微服务架构中的熔断器设计与实现（ Golang 版）

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I.内容提要

在微服务架构中，经常会碰到服务超时或通讯失败的问题，由于服务间层层依赖，很可能由于某个服务出现问题，不合理的重试和超时设置，导致问题层层传递引发雪崩现象，而限流和熔断是解决这个问题重要的方式。之前发过一篇文章讲了限流的几种实现方案，具体参阅：> 分布式高并发服务限流实现方案

今天我们探讨熔断的话题，本章内容提要：

微服务高可用容错机制
熔断器设计原理及 Golang 实现
服务网格和代理网关熔断机制

II.微服务容错机制

微服务架构中，服务的依赖和调用关系变得错综复杂，带来灵活性的同时，对服务稳定性也带来了新的隐患。如下图所示，当 “服务C” 出现问题时，可能是宕机，上线出 bug，流量过大或缓存穿透数据库压垮服务，这时“服务 C”响应就会出问题，而“服务 B”由于拿不到响应结果又会不断重试进一步压垮“服务 C”，同时“服务 B”同步调用也会有大量等待线程，出现资源耗尽，导致“服务 B”变得不可用，进而影响到“服务 A”，形成雪崩效应。为了解决雪崩效应，要建立有效的服务容错机制，一方面服务要做到冗余，建立集群，依托负载均衡机制和重试机制，保障服务可用性。

当服务出错时，可以设置不同的策略：- Failover 失败转移

Failback 失败通知
Failsafe 失败安全
Failfast 快速失败

除了集群容错外，对服务的熔断和限流也是必要的措施，虽然两者经常相伴出现，却是不同的保护机制。限流是防止上游服务调用量过大导致当前服务被压垮，熔断是预防下游服务出现故障时阻断对下游的调用。

III.熔断器设计实现

设计思想

熔断器的概念源自电路系统的熔断器，当电路过大，会自动切断进行保护，后来被应用到金融股票中，今年美股股市就发生了多起熔断。微服务中的熔断设计理念如出一辙。

(图片来自网络)

熔断器设计模式是基于 AOP 对所有的请求调用进行拦截，在请求调用前做状态判断是否熔断，请求调用后做计数统计，并根据策略做熔断状态转移。

熔断器涉及三种状态和四种状态转移，理解了这张图基本理解了熔断的设计精髓。

构造熔断器

首先定了熔断器结构体如下：

type ServiceBreaker struct {
    mu               sync.RWMutex  
    name             string
    state            State  
    windowInterval   time.Duration  
    metrics          Metrics            
    tripStrategyFunc TripStrategyFunc                            
    halfMaxCalls     uint64   
    stateOpenTime    time.Time                                    
    sleepTimeout     time.Duration                 
    stateChangeHook  func(name string, fromState State, toState State) 
}

结构体字段较多，先了解基本参数，其他参数后续使用中展开。

mu 读写锁，在并发情况下保障熔断器状态正常
name 熔断器名字，方便查询和日志标识
state 熔断器状态，三种状态，这里定义为 State 结构

type State int 
const (
    StateClosed State = iota
    StateOpen
    StateHalfOpen
)
func (s State) String() string {
    switch s { 
    case StateClosed:
        return "closed"
    case StateHalfOpen:
        return "half-open"
    case StateOpen:
        return "open"
    default:
        return fmt.Sprintf("unknown state: %d", s)
    }   
}

初始化构造熔断器实例，传入配置参数列表。

//new breaker
func NewServiceBreaker(op Option) (*ServiceBreaker, error) {
    if op.WindowInterval <= 0 || op.HalfMaxCalls <= 0 || op.SleepTimeout <= 0 { 
        return nil, errors.New("incomplete options")
    }   
    breaker := new(ServiceBreaker)
    breaker.name = op.Name
    breaker.windowInterval = op.WindowInterval
    breaker.halfMaxCalls = op.HalfMaxCalls
    breaker.sleepTimeout = op.SleepTimeout
    breaker.stateChangeHook = op.StateChangeHook
    breaker.tripStrategyFunc = ChooseTrip(&op.TripStrategy)
    breaker.nextWindow(time.Now())
    return breaker, nil 
}

执行调用流程

通过引入熔断器包裹执行流程，具体包括三个阶段：

熔断器在执行前先调用 beforeCall() ，判定是否可以执行
执行远程服务调用并返回执行结果
执行完成后调用 afterCall() 进行指标统计和状态更新

func (breaker *ServiceBreaker) Call(exec func() (interface{}, error)) (interface{}, error) {
    //before call
    err := breaker.beforeCall()
    if err != nil {       
        return nil, err
    }
    //if panic occur
    defer func() {
        err := recover()
        if err != nil {
            breaker.afterCall(false)
            panic(err)
        }
    }()
    //call
    breaker.metrics.OnCall()
    result, err := exec()
    //after call
    breaker.afterCall(err == nil)    
    return result, err
}

调用前检查

接着重点来了，在 beforeCall() 具体如何进行检查和拦截的呢？先看代码：

func (breaker *ServiceBreaker) beforeCall() error {
    breaker.mu.Lock()
    defer breaker.mu.Unlock()
    now := time.Now()
    switch breaker.state {
    case StateOpen:
        //after sleep timeout, can retry
        if breaker.stateOpenTime.Add(breaker.sleepTimeout).Before(now) {
            log.Printf("%s 熔断过冷却期，尝试半开\n", breaker.name)
            breaker.changeState(StateHalfOpen, now)
            return nil
        }
        log.Printf("%s 熔断打开，请求被阻止\n", breaker.name)
        return ErrStateOpen
    case StateHalfOpen:
        if breaker.metrics.CountAll >= breaker.halfMaxCalls {
            log.Printf("%s 熔断半开，请求过多被阻止\n", breaker.name)
            return ErrTooManyCalls
        }    
    default: //Closed
        if !breaker.metrics.WindowTimeStart.IsZero() && breaker.metrics.WindowTimeStart.Before(now) {
            breaker.nextWindow(now)
            return nil
        }    
    }
    return nil
}

判断熔断器的状态，对三种状态分别分析：

关闭状态，默认肯定是关闭的，这个时候不做任何拦截，这里 return nil ，但是对统计窗口做检查变更，一会具体分析统计窗口的逻辑。
半开状态，也就是说会放一些请求通过进行试探，放多少量呢？这里涉及到一个参数 halfMaxCalls，在熔断器初始化时设置，超了返回 ErrTooManyCalls 错误。
开启状态，这时候肯定不能访问了，所以返回了 ErrStateOpen 错误，但是这里会涉及到一个状态转移，如果过了冷却时间，会进入半开状态尝试调用。

这里定义了两种错误类型。

var (
    ErrStateOpen    = errors.New("service breaker is open")
    ErrTooManyCalls = errors.New("service breaker is halfopen, too many calls")
)

执行请求调用

只有 beforeCall() 返回为 nil 的时候，可以执行调用，否则就直接返回错误。

执行调用前先做 breaker.metrics.OnCall() 计数统计，执行请求并返回结果和错误，根据返回情况来统计并处理 breaker.afterCall(err == nil) 。

调用后处理逻辑

再来看下 afterCall() 这个方法，这个方法接收请求调用的结果，并分别对执行成功和执行失败进行处理。

func (breaker *ServiceBreaker) afterCall(success bool) {
    breaker.mu.Lock()
    defer breaker.mu.Unlock()
    if success {
        breaker.onSuccess(time.Now())
    } else {
        breaker.onFail(time.Now())
    }
}

统计窗口

这里先插入分析下统计窗口，它也算熔断器设计中的核心模块。

type Metrics struct {
    WindowBatch        uint64
    WindowTimeStart    time.Time
    CountAll           uint64
    CountSuccess       uint64
    CountFail          uint64
    ConsecutiveSuccess uint64
    ConsecutiveFail    uint64
}

参数看着比较多，但理解起来比较简单，分别记录窗口的批次，窗口开始的时间，窗口期内所有请求数，所有成功数，所有失败数，连续成功数，连续失败数，通过下图一看便知。

封装一些方法进行计数统计，这里注意成功或失败的时候对连续成功和连续失败要清零。

func (m *Metrics) NewBatch() {
    m.WindowBatch++
}
func (m *Metrics) OnCall() {
    m.CountAll++
}
func (m *Metrics) OnSuccess() {
    m.CountSuccess++
    m.ConsecutiveSuccess++
    m.ConsecutiveFail = 0 
}
func (m *Metrics) OnFail() {
    m.CountFail++
    m.ConsecutiveFail++
    m.ConsecutiveSuccess = 0 
}
func (m *Metrics) OnReset() {
    m.CountAll = 0 
    m.CountSuccess = 0 
    m.CountFail = 0 
    m.ConsecutiveSuccess = 0 
    m.ConsecutiveFail = 0 
}

看下统计窗口变动操作，在初始化熔断器和熔断器状态变更的时候都会新开统计窗口。

func (breaker *ServiceBreaker) nextWindow(now time.Time) {
    breaker.metrics.NewBatch()
    breaker.metrics.OnReset() //clear count num
    var zero time.Time
    switch breaker.state {
    case StateClosed:
        if breaker.windowInterval == 0 {
            breaker.metrics.WindowTimeStart = zero
        } else {
            breaker.metrics.WindowTimeStart = now.Add(breaker.windowInterval)
        }
    case StateOpen:
        breaker.metrics.WindowTimeStart = now.Add(breaker.sleepTimeout)
    default: //halfopen
        breaker.metrics.WindowTimeStart = zero //halfopen no window
    }
}

具体逻辑为，开启新的窗口批次，所有计数清零。

根据当前熔断器状态：- 熔断器关闭，窗口时间滚动一个时间窗口期windowInterval ，时间窗口期也是 breaker 初始化时设置，计数统计发生在同一窗口期

熔断器打开，过了冷却期状态转移为半开，会进入新的计数窗口期，窗口期开始时间增加冷却期休眠时间 sleepTimeout
半开状态，不做窗口期处理

执行成功逻辑

回到 afterCall() ，如果调用成功，会对计数器进行成功统计。

func (breaker *ServiceBreaker) onSuccess(now time.Time) {
    breaker.metrics.OnSuccess()
    if breaker.state == StateHalfOpen         
        && breaker.metrics.ConsecutiveSuccess >= breaker.halfMaxCalls {             breaker.changeState(StateClosed, now)    }
}

这里还是要考虑熔断器的状态，熔断器开启肯定无法走到这里，熔断器关闭且调用成功了，正常计数即可。而熔断器如果处于半开状态，会涉及到可能发生状态转移，由半开到关闭。什么情况从半开回到关闭呢？

breaker.metrics.ConsecutiveSuccess >= breaker.halfMaxCalls

这里使用的策略是连续成功数 >= breaker.halfMaxCalls，这个要求比较严格，也就是说要服务在半开状态下，每次尝试的调用都要成功。当然这里也可以根据你的生产场景来定制不同的恢复策略。

状态转移

那么看下状态转移的逻辑是什么？

func (breaker *ServiceBreaker) changeState(state State, now time.Time) {
    if breaker.state == state {
        return
    }
    prevState := breaker.state
    breaker.state = state
    //goto next window,reset metrics
    breaker.nextWindow(time.Now())
    //record open time
    if state == StateOpen {
        breaker.stateOpenTime = now
    }
    //callback hook
    if breaker.stateChangeHook != nil {
        breaker.stateChangeHook(breaker.name, prevState, state)
    }
}

状态变更，开启新的统计窗口（之前的计数清零），熔断器打开状态要记录下当前时间保存到 breaker.stateOpenTime 中。这里还有一个状态变更钩子，如果在熔断器配置中配置了，钩子函数会进行调用。

breaker.stateChangeHook(breaker.name, prevState, state)

执行失败逻辑

如果 afterCall() 发现调用失败了，涉及到哪些逻辑呢？

func (breaker *ServiceBreaker) onFail(now time.Time) {
    breaker.metrics.OnFail()
    switch breaker.state {
    case StateClosed:
        if breaker.tripStrategyFunc(breaker.metrics) {
            breaker.changeState(StateOpen, now)
        }
    case StateHalfOpen:
        breaker.changeState(StateOpen, now)

    }
}

先做失败统计，然后分状态进行处理并判断是否发生状态转移。

状态半开，如果失败了直接转为关闭，严格模式。
状态关闭，会根据策略判断是否要开启熔断。

失败一次不可怕，如果失败过多就要熔断了，那么多少是多呢？这里主要看熔断策略 tripStrategyFunc 设置。

熔断策略

首先它也是在熔断器初始化时设置的，类型为结构体 TripStrategyFunc

tripStrategyFunc TripStrategyFunc

那么有哪些可参考的策略呢？

根据错误计数，如果一个时间窗口期内失败数 >= n 次，开启熔断。
根据连续错误计数，一个时间窗口期内连续失败 >=n 次，开启熔断。
根据错误比例，一个时间窗口期内错误占比 >= n （0 ~ 1），开启熔断，但这里为了防止极端情况，如窗口期第一次请求就失败了，这时错误占比是 1，所以会有一个最小调用量限制。

看下具体代码实现：

//when error occur, determine whether the breaker should be opened.
type TripStrategyFunc func(Metrics) bool
//according to consecutive fail
func ConsecutiveFailTripFunc(threshold uint64) TripStrategyFunc {
    return func(m Metrics) bool {
        return m.ConsecutiveFail >= threshold
    }   
}
//according to fail
func FailTripFunc(threshold uint64) TripStrategyFunc {
    return func(m Metrics) bool {
        return m.CountFail >= threshold
    }   
}
//according to fail rate
func FailRateTripFunc(rate float64, minCalls uint64) TripStrategyFunc {
    return func(m Metrics) bool {
        var currRate float64
        if m.CountAll != 0 { 
            currRate = float64(m.CountFail) / float64(m.CountAll)
        }
        return m.CountAll >= minCalls && currRate >= rate
    }   
}

将这几种策略封装并通过配置化选择。

const (
    ConsecutiveFailTrip = iota + 1 
    FailTrip
    FailRateTrip
)
//choose trip
func ChooseTrip(op *TripStrategyOption) TripStrategyFunc {
    switch op.Strategy {
    case ConsecutiveFailTrip:
        return ConsecutiveFailTripFunc(op.ConsecutiveFailThreshold)
    case FailTrip:
        return FailTripFunc(op.FailThreshold)
    case FailRateTrip:
        fallthrough
    default:
        return FailRateTripFunc(op.FailRate, op.MinCall)
    }
}
func NewServiceBreaker(op Option) (*ServiceBreaker, error) {
    //...
    breaker.tripStrategyFunc = ChooseTrip(&op.TripStrategy)
    //...
}

熔断测试

最后再来回看下熔断器的参数配置：- windowInterval 每个窗口的时间间隔

metrics 统计窗口
tripStrategyFunc 熔断策略
halfMaxCalls 半开状态下尝试调用的次数
sleepTimeout 熔断开启后的冷却休眠时间，过了休眠期尝试半开
stateChangeHook 状态变更执行钩子函数

通过引入 option 来进行配置。

type TripStrategyOption struct {
    Strategy                 uint
    ConsecutiveFailThreshold uint64
    FailThreshold            uint64
    FailRate                 float64
    MinCall                  uint64
}
type Option struct {
    Name            string
    WindowInterval  time.Duration
    HalfMaxCalls    uint64
    SleepTimeout    time.Duration
    StateChangeHook func(name string, fromState State, toState State)
    TripStrategy    TripStrategyOption
}

通过几个测试用例来看下熔断器效果。

先初始化一个熔断器，循环执行调用，先执行成功，中间执行失败累积到一定量开启熔断，然后再恢复正常。

func initBreaker() *ServiceBreaker {
    tripOp := TripStrategyOption{       
        Strategy: FailRateTrip,
        FailRate: 0.6,
        MinCall:  3,  
    }   
    option := Option{Name: "breaker1",
        WindowInterval:  5 * time.Second,
        HalfMaxCalls:    3,  
        SleepTimeout:    6 * time.Second,
        TripStrategy:    tripOp,
        StateChangeHook: stateChangeHook,
    }   
    breaker, _ := NewServiceBreaker(option)
    return breaker
}

func TestServiceBreaker(t *testing.T) {    
    breaker := initBreaker()
    for i := 0; i < 30; i++ {
        breaker.Call(func() (interface{}, error) {
            if i <= 2 || i >= 8 {
                fmt.Println("请求执行成功!")
                return nil, nil
            } else {
                fmt.Println("请求执行出错!")
                return nil, errors.New("error")

            }
        })
        time.Sleep(1 * time.Second)
    }
}

func stateChangeHook(name string, fromState State, toState State) {
    fmt.Printf("熔断器%v 触发状态变更：%v --> %v\n", name, fromState, toState)
}

也可以切换不同的熔断策略和阈值配置，查看效果。执行情况如下：

并发情况下，开启 5 个并发，每个并发内循环执行调用，查看熔断情况。

func TestServiceBreakerInParallel(t *testing.T) {
    runtime.GOMAXPROCS(runtime.NumCPU())   
    breaker := initBreaker()
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 5; i++ { //并发5
        wg.Add(1)
        defer wg.Done()
        go func() {
            for j := 0; j < 30; j++ {
                breaker.Call(func() (interface{}, error) {
                    if j <= 2 || j >= 8 {
                        fmt.Println("请求执行成功!")
                        return nil, nil
                    } else {
                        fmt.Println("请求执行出错!")
                        return nil, errors.New("error")
                    }
                })
                time.Sleep(1 * time.Second)
            }
        }()
    }
    wg.Wait()
}