為什么需要Hystrix

在大中型分布式系統(tǒng)中，通常系統(tǒng)很多依賴，如下圖:

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在高并發(fā)訪問下，這些依賴的穩(wěn)定性與否對系統(tǒng)的影響非常大，但是依賴有很多不可控問題：如網(wǎng)絡連接緩慢，資源繁忙，暫時不可用，服務脫機等，如下圖：

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當依賴阻塞時，大多數(shù)服務器的線程池就出現(xiàn)阻塞，影響整個線上服務的穩(wěn)定性，如下圖：

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在復雜的分布式架構的應用程序有很多的依賴，都會不可避免地在某些時候失敗。高并發(fā)的依賴失敗時如果沒有隔離措施，當前應用服務就有被拖垮的風險。

Hystrix如何解決依賴隔離

• Hystrix使用命令模式HystrixCommand(Command)包裝依賴調(diào)用邏輯，每個命令在單獨線程中/信號授權下執(zhí)行。

• 可配置依賴調(diào)用超時時間,超時時間一般設為比99.5%平均時間略高即可。當調(diào)用超時時，直接返回或執(zhí)行fallback邏輯。

• 為每個依賴提供一個小的線程池或信號，如果線程池已滿調(diào)用將被立即拒絕，默認不采用排隊。加速失敗判定時間。

• 依賴調(diào)用結果分：成功、失敗/拋出異常、超時、線程拒絕、短路。 請求失敗(異常，拒絕，超時，短路)時執(zhí)行fallback(降級)邏輯。

• 提供熔斷器組件，可以自動運行或手動調(diào)用，停止當前依賴一段時間(10秒)，熔斷器默認錯誤率閾值為50%，超過將自動運行。

• 提供近實時依賴的統(tǒng)計和監(jiān)控。

Hystrix依賴的隔離架構，如下圖：

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如何使用Hystrix

使用maven引入Hystrix依賴

<hystrix.version>1.3.16</hystrix.version>  
<hystrix-metrics-event-stream.version>1.1.2</hystrix-metrics-event-stream.version>   

<dependency>  
     <groupId>com.netflix.hystrix</groupId>  
     <artifactId>hystrix-core</artifactId>  
     <version>${hystrix.version}</version>  
 </dependency>  
     <dependency>  
     <groupId>com.netflix.hystrix</groupId>  
     <artifactId>hystrix-metrics-event-stream</artifactId>  
     <version>${hystrix-metrics-event-stream.version}</version>  
 </dependency>  

使用命令模式封裝依賴邏輯

 public class HelloWorldCommand extends HystrixCommand<String> {  
    private final String name;  
    public HelloWorldCommand(String name) {  
        //最少配置:指定命令組名(CommandGroup)  
        super(HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("ExampleGroup"));  
        this.name = name;  
    }  
    @Override  
    protected String run() {  
        // 依賴邏輯封裝在run()方法中  
        return "Hello " + name +" thread:" + Thread.currentThread().getName();  
    }  
    //調(diào)用實例  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        //每個Command對象只能調(diào)用一次,不可以重復調(diào)用,  
        //重復調(diào)用對應異常信息
        HelloWorldCommand helloWorldCommand = new HelloWorldCommand("sync-hystrix");  
        //使用execute()同步調(diào)用代碼,效果等同于:helloWorldCommand.queue().get();   
        String result = helloWorldCommand.execute();  
        System.out.println("result=" + result);  

        helloWorldCommand = new HelloWorldCommand("async-hystrix");  
        //異步調(diào)用,可自由控制獲取結果時機,  
        Future<String> future = helloWorldCommand.queue();  
        //get操作不能超過command定義的超時時間,默認:1秒  
        result = future.get(100, TimeUnit.MILLISECONDS);  
        System.out.println("result=" + result);  
        System.out.println("mainThread=" + Thread.currentThread().getName());  
    }       
}  

使用Fallback() 提供降級策略

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//重載HystrixCommand的getFallback方法實現(xiàn)邏輯  
public class HelloWorldCommand extends HystrixCommand<String> {  
    private final String name;  
    public HelloWorldCommand(String name) {  
        super(Setter.withGroupKey(HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("HelloWorldGroup"))
            .andCommandPropertiesDefaults(HystrixCommandProperties.Setter()
                            .withExecutionIsolationThreadTimeoutInMilliseconds(500)));  
        this.name = name;  
    }  
    @Override  
    protected String getFallback() {  
        return "exeucute Falled";  
    }  
    @Override  
    protected String run() throws Exception {  
        //sleep 1 秒,調(diào)用會超時  
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);  
        return "Hello " + name +" thread:" + Thread.currentThread().getName();  
    }  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        HelloWorldCommand command = new HelloWorldCommand("test-Fallback");  
        String result = command.execute();  
    }  
}  

NOTE: 除了HystrixBadRequestException異常之外，所有從run()方法拋出的異常都算作失敗，并觸發(fā)降級getFallback()和斷路器邏輯。

HystrixBadRequestException用在非法參數(shù)或非系統(tǒng)故障異常等不應觸發(fā)回退邏輯的場景。

依賴命名:CommandKey

public HelloWorldCommand(String name) {  
        super(Setter.withGroupKey(HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("ExampleGroup"))  
                /* HystrixCommandKey工廠定義依賴名稱 */  
                .andCommandKey(HystrixCommandKey.Factory.asKey("HelloWorld")));  
        this.name = name;  
}

NOTE: 每個CommandKey代表一個依賴抽象，相同的依賴要使用相同的CommandKey名稱。依賴隔離的根本就是對相同CommandKey的依賴做隔離。

依賴分組:CommandGroup

命令分組用于對依賴操作分組，便于統(tǒng)計，匯總等。

//使用HystrixCommandGroupKey工廠定義  
public HelloWorldCommand(String name) {  
    Setter.withGroupKey(HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("HelloWorldGroup"))  
}

NOTE: CommandGroup是每個命令最少配置的必選參數(shù)，在不指定ThreadPoolKey的情況下，字面值用于對不同依賴的線程池/信號區(qū)分。

線程池/信號:ThreadPoolKey

public HelloWorldCommand(String name) {  
        super(Setter.withGroupKey(HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("ExampleGroup"))  
                .andCommandKey(HystrixCommandKey.Factory.asKey("HelloWorld"))  
                /* 使用HystrixThreadPoolKey工廠定義線程池名稱*/  
                .andThreadPoolKey(HystrixThreadPoolKey.Factory.asKey("HelloWorldPool")));  
        this.name = name;  
}

NOTE: 當對同一業(yè)務依賴做隔離時使用CommandGroup做區(qū)分，但是對同一依賴的不同遠程調(diào)用如(一個是redis 一個是http)，可以使用HystrixThreadPoolKey做隔離區(qū)分。

最然在業(yè)務上都是相同的組，但是需要在資源上做隔離時，可以使用HystrixThreadPoolKey區(qū)分。

信號量隔離:SEMAPHORE

隔離本地代碼或可快速返回遠程調(diào)用(如memcached，redis)可以直接使用信號量隔離，降低線程隔離開銷。

public class HelloWorldCommand extends HystrixCommand<String> {  
    private final String name;  
    public HelloWorldCommand(String name) {  
        super(Setter.withGroupKey(HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("HelloWorldGroup"))  
                /* 配置信號量隔離方式,默認采用線程池隔離 */  
                .andCommandPropertiesDefaults(HystrixCommandProperties.Setter()
                                    .withExecutionIsolationStrategy(HystrixCommandProperties.ExecutionIsolationStrategy.SEMAPHORE)));  
        this.name = name;  
    }  
    @Override  
    protected String run() throws Exception {  
        return "HystrixThread:" + Thread.currentThread().getName();  
    }  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        HelloWorldCommand command = new HelloWorldCommand("semaphore");  
        String result = command.execute();  
        System.out.println(result);  
        System.out.println("MainThread:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
}  

Hystrix關鍵組件分析

Hystrix流程結構解析

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流程說明：

1，每次調(diào)用創(chuàng)建一個新的HystrixCommand，把依賴調(diào)用封裝在run()方法中

2，執(zhí)行execute()/queue做同步或異步調(diào)用

3，判斷熔斷器(circuit-breaker)是否打開，如果打開跳到步驟8，進行降級策略，否則繼續(xù)后續(xù)步驟

4，判斷線程池/隊列/信號量是否跑滿，如果跑滿進入降級步驟8，否則繼續(xù)后續(xù)步驟

5，調(diào)用HystrixCommand的run方法，運行依賴邏輯

a 依賴邏輯調(diào)用超時，進入步驟8

6，判斷邏輯是否調(diào)用成功

a 返回成功調(diào)用結果

b 調(diào)用出錯，進入步驟8

7，計算熔斷器狀態(tài)，所有的運行狀態(tài)上報給熔斷器，用于統(tǒng)計從而判斷熔斷器狀態(tài)

8，getFallback()降級邏輯

以下四種情況將觸發(fā)getFallback調(diào)用：

• run()方法拋出非HystrixBadRequestException異常

• run()方法調(diào)用超時

• 熔斷器開啟攔截調(diào)用

• 線程池/隊列/信號量是否跑滿

沒有實現(xiàn)getFallback的Command將直接拋出異常

fallback降級邏輯調(diào)用成功直接返回

降級邏輯調(diào)用失敗拋出異常

9，返回執(zhí)行成功結果

熔斷器:Circuit Breaker

Circuit Breaker 流程架構和統(tǒng)計

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每個熔斷器默認維護10個bucket，每秒一個bucket，每個blucket記錄成功、失敗、超時、拒絕的狀態(tài)，默認錯誤超過50%且10秒內(nèi)超過20個請求進行中斷攔截.。

隔離(Isolation)分析

Hystrix隔離方式采用線程/信號的方式，通過隔離限制依賴的并發(fā)量和阻塞擴散。

(1) 線程隔離

把執(zhí)行依賴代碼的線程與請求線程分離，請求線程可以自由控制離開的時間(異步過程)。

通過線程池大小可以控制并發(fā)量，當線程池飽和時可以提前拒絕服務，防止依賴問題擴散。

線上建議線程池不要設置過大，否則大量堵塞線程有可能會拖慢服務器。

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線程池的使用示意圖如下圖所示，當n個請求線程并發(fā)對某個接口請求調(diào)用時，會先從hystrix管理的線程池里面獲得一個線程，然后將參數(shù)傳遞給這個線程去執(zhí)行真正調(diào)用。線程池的大小有限，默認是10個線程，可以使用maxConcurrentRequests參數(shù)配置，如果并發(fā)請求數(shù)多于線程池線程個數(shù)，就有線程需要進入隊列排隊，但排隊隊列也有上限，默認是 5，如果排隊隊列也滿，則必定有請求線程會走fallback流程。

線程池模式可以支持異步調(diào)用，支持超時調(diào)用，支持直接熔斷，存在線程切換，開銷大。

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(2) 線程隔離的優(yōu)缺點

線程隔離的優(yōu)點：

• 使用線程可以完全隔離第三方代碼，請求線程可以快速放回。

• 當一個失敗的依賴再次變成可用時，線程池將清理，并立即恢復可用，而不是一個長時間的恢復。

• 可以完全模擬異步調(diào)用，方便異步編程。

線程隔離的缺點：

• 線程池的主要缺點是它增加了cpu，因為每個命令的執(zhí)行涉及到排隊(默認使用SynchronousQueue避免排隊)，調(diào)度和上下文切換。

• 對使用ThreadLocal等依賴線程狀態(tài)的代碼增加復雜性，需要手動傳遞和清理線程狀態(tài)。

NOTE: Netflix公司內(nèi)部認為線程隔離開銷足夠小，不會造成重大的成本或性能的影響。

Netflix內(nèi)部API每天100億的HystrixCommand依賴請求使用線程隔，每個應用大約40多個線程池，每個線程池大約5-20個線程。

(3) 信號隔離

信號隔離也可以用于限制并發(fā)訪問，防止阻塞擴散, 與線程隔離最大不同在于執(zhí)行依賴代碼的線程依然是請求線程（該線程需要通過信號申請）。

如果客戶端是可信的且可以快速返回，可以使用信號隔離替換線程隔離，降低開銷。

線程隔離與信號隔離區(qū)別如下圖：

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信號量的使用示意圖如下圖所示，當n個并發(fā)請求去調(diào)用一個目標服務接口時，都要獲取一個信號量才能真正去調(diào)用目標服務接口，但信號量有限，默認是10個，可以使用maxConcurrentRequests參數(shù)配置，如果并發(fā)請求數(shù)多于信號量個數(shù)，就有線程需要進入隊列排隊，但排隊隊列也有上限，默認是 5，如果排隊隊列也滿，則必定有請求線程會走fallback流程，從而達到限流和防止雪崩的目的。

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信號量模式從始至終都只有請求線程自身，是同步調(diào)用模式，不支持超時調(diào)用，不支持直接熔斷，由于沒有線程的切換，開銷非常小。

(4) 總結

當請求的服務網(wǎng)絡開銷比較大的時候，或者是請求比較耗時的時候，我們最好是使用線程隔離策略，這樣的話，可以保證大量的容器(tomcat)線程可用，不會由于服務原因，一直處于阻塞或等待狀態(tài)，快速失敗返回。而當我們請求緩存這些服務的時候，我們可以使用信號量隔離策略，因為這類服務的返回通常會非常的快，不會占用容器線程太長時間，而且也減少了線程切換的一些開銷，提高了緩存服務的效率。

• 線程池：適合絕大多數(shù)的場景，99%的。對依賴服務的網(wǎng)絡請求的調(diào)用和訪問，timeout這種問題

• 信號量：適合你的訪問不是對外部依賴的訪問，而是對內(nèi)部的一些比較復雜的業(yè)務邏輯的訪問，但是像這種訪問，系統(tǒng)內(nèi)部的代碼，其實不涉及任何的網(wǎng)絡請求，那么只要做信號量的普通限流就可以了，因為不需要去捕獲timeout類似的問題，算法+數(shù)據(jù)結構的效率不是太高，并發(fā)量突然太高，因為這里稍微耗時一些，導致很多線程卡在這里的話，不太好，所以進行一個基本的資源隔離和訪問，避免內(nèi)部復雜的低效率的代碼，導致大量的線程被hang住