【Spring Cloud Alibaba】Sentinel运行原理

news2024/12/27 17:42:18

文章目录

  • 前言
  • 1、基本原理
  • 2、SphU.entry()
    • 2.1、StringResourceWrapper
    • 2.2、Entry
  • 3、entry.exit()
  • 4、Context

前言

本文基于sentinel-1.8.0版本

Sentinel 是面向分布式服务架构的流量控制组件，主要以流量为切入点，从限流、流量整形、熔断降级、系统负载保护、热点防护等多个维度来帮助开发者保障微服务的稳定性。

sentinel整体设计的很精巧，只需要一个sentinel-core便可以运行，它提供了诸如服务降级、黑白名单校验、QPS、线程数、系统负载、CPU负载、流控等功能，可谓是功能非常的强大。

大家都知道sentinel使用SphU或者SphO标示一个被保护的资源，比如：

Entry entry = SphU.entry(“HelloWorld”, EntryType.IN);

上述代码标示了一个名为HelloWorld的被保护资源，并且检查入口流量（SystemSlot只对入口流量生效）。在这行代码之后，便可以访问被保护的资源了，那么SphU.entry()内部究竟做了什么？访问资源结束后，还要执行entry.exit()，那么entry.exit()又做了什么？本文接下来详细分析SphU.entry()和entry.exit()方法的执行原理。

1、基本原理

sentinel在内部创建了一个责任链，责任链是由一系列ProcessorSlot对象组成的，每个ProcessorSlot对象负责不同的功能，外部请求是否允许访问资源，需要通过责任链的校验，只有校验通过的，才可以访问资源，如果被校验失败，会抛出BlockException异常。

sentinel提供了8个ProcessorSlot的实现类，下面实现类功能介绍：

  1. DegradeSlot：用于服务降级，如果发现服务超时次数或者报错次数超过限制，DegradeSlot将禁止再次访问服务，等待一段时间后，DegradeSlot试探性的放过一个请求，然后根据该请求的处理情况，决定是否再次降级。
  2. AuthoritySlot：黑白名单校验，按照字符串匹配，如果在黑名单，则禁止访问。
  3. ClusterBuilderSlot：构建ClusterNode对象，该对象用于统计访问资源的QPS、线程数、异常、响应时间等，每个资源对应一个ClusterNode对象。
  4. SystemSlot：校验QPS、并发线程数、系统负载、CPU使用率、平均响应时间是否超过限制，使用滑动窗口算法统计上述这些数据。
  5. StatisticSlot：用于从多个维度（入口流量、调用者、当前被访问资源）统计响应时间、并发线程数、处理失败个数、处理成功个数等。
  6. FlowSlot：用于流控，可以根据QPS或者每秒并发线程数控制，当QPS或者并发线程数超过设定值，便会抛出FlowException异常。FlowSlot依赖于StatisticSlot的统计数据。
  7. NodeSelectorSlot：负责收集资源路径，并将这些资源的调用路径，以树状结构存储起来，用于根据调用路径来限流降级、数据统计。
  8. LogSlot：打印日志。

比如本文开头的例子，当请求要访问HelloWorld资源时，该请求需要顺次经过上述这些slot的检查，同时当访问结束时StatisticSlot里面也记录下HelloWorld资源被访问的统计数据，当后面的请求再次访问该资源时，FlowSlot、DegradeSlot可以使用这些统计数据做检查。
sentinel使用SPI加载这些slot，并根据注解@SpiOrder的属性value对它们排序，value越小优先级越高。在sentinel中，这些slot的顺序是：
在这里插入图片描述

我们也可以添加自定义的slot，只需要实现ProcessorSlot接口，在com.alibaba.csp.sentinel.slotchain.ProcessorSlot文件中添加自定义类的全限定名，然后使用注解@SpiOrder指定顺序即可。
对于每个slot的实现原理在后面的文章做介绍。下面通过代码介绍一下SphU.entry()和entry.exit()内部都做了什么。

2、SphU.entry()

在介绍代码前先介绍两个对象。

2.1、StringResourceWrapper

entry()方法内部首先创建一个StringResourceWrapper对象，该对象表示被保护的资源，资源使用字符串命名，StringResourceWrapper对象有三个参数：

//资源名，也就是entry()方法的第一个入参
protected final String name;
//表示是入口流量（IN）还是出口流量（OUT），
//两个参数的区别在于是否被SystemSlot检查，IN会被检查，OUT不会，默认是OUT
protected final EntryType entryType;
//表示资源类型，sentinel提供了common、web、sql、api等类型，资源类型用于统计使用
protected final int resourceType;

任何一个被保护的资源都被封装成StringResourceWrapper对象，sentinel也是使用该对象识别被保护资源。

2.2、Entry

有了表示资源的对象后，接下来创建Entry对象，这个对象也是SphU.entry()方法的返回值，Entry对象持有资源对象，ProcessorSlot链，sentinel上下文对象Context，通过Entry对象应用程序可以窥探sentinel内部情况。

SphU.entry()通过一系列的调用最终调用到CtSph的entryWithPriority()方法上：

//resourceWrapper：是StringResourceWrapper对象，表示资源
//count：表示令牌数，默认是1，一般一个请求对应一个令牌，也可以指定一个请求对应多个令牌，如果令牌不够，则禁止访问
//prioritized：在FlowSlot里面使用，没找到具体的使用含义，有看懂的小伙伴可以告知一下
private Entry entryWithPriority(ResourceWrapper resourceWrapper, int count, boolean prioritized, Object... args)
    throws BlockException {
    //构建上下文对象，上下文对象存储在ThreadLocal中
    Context context = ContextUtil.getContext();
    if (context instanceof NullContext) {
        return new CtEntry(resourceWrapper, null, context);
    }
    //一般的线程第一次访问资源，context都是null，我们也可以在应用程序中使用ContextUtil自己创建Context对象
    if (context == null) {
    	//下面创建了一个名字为sentinel_default_context的Context对象
        context = InternalContextUtil.internalEnter(Constants.CONTEXT_DEFAULT_NAME);
    }
	//全局开关，可以使用它来关闭sentinel
    if (!Constants.ON) {
        return new CtEntry(resourceWrapper, null, context);
    }
	//使用SPI构建slot链，每个slot对象都有一个next属性，可以使用该属性指定下一个slot对象
    ProcessorSlot<Object> chain = lookProcessChain(resourceWrapper);
    if (chain == null) {
        return new CtEntry(resourceWrapper, null, context);
    }
	//创建Entry对象
    Entry e = new CtEntry(resourceWrapper, chain, context);
    try {
    	//对该请求，遍历每个slot对象
        chain.entry(context, resourceWrapper, null, count, prioritized, args);
    } catch (BlockException e1) {
        e.exit(count, args);
        throw e1;
    } catch (Throwable e1) {
        RecordLog.info("Sentinel unexpected exception", e1);
    }
    return e;
}

entryWithPriority()方法首先创建一个Context对象，这个对象将会贯穿整个请求的过程，一些共享数据可以放在这里面，既可以使用上面的代码创建名字为sentinel_default_context的Context对象，也可以在应用程序中创建Context对象，如果在应用程序中创建的话，上面代码就不会再次创建了：

//第一个参数表示Context名字，
//第二个参数表示请求方或者调用方的名字，当需要根据调用方进行控制的时候，第二个参数就会起作用
ContextUtil.enter("HelloWorld", "app");
Entry entry = SphU.entry("HelloWorld", EntryType.IN);

创建完Context对象后，使用SPI构建slot链，之后是创建Entry对象，之后就是遍历slot链以决定是否允许该请求访问资源。

3、entry.exit()

访问完资源后，需要调用entry.exit()以告知sentinel结束访问，sentinel会做一些资源的清理和数据统计工作。
entry.exit()方法最后调用到CtEntry.exitForContext()方法上：

 protected void exitForContext(Context context, int count, Object... args) throws ErrorEntryFreeException {
        if (context != null) {
            if (context instanceof NullContext) {
                return;
            }
			//如果Context对象记录的Entry对象不是当前对象，
			//意味着entry.exit()与SphU.entry()不是成对出现的，
			//sentinel要求两者必须成对出现，而且要一一对应，否则抛出异常
			//Context有父子关系，这个在文章后面介绍
            if (context.getCurEntry() != this) {
                String curEntryNameInContext = context.getCurEntry() == null ? null
                    : context.getCurEntry().getResourceWrapper().getName();
                // Clean previous call stack.
                CtEntry e = (CtEntry) context.getCurEntry();
                while (e != null) {
                    e.exit(count, args);
                    e = (CtEntry) e.parent;
                }
                String errorMessage = String.format("The order of entry exit can't be paired with the order of entry"
                        + ", current entry in context: <%s>, but expected: <%s>", curEntryNameInContext,
                    resourceWrapper.getName());
                throw new ErrorEntryFreeException(errorMessage);
            } else {
                //在遍历每个slot的exit方法，每个slot清理和统计数据
                if (chain != null) {
                    chain.exit(context, resourceWrapper, count, args);
                }
                //遍历exitHandlers，相当于回调，一般的DegradeSlot有回调，
                //DegradeSlot根据服务访问状态，决定是否将降级状态由HALF_OPEN变为OPEN
                callExitHandlersAndCleanUp(context);

                //设置为上一级Context对象
                context.setCurEntry(parent);
                if (parent != null) {
                    ((CtEntry) parent).child = null;
                }
                if (parent == null) {
                    // Default context (auto entered) will be exited automatically.
                    if (ContextUtil.isDefaultContext(context)) {
                        ContextUtil.exit();
                    }
                }
				//设置当前对象的this.context = null
                clearEntryContext();
            }
        }
    }

entry.exit()相对比较简单，它按照顺序再次遍历访问每个slot的exit()方法。

4、Context

Context是sentinel中的上下文对象，Context贯穿整个资源的访问过程。Context保存在ThreadLocal中。
创建Context有多种方式，可以像第二小节里面一样，创建一个默认的Context对象，也可以在访问资源前使用ContextUtil创建Context对象：

//name表示Context的名称或者链路入口的名称，origin表示调用来源的名称，默认为空字符串
public static Context enter(String name, String origin);
public static Context enter(String name);

无论是上面两种创建方式还是第二小节里面的创建方式，最终都是调用ContextUtil.trueEnter()方法：

protected static Context trueEnter(String name, String origin) {
   	//contextHolder是ThreadLocal<Context>类型
       Context context = contextHolder.get();
       if (context == null) {
       	//contextNameNodeMap持有系统所有的入口节点
           Map<String, DefaultNode> localCacheNameMap = contextNameNodeMap;
           DefaultNode node = localCacheNameMap.get(name);
           if (node == null) {
           	//sentinel最大只能支撑2000个入口节点，如果超过2000个，sentinel无法提供对资源的保护
               if (localCacheNameMap.size() > Constants.MAX_CONTEXT_NAME_SIZE) {
                   setNullContext();
                   return NULL_CONTEXT;
               } else {
                   LOCK.lock();
                   try {
                       node = contextNameNodeMap.get(name);
                       if (node == null) {
                           if (contextNameNodeMap.size() > Constants.MAX_CONTEXT_NAME_SIZE) {
                               setNullContext();
                               return NULL_CONTEXT;
                           } else {
                           	//创建入口节点
                               node = new EntranceNode(new StringResourceWrapper(name, EntryType.IN), null);
                               //入口节点作为虚拟根节点的子节点
                               Constants.ROOT.addChild(node);
                               Map<String, DefaultNode> newMap = new HashMap<>(contextNameNodeMap.size() + 1);
                               newMap.putAll(contextNameNodeMap);
                               newMap.put(name, node);
                               contextNameNodeMap = newMap;
                           }
                       }
                   } finally {
                       LOCK.unlock();
                   }
               }
           }
           //创建Context对象，可以看到Context对象与入口节点一一对应
           context = new Context(node, name);
           //设置调用来源
           context.setOrigin(origin);
           contextHolder.set(context);
       }
       return context;
   }

Context对象持有名称和一个入口节点对象，入口节点与对应了线程访问的第一个资源，Context对象对应了线程对资源的一次访问，一个线程对应一个Context对象。而且每个入口节点对象都是虚拟根对象ROOT的子节点，虚拟根对象的定义如下：

//ROOT_ID=machine-root
public final static DefaultNode ROOT = new EntranceNode(new StringResourceWrapper(ROOT_ID, EntryType.IN),
    new ClusterNode(ROOT_ID, ResourceTypeConstants.COMMON));

虚拟根对象的名字为machine-root。总的来说，Context是为了在访问资源的过程中保存共享数据使用的。
下面详细介绍一下sentinel中的访问链路树。
假如使用如下代码访问资源（来源官网）：

  ContextUtil.enter("entrance1", "appA");
  Entry nodeA = SphU.entry("nodeA");
  if (nodeA != null) {
    nodeA.exit();
  }
  ContextUtil.exit();

  ContextUtil.enter("entrance2", "appA");
  nodeA = SphU.entry("nodeB");
  if (nodeA != null) {
    nodeA.exit();
  }
  ContextUtil.exit();

以上代码将在内存中生成以下结构：

               machine-root
               /         \
              /           \
      entrance1         entrance2    -------表示入口节点对象EntranceNode
            /               \
           /                 \
   DefaultNode(nodeA)   DefaultNode(nodeB)   ---------内部创建DefaultNode节点
              |               |          
              |               |
    ClusterNode(nodeA)   ClusterNode(nodeB)    ------------记录资源的访问数据

再看下面这个访问方式：

  ContextUtil.enter("entrance1", "appA");
  Entry nodeA = SphU.entry("nodeA");
  Entry nodeB = SphU.entry("nodeB");
  	if (nodeB != null) {
    	nodeB.exit();
  	}
  if (nodeA != null) {
    nodeA.exit();
  }
  ContextUtil.exit();

上面这个代码创建的访问链路树如下：

              machine-root
               /          
              /            
        entrance1      -------表示入口节点对象EntranceNode
            /               
           /                 
   DefaultNode(nodeA)  ---------内部创建DefaultNode节点，持有一个ClusterNode对象
          /               
         /            
 DefaultNode(nodeB)  ------------记录资源的访问数据，持有一个ClusterNode对象

每调用一次SphU.entry()方法都会在访问链路树上增加一个子节点，通过这个树可以还原出资源的访问路径。

每访问一个资源，Context对象都使用curEntry属性记录下正在访问资源对应的Entry对象，Entry对象有一个parent属性记录下父Entry，比如上面代码中，nodeB的父Entry是nodeA，Entry还有一个curNode属性，该属性记录了对应的DefaultNode对象。每个DefaultNode对象还有一个ClusterNode类的属性clusterNode，clusterNode的作用是记录被访问的资源的统计数据，比如平均响应时间、总请求数、QPS等，FlowSlot便是依据这些数据来判断是否允许访问资源。

Context可以通过上述这些属性构建出一个完整的资源访问树，并将资源访问数据更新到对应的ClusterNode对象中。

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