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Circuit Breaker

Cloud distributed Decoupling Performance Behavioral

意图

以这样一种方式处理昂贵的远程服务调用,即单个服务/组件的故障不会导致整个应用程序宕机,我们可以尽快重新连接到服务。

解释

真实世界例子

想象一个 Web 应用程序,它同时具有用于获取数据的本地文件/图像和远程服务。 这些远程服务有时可能健康且响应迅速,或者由于各种原因可能在某 个时间点变得缓慢和无响应。因此,如果其中一个远程服务缓慢或未成功响应,我们的应用程序将尝试使用多个线程/进程从远程服务获取响应,很快它们都会挂起(也称为 [线程饥饿]thread starvation)导致我们的整个 Web 应用程序崩溃。我们应该能够检测到这种情况并向用户显示适当的消息,以便他/她可以探索不受远程服务故障影响的应用程序的其他部分。 同时,其他正常工作的服务应保持正常运行,不受此故障的影响。

通俗地说

断路器允许优雅地处理失败的远程服务。当我们应用程序的所有部分彼此高度解耦时,它特别有用,一个组件的故障并不意味着其他部分将停止工作。

维基百科说

断路器是现代软件开发中使用的一种设计模式。 它用于检测故障并封装防止故障不断重复发生、维护期间、临时外部系统故障或意外系统困难的逻辑。

程序示例

So, how does this all come together? With the above example in mind we will imitate the functionality in a simple example. A monitoring service mimics the web app and makes both local and remote calls.

那么,这一切是如何结合在一起的呢? 记住上面的例子,我们将在一个简单的例子中模仿这个功能。 监控服务模仿 Web 应用程序并进行本地和远程调用。

服务架构如下:

alt text

在代码方面,最终用户应用程序是:

@Slf4j
public class App {

  private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(App.class);

  /**
   * Program entry point.
   *
   * @param args command line args
   */
  public static void main(String[] args) {

    var serverStartTime = System.nanoTime();

    var delayedService = new DelayedRemoteService(serverStartTime, 5);
    var delayedServiceCircuitBreaker = new DefaultCircuitBreaker(delayedService, 3000, 2,
        2000 * 1000 * 1000);

    var quickService = new QuickRemoteService();
    var quickServiceCircuitBreaker = new DefaultCircuitBreaker(quickService, 3000, 2,
        2000 * 1000 * 1000);

    // 创建一个可以进行本地和远程调用的监控服务对象
    var monitoringService = new MonitoringService(delayedServiceCircuitBreaker,
        quickServiceCircuitBreaker);

    // 获取本地资源
    LOGGER.info(monitoringService.localResourceResponse());

    // 从延迟服务中获取响应 2 次,以满足失败阈值
    LOGGER.info(monitoringService.delayedServiceResponse());
    LOGGER.info(monitoringService.delayedServiceResponse());

    // 在超过故障阈值限制后获取延迟服务断路器的当前状态
    // 现在是打开状态
    LOGGER.info(delayedServiceCircuitBreaker.getState());

     // 同时,延迟服务宕机,从健康快速服务获取响应
    LOGGER.info(monitoringService.quickServiceResponse());
    LOGGER.info(quickServiceCircuitBreaker.getState());

    // 等待延迟的服务响应
    try {
      LOGGER.info("Waiting for delayed service to become responsive");
      Thread.sleep(5000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    // 检查延时断路器的状态,应该是HALF_OPEN
    LOGGER.info(delayedServiceCircuitBreaker.getState());

    // 从延迟服务中获取响应,现在应该是健康的
    LOGGER.info(monitoringService.delayedServiceResponse());
    // 获取成功响应后,它的状态应该是关闭。
    LOGGER.info(delayedServiceCircuitBreaker.getState());
  }
}

监控服务类:

public class MonitoringService {

  private final CircuitBreaker delayedService;

  private final CircuitBreaker quickService;

  public MonitoringService(CircuitBreaker delayedService, CircuitBreaker quickService) {
    this.delayedService = delayedService;
    this.quickService = quickService;
  }

  // 假设:本地服务不会失败,无需将其包装在断路器逻辑中
  public String localResourceResponse() {
    return "Local Service is working";
  }

  /**
   * Fetch response from the delayed service (with some simulated startup time).
   *
   * @return response string
   */
  public String delayedServiceResponse() {
    try {
      return this.delayedService.attemptRequest();
    } catch (RemoteServiceException e) {
      return e.getMessage();
    }
  }

  /**
   * Fetches response from a healthy service without any failure.
   *
   * @return response string
   */
  public String quickServiceResponse() {
    try {
      return this.quickService.attemptRequest();
    } catch (RemoteServiceException e) {
      return e.getMessage();
    }
  }
}

可以看出,它直接调用获取本地资源,但它将对远程(昂贵)服务的调用包装在断路器对象中,防止故障如下:

public class DefaultCircuitBreaker implements CircuitBreaker {

  private final long timeout;
  private final long retryTimePeriod;
  private final RemoteService service;
  long lastFailureTime;
  private String lastFailureResponse;
  int failureCount;
  private final int failureThreshold;
  private State state;
  private final long futureTime = 1000 * 1000 * 1000 * 1000;

  /**
   * Constructor to create an instance of Circuit Breaker.
   *
   * @param timeout          Timeout for the API request. Not necessary for this simple example
   * @param failureThreshold Number of failures we receive from the depended service before changing
   *                         state to 'OPEN'
   * @param retryTimePeriod  Time period after which a new request is made to remote service for
   *                         status check.
   */
  DefaultCircuitBreaker(RemoteService serviceToCall, long timeout, int failureThreshold,
      long retryTimePeriod) {
    this.service = serviceToCall;
    //  我们从关闭状态开始希望一切都是正常的
    this.state = State.CLOSED;
    this.failureThreshold = failureThreshold;
    // API的超时时间.
    // 用于在超过限制时中断对远程资源的调用
    this.timeout = timeout;
    this.retryTimePeriod = retryTimePeriod;
    //An absurd amount of time in future which basically indicates the last failure never happened
    this.lastFailureTime = System.nanoTime() + futureTime;
    this.failureCount = 0;
  }

  // 重置所有
  @Override
  public void recordSuccess() {
    this.failureCount = 0;
    this.lastFailureTime = System.nanoTime() + futureTime;
    this.state = State.CLOSED;
  }

  @Override
  public void recordFailure(String response) {
    failureCount = failureCount + 1;
    this.lastFailureTime = System.nanoTime();
    // Cache the failure response for returning on open state
    this.lastFailureResponse = response;
  }

  // 根据 failureThreshold、failureCount 和 lastFailureTime 评估当前状态。
  protected void evaluateState() {
    if (failureCount >= failureThreshold) { //Then something is wrong with remote service
      if ((System.nanoTime() - lastFailureTime) > retryTimePeriod) {
        // 我们已经等得够久了,应该尝试检查服务是否已启动
        state = State.HALF_OPEN;
      } else {
        // 服务可能仍会出现故障
        state = State.OPEN;
      }
    } else {
      // 一切正常
      state = State.CLOSED;
    }
  }

  @Override
  public String getState() {
    evaluateState();
    return state.name();
  }

  /**
   * Break the circuit beforehand if it is known service is down Or connect the circuit manually if
   * service comes online before expected.
   *
   * @param state State at which circuit is in
   */
  @Override
  public void setState(State state) {
    this.state = state;
    switch (state) {
      case OPEN:
        this.failureCount = failureThreshold;
        this.lastFailureTime = System.nanoTime();
        break;
      case HALF_OPEN:
        this.failureCount = failureThreshold;
        this.lastFailureTime = System.nanoTime() - retryTimePeriod;
        break;
      default:
        this.failureCount = 0;
    }
  }

  /**
   * Executes service call.
   *
   * @return Value from the remote resource, stale response or a custom exception
   */
  @Override
  public String attemptRequest() throws RemoteServiceException {
    evaluateState();
    if (state == State.OPEN) {
      // 如果电路处于打开状态,则返回缓存的响应
      return this.lastFailureResponse;
    } else {
      // 如果电路未打开,则发出 API 请求
      try {
	//在实际应用程序中,这将在线程中运行,并且将利用断路器的超时参数来了解服务
    // 是否正在工作。 在这里,我们根据服务器响应本身模拟
        var response = service.call();
        // api 响应正常,重置所有。
        recordSuccess();
        return response;
      } catch (RemoteServiceException ex) {
        recordFailure(ex.getMessage());
        throw ex;
      }
    }
  }
}

上述模式如何防止失败? 让我们通过它实现的这个有限状态机来理解。

alt text

  • 我们使用某些参数初始化断路器对象:timeoutfailureThresholdretryTimePeriod,这有助于确定 API 的弹性。
  • 最初,我们处于“关闭”状态,没有发生对 API 的远程调用。
  • 每次调用成功时,我们都会将状态重置为开始时的状态。
  • 如果失败次数超过某个阈值,我们将进入“open”状态,这就像开路一样,阻止远程服务调用,从而节省资源。 (这里,我们从 API 返回名为 stale response 的响应)
  • 一旦超过重试超时时间,我们就会进入“半开”状态并再次调用远程服务以检查服务是否正常工作,以便我们可以提供新鲜内容。 失败将其设置回“打开”状态,并在重试超时时间后进行另一次尝试,而成功将其设置为“关闭”状态,以便一切重新开始正常工作。

类图

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适用性

在以下情况下使用断路器模式

  • 构建一个容错应用程序,其中某些服务的故障不应导致整个应用程序宕机。
  • 构建一个持续运行(永远在线)的应用程序,这样它的组件就可以在不完全关闭的情况下升级。

相关模式

真实世界例子

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