[Java知识库]SpringCloud：核心组件及应用

1.SpringCloud介绍

Spring Cloud基于Spring Boot框架构建微服务架构，用Spring Boot的开发便利性巧妙地简化了分布式系统基础设施的开发，如服务发现注册、配置中心、消息总线、负载均衡、断路器、数据监控等，都可以用Spring Boot的开发风格做到一键启动和部署。

2.SpringCloud核心组件

1.Eureka

Eureka 是 Spring Cloud Netflix 模块的子模块，它是 Spring Cloud 对 Netflix Eureka 的二次封装，主要负责 Spring Cloud 的服务注册与发现功能。

Eureka 采用 CS（Client/Server，客户端/服务器） 架构，它包括以下两大组件：

• Eureka Server：Eureka 服务注册中心，主要用于提供服务注册功能。当微服务启动时，会将自己的服务注册到 Eureka Server。Eureka Server 维护了一个可用服务列表，存储了所有注册到 Eureka Server 的可用服务的信息，这些可用服务可以在 Eureka Server 的管理界面中直观看到。
• Eureka Client：Eureka 客户端，通常指的是微服务系统中各个微服务，主要用于和 Eureka Server 进行交互。在微服务应用启动后，Eureka Client 会向 Eureka Server 发送心跳（默认周期为 30 秒）。若 Eureka Server 在多个心跳周期内没有接收到某个 Eureka Client 的心跳，Eureka Server 将它从可用服务列表中移除（默认 90 秒）。
  

Eureka 实现服务注册与发现的流程如下：

1. 搭建一个 Eureka Server 作为服务注册中心；
2. 服务提供者 Eureka Client 启动时，会把当前服务器的信息以服务名（spring.application.name）的方式注册到服务注册中心；
3. 服务消费者 Eureka Client 启动时，也会向服务注册中心注册；
4. 服务消费者还会获取一份可用服务列表，该列表中包含了所有注册到服务注册中心的服务信息（包括服务提供者和自身的信息）；
5. 在获得了可用服务列表后，服务消费者通过 HTTP 或消息中间件远程调用服务提供者提供的服务。

2.Ribbon

Spring Cloud Ribbon 是一套基于 Netflix Ribbon 实现的客户端负载均衡和服务调用工具。
负载均衡（Load Balance） ，简单点说就是将用户的请求平摊分配到多个服务器上运行，以达到扩展服务器带宽、增强数据处理能力、增加吞吐量、提高网络的可用性和灵活性的目的。

常见的负载均衡方式有两种：

• 服务端负载均衡
• 客户端负载均衡

服务端负载均衡/集中式负载均衡：

服务端负载均衡是在客户端和服务端之间建立一个独立的负载均衡服务器，该服务器既可以是硬件设备（例如 F5），也可以是软件（例如 Nginx）。这个负载均衡服务器维护了一份可用服务端清单，然后通过心跳机制来删除故障的服务端节点，以保证清单中的所有服务节点都是可以正常访问的。

当客户端发送请求时，该请求不会直接发送到服务端进行处理，而是全部交给负载均衡服务器，由负载均衡服务器按照某种算法（例如轮询、随机等），从其维护的可用服务清单中选择一个服务端，然后进行转发。

服务端负载均衡具有以下特点：

• 需要建立一个独立的负载均衡服务器。
• 负载均衡是在客户端发送请求后进行的，因此客户端并不知道到底是哪个服务端提供的服务。
• 可用服务端清单存储在负载均衡服务器上。

客户端负载均衡：

客户端负载均衡是将负载均衡逻辑以代码的形式封装到客户端上，即负载均衡器位于客户端。客户端通过服务注册中心（例如 Eureka Server）获取到一份服务端提供的可用服务清单。有了服务清单后，负载均衡器会在客户端发送请求前通过负载均衡算法选择一个服务端实例再进行访问，以达到负载均衡的目的。
客户端负载均衡具有以下特点：

• 负载均衡器位于客户端，不需要单独搭建一个负载均衡服务器。
• 负载均衡是在客户端发送请求前进行的，因此客户端清楚地知道是哪个服务端提供的服务。
• 客户端都维护了一份可用服务清单，而这份清单都是从服务注册中心获取的。

Ribbon 就是一个基于 HTTP 和 TCP 的客户端负载均衡器，当我们将 Ribbon 和 Eureka 一起使用时，Ribbon 会从 Eureka Server（服务注册中心）中获取服务端列表，然后通过负载均衡策略将请求分摊给多个服务提供者，从而达到负载均衡的目的。

Ribbon 可以与 RestTemplate（Rest 模板）配合使用，以实现微服务之间的调用。

RestTemplate 是 Spring 家族中的一个用于消费第三方 REST 服务的请求框架。RestTemplate 实现了对 HTTP 请求的封装，提供了一套模板化的服务调用方法。通过它，Spring 应用可以很方便地对各种类型的 HTTP 请求进行访问。

RestTemplate 针对各种类型的 HTTP 请求都提供了相应的方法进行处理，例如 HEAD、GET、POST、PUT、DELETE 等类型的 HTTP 请求，分别对应 RestTemplate 中的 headForHeaders()、getForObject()、postForObject()、put() 以及 delete() 方法。

3.Hystrix

微服务架构中，一个应用往往由多个服务组成，这些服务之间相互依赖，依赖关系错综复杂。当微服务系统的一个服务出现故障时，故障会沿着服务的调用链路在系统中疯狂蔓延，最终导致整个微服务系统的瘫痪，这就是“雪崩效应”。为了防止此类事件的发生，微服务架构引入了“熔断器”的一系列服务容错和保护机制。

熔断器（Circuit Breaker）一词来源物理学中的电路知识，它的作用是当线路出现故障时，迅速切断电源以保护电路的安全。微服务架构中的熔断器能够在某个服务发生故障后，向服务调用方返回一个符合预期的、可处理的降级响应（FallBack），而不是长时间的等待或者抛出调用方无法处理的异常。这样就保证了服务调用方的线程不会被长时间、不必要地占用，避免故障在微服务系统中的蔓延，防止系统雪崩效应的发生。

Spring Cloud Hystrix 是基于 Netflix 公司的开源组件 Hystrix 实现的，它提供了熔断器功能，能够有效地阻止分布式微服务系统中出现联动故障，以提高微服务系统的弹性。Spring Cloud Hystrix 具有服务降级、服务熔断、线程隔离、请求缓存、请求合并以及实时故障监控等强大功能。

服务降级的使用场景有以下 2 种：

• 在服务器压力剧增时，根据实际业务情况及流量，对一些不重要、不紧急的服务进行有策略地不处理或简单处理，从而释放服务器资源以保证核心服务正常运作。
• 当某些服务不可用时，为了避免长时间等待造成服务卡顿或雪崩效应，而主动执行备用的降级逻辑立刻返回一个友好的提示，以保障主体业务不受影响。
  Hystrix 服务降级 FallBack 既可以放在服务端进行，也可以放在客户端进行。
  Hystrix 会在以下场景下进行服务降级处理：
• 程序运行异常
• 服务超时
• 熔断器处于打开状态
• 线程池资源耗尽

熔断机制是为了应对雪崩效应而出现的一种微服务链路保护机制。
当微服务系统中的某个微服务不可用或响应时间太长时，为了保护系统的整体可用性，熔断器会暂时切断请求对该服务的调用，并快速返回一个友好的错误响应。这种熔断状态不是永久的，在经历了一定的时间后，熔断器会再次检测该微服务是否恢复正常，若服务恢复正常则恢复其调用链路。
在熔断机制中涉及了三种熔断状态：

• 熔断关闭状态（Closed）：当务访问正常时，熔断器处于关闭状态，服务调用方可以正常地对服务进行调用。
• 熔断开启状态（Open）：默认情况下，在固定时间内接口调用出错比率达到一个阈值（例如 50%），熔断器会进入熔断开启状态。进入熔断状态后，后续对该服务的调用都会被切断，熔断器会执行本地的降级（FallBack）方法。
• 半熔断状态（Half-Open）： 在熔断开启一段时间之后，熔断器会进入半熔断状态。在半熔断状态下，熔断器会尝试恢复服务调用方对服务的调用，允许部分请求调用该服务，并监控其调用成功率。如果成功率达到预期，则说明服务已恢复正常，熔断器进入关闭状态；如果成功率仍旧很低，则重新进入熔断开启状态。

4.Feign

Feign 对Eureka、Ribbon及Hystrix进行了集成，利用 Ribbon 维护了一份可用服务清单，并通过 Ribbon 实现了客户端的负载均衡，借助Hystrix完成服务降级、熔断、超时控制等。
Feign 是一种声明式服务调用组件，它在 RestTemplate 的基础上做了进一步的封装。通过 Feign，我们只需要声明一个接口并通过注解进行简单的配置（类似于 Dao 接口上面的 Mapper 注解一样）即可实现对 HTTP 接口的绑定。

OpenFeign 是 Spring Cloud 对 Feign 的二次封装，它具有 Feign 的所有功能，并在 Feign 的基础上增加了对 Spring MVC 注解的支持，例如 @RequestMapping、@GetMapping 和 @PostMapping 等。

5.Zuul

在微服务架构中，一个系统往往由多个微服务组成，而这些服务可能部署在不同机房、不同地区、不同域名下。这种情况下，客户端（例如浏览器、手机、软件工具等）想要直接请求这些服务，就需要知道它们具体的地址信息，例如 IP 地址、端口号等。

这种客户端直接请求服务的方式存在以下问题：

• 当服务数量众多时，客户端需要维护大量的服务地址，这对于客户端来说，是非常繁琐复杂的。
• 在某些场景下可能会存在跨域请求的问题。
• 身份认证的难度大，每个微服务需要独立认证。

API 网关是一个搭建在客户端和微服务之间的服务，我们可以在 API 网关中处理一些非业务功能的逻辑，例如权限验证、监控、缓存、请求路由等。

API 网关就像整个微服务系统的门面一样，是系统对外的唯一入口。有了它，客户端会先将请求发送到 API 网关，然后由 API 网关根据请求的标识信息将请求转发到微服务实例。

使用 API 网关具有以下好处：

• 客户端通过 API 网关与微服务交互时，客户端只需要知道 API 网关地址即可，而不需要维护大量的服务地址，简化了客户端的开发。
• 客户端直接与 API 网关通信，能够减少客户端与各个服务的交互次数。
• 客户端与后端的服务耦合度降低。
• 节省流量，提高性能，提升用户体验。
• API 网关还提供了安全、流控、过滤、缓存、计费以及监控等 API 管理功能。
  常见的 API 网关实现方案主要有以下 5 种：
• Spring Cloud Gateway
• Spring Cloud Netflix Zuul
• Kong
• Nginx+Lua
• Traefik