了一个DiscoveryEnabledNIWSServerList类型的对象，又把这个对象作为一个参数，创建了DomainExtractingServerList类型的对象，最终返回的是DomainExtractingServerList的实例对象。
查看DomainExtractingServerList中重写的这两个方法，发现还是调用的DiscoveryEnabledNIWSServerList中的方法。然后，进到DiscoveryEnabledNIWSServerList类中，看这两个方法的定义：

@Override
public List getInitialListOfServers(){
    return obtainServersViaDiscovery();
}

@Override
public List getUpdatedListOfServers(){
    return obtainServersViaDiscovery();
}

这两个方法，都是调用了obtainServersViaDiscovery这个方法：

private List obtainServersViaDiscovery() {
    List serverList = new ArrayList();

    if (eurekaClientProvider == null || eurekaClientProvider.get() == null) {
        logger.warn("EurekaClient has not been initialized yet, returning an empty list");
        return new ArrayList();
    }

    EurekaClient eurekaClient = eurekaClientProvider.get();
    if (vipAddresses!=null){
        for (String vipAddress : vipAddresses.split(",")) {
            // if targetRegion is null, it will be interpreted as the same region of client
            List listOfInstanceInfo = eurekaClient.getInstancesByVipAddress(vipAddress, isSecure, targetRegion);
            for (InstanceInfo ii : listOfInstanceInfo) {
                if (ii.getStatus().equals(InstanceStatus.UP)) {

                    if(shouldUseOverridePort){
                        if(logger.isDebugEnabled()){
                            logger.debug("Overriding port on client name: " + clientName + " to " + overridePort);
                        }

                        // copy is necessary since the InstanceInfo builder just uses the original reference,
                        // and we don't want to corrupt the global eureka copy of the object which may be
                        // used by other clients in our system
                        InstanceInfo copy = new InstanceInfo(ii);

                        if(isSecure){
                            ii = new InstanceInfo.Builder(copy).setSecurePort(overridePort).build();
                        }else{
                            ii = new InstanceInfo.Builder(copy).setPort(overridePort).build();
                        }
                    }

                    DiscoveryEnabledServer des = new DiscoveryEnabledServer(ii, isSecure, shouldUseIpAddr);
                    des.setZone(DiscoveryClient.getZone(ii));
                    serverList.add(des);
                }
            }
            if (serverList.size()>0 && prioritizeVipAddressBasedServers){
                break; // if the current vipAddress has servers, we dont use subsequent vipAddress based servers
            }
        }
    }
    return serverList;
}

在这个方法中，就是通过eurekaClient去注册中心获取服务，将状态为up的服务实例封装成DiscoveryEnabledServer对象，然后放入列表返回，这就是获取服务列表的流程。
获取服务列表的流程知道了，那是如何触发去获取，如何更新服务列表的呢？再看DynamicServerListLoadBalancer类中的代码，有一段：

protected final ServerListUpdater.UpdateAction updateAction = new ServerListUpdater.UpdateAction() {
    @Override
    public void doUpdate() {
        updateListOfServers();
    }
};

ServerListUpdater是一个接口，在DynamicServerListLoadBalancer的构造函数中，创建了一个PollingServerListUpdater类的对象，为ServerListUpdater字段赋值。进入PollingServerListUpdater类看一下：

@Override
public synchronized void start(final UpdateAction updateAction) {
    if (isActive.compareAndSet(false, true)) {
        final Runnable wrapperRunnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                if (!isActive.get()) {
                    if (scheduledFuture != null) {
                        scheduledFuture.cancel(true);
                    }
                    return;
                }
                try {
                    updateAction.doUpdate();
                    lastUpdated = System.currentTimeMillis();
                } catch (Exception e) {
                    logger.warn("Failed one update cycle", e);
                }
            }
        };

        scheduledFuture = getRefreshExecutor().scheduleWithFixedDelay(
                wrapperRunnable,
                initialDelayMs,
                refreshIntervalMs,
                TimeUnit.MILLISECONDS
        );
    } else {
        logger.info("Already active, no-op");
    }
}

里面有个start方法，实现了Runnable接口，run方法里调用UpdateAction的doUpdate，之后再启动一个定时任务，执行这个方法。定时任务传入的两个时间参数：initialDelayMs和refreshIntervalMs，任务启动后一秒开始执行，并且每隔三十秒执行一次，用于刷新列表。

看到这里，就可以大体了解了，构造DynamicServerListLoadBalancer实例的时候，就会启动一个定时任务了，一开始先获取服务列表，之后每隔三十秒获取一次。负载均衡时，就是通过负载均衡算法在实例列表中选择一个，发送请求。

这就是Ribbon源码大体的流程，还有很多细节就不展开了，有兴趣的同学可以再仔细研究下。

参考资料：
1.《Spring Cloud与Docker微服务架构实战》 周立 著
2.《Spring Cloud微服务实战》 翟永超 著
3.《深入理解Spring Cloud与微服务构建》 方志朋 著