软件技术架构:做一个“靠谱”的系统

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2019-10-30

如果“高并发”是为了让系统变得“有效率”,可以抵抗大规模用户访问,那限流与熔断就是为了让系统变得“更靠谱”。靠谱包括了高可用性、稳定性、可靠性,做一个“靠谱”的系统需要从很多方面着手,本文着重与大家探讨“限流”与“熔断”。

限流在日常生活中很常见,景点限流、早晚高峰限流等。对应到计算机中,比如要办活动、秒杀等,通常会限流。限流可以分为技术层面的限流和业务层面的限流。技术层面的限流比较通用,各种业务场景都可以用到;业务层面的限流需要根据具体的业务场景做开发。

(1)技术层面的限流。一种是限制并发数,也就是根据系统的最大资源量进行限制,比如数据库连接池、线程池、Nginx的limit_conn模块;另一种是限制速率(QPS),比如Guava的RateLimiter、Nginx的limit_req模块。

限制速率的这种方式对于服务的接口调用非常有用。比如通过压力测试可以知道服务的QPS是2000,就可以限流为2000QPS。当调用方的并发量超过了这个数字,会直接拒绝提供服务。这样一来,即使突然有大量的请求进来,服务也不会被压垮,虽然部分请求被拒绝了,但保证了其他的服务可以正常处理。一般成熟的RPC框架都有相应的配置,可以对每个接口进行限流,不需要业务人员自己开发。

(2)业务层面的限流。比如在秒杀系统中,一个商品的库存只有100件,现在有2万人抢购,没有必要放2万个人进来,只需要放前500个人进来,后面的人直接返回已售完即可。

针对这种业务场景,可以做一个限流系统,或者叫售卖的资格系统(票据系统),票据系统里面存放了500张票据,每来一个人,领一张票据。领到票据的人再进入后面的业务系统进行抢购;对于领不到票据的人,则返回已售完。

在具体实现上,有团队使用Redis,也有团队直接基于Nginx + Lua脚本来实现,两者的思路类似。

(3)限流算法。限制并发数的计算原理很简单,系统只需要维护正在使用的资源数或空闲数,比如数据库的连接数、线程池的线程数。限制速率的算法稍微复杂,常用的有漏桶算法和令牌桶算法,下面详细介绍。

▊ 漏桶算法

漏桶的容量是固定的,流出的速率是恒定的;

•流入的速率是任意的;

•如果桶是空的,则不需流出;

•如果流入数据包超出了桶的容量,则流入的数据包溢出了(被丢弃),而漏桶容量不变。

▊ 令牌桶算法

令牌桶的容量也是固定的,向里流入令牌的速率是恒定的;

•当令牌桶满时,新加入的令牌会被丢弃

•当一个请求到达之后,从桶中取出一个令牌。如果能取到令牌,则该请求将被处理;

•如果取不到令牌,则该请求要么被丢弃,要么排队。

对比两个算法会发现,二者的原理刚好相反,一个是流出速率保持恒定,一个是流入速率保持恒定。二者的用途有一定差别:令牌桶限制的是平均流入速率,而不是瞬时速率,因为可能出现一段时间没有请求进来,令牌桶里塞满了令牌,然后短时间内突发流量过来,一瞬间(可以认为是同时)从桶里拿几个令牌出来;漏桶有点类似消息队列,起到了削峰的作用,平滑了突发流入速率。

当电路发生短路、温度升高,可能烧毁整个电路的时候,保险丝会自动熔断,切断电路,从而保护整个电路系统。

在计算机系统中,也有类似设计保险丝的思路。熔断有两种策略:一种是根据请求失败率,一种是根据请求响应时间。

(1)根据请求失败率做熔断。对于客户端调用的某个服务,如果服务在短时间内大量超时或抛错,则客户端直接开启熔断,也就是不再调用此服务。然后过一段时间,再把熔断打开,如果还不行,则继续开启熔断。这也正是经常提到的“快速失败(Fail Fast)”原则。

以Hystrix为例,它有几个参数来配置熔断器的策略:

circuitBreaker.requestVolumeThreshold     //滑动窗口的大小,默认为20
circuitBreaker.sleepWindowInMilliseconds //过多长时间,熔断器再次检测是否开启,默认为5000,即5s
circuitBreaker.errorThresholdPercentage  //失败率,默认为50%

三个参数放在一起,所表达的意思是:每20个请求中,有50%失败时,熔断器就会打开,此时再调用此服务,将会直接返回失败,不再调用远程服务。直到5s之后,重新检测该触发条件,判断是否把熔断器关闭,或者继续打开。

(2)根据请求响应时间做熔断。除了根据请求失败率做熔断,阿里巴巴公司的Sentinel还提供了另外一种思路:根据请求响应时间做熔断。当资源的平均响应时间超过阈值后,资源进入准降级状态。接下来如果持续进入5个请求,且它们的RT持续超过该阈值,那么在接下来的时间窗口内,对这个方法的调用都会自动地返回。代码样例如下:

DegradeRule rule = new DegradeRule();
rule.setResource(“xxx”);
rule.setCount(50);
rule.setGrade(RuleConstant.DEGRADE_GRADE_RT);
rule.setTimeWindow(5000);

样例中的时间单位是ms,意思是当平均响应时间大于50ms,并且接下来持续5个请求的RT都超过50ms时,熔断将开启。5000ms之后,熔断将再次关闭。

与限流进行对比会发现:限流是服务端,根据其能力上限设置一个过载保护;而熔断是调用端对自己做的一个保护。

注意:能熔断的服务肯定不是核心链路上的必选服务。如果是的话,则服务如果超时或者宕机,前端就不能用了,而不是熔断。所以,说熔断其实也是降级的一种方式。

架构是一种综合能力,而不是某一方面的技能。对于一个系统来说,可能既面临高并发、高可用的技术问题,又面临复杂的业务问题,所以如何处理两者的关系,打通技术和业务的任督二脉,对架构师来说是极其重要的。

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