面试官:熔断降级原理是什么?

2021年7月12日 15点热度 0条评论 来源: 九灵_Alibaba

概述

高可用三剑客 限流熔断削峰 终于来到第二篇, 熔断降级专题了,想回顾限流相关内容的童鞋,可以查看一下,下面文章,欢迎点赞收藏关注三连,感谢!

限流系列文章:

仅以两张图来初步形容一下 熔断 适用的场景:

  • 雪崩

  • 股灾

什么是熔断

来自 wiki熔断机制 描述:

熔断机制(英语:Circuit breaker / Trading curb)指的是在股票市场的交易时间中,
当价格波动的幅度达到某一个限定的目标(熔断点)时,对其暂停交易一段时间的机制。
此机制如同保险丝在电流过大时候熔断,故而得名。

熔断机制推出的目的是为了防范系统性风险,给市场更多的冷静时间,避免恐慌情绪蔓延导致市场波动,
从而防止大规模股价下跌现象的发生。
然而熔断机制也因切断了资金的流通性,同样会造成市场情绪加大,并令市场风险在熔断期结束后继续扩大。

转换成互联网语言可以这么理解:

  • 异常幅度达到设定的阀值后触发的系统保护机制
  • 保护机制会将某部分能力关闭,以保证大部分能力正常
  • 这种机制是有损的,但是利大于端

熔断机制的特点,在关闭一段时间后,会自动触发恢复检测,如果发现服务正常,则将服务逐渐开放。

1、雪崩效应

在分布式服务部署的架构下,整体链路可以参考为:

如果在大促期间, DB_2 由于 机器负载过高sql执行缓慢链接数打满网络抖动等情况,导致 DB_2 不可用,那么整体链路的影响就会变成:

服务雪崩的每个阶段都可能由不同的原因造成, 比如造成 服务不可用 的原因有:

  • 硬件故障
  • 程序Bug
  • 缓存击穿
  • 用户大量请求

2、雪崩处理策略

  • 流量控制: 限流削峰都属于流量控制的一种策略
  • 缓存优化: 在上述案例中,DB 由于压力过大导致的雪崩,可以引入缓存,减轻DB压力
  • 服务降级: 通过异常分支链路快速失败,确保主链路正常提供服务
  • 应用扩容: 针对机器压力过大负载过高,可以通过机器扩容来解决,缓解流量压力

断路器模式

熔断器模式(Circuit Breaker Pattern),是一个现代软件开发的设计模式。用以侦测错误,并避免不断地触发相同的错误(如维护时服务不可用、暂时性的系统问题或是未知的系统错误)。

状态描述:

  • 关闭:熔断器默认处于关闭状态,熔断器本身带有计数能力(如滑动窗口实现),当失败数量达到预设阀值后,触发状态变更,熔断器被打开
  • 开启:在一定时间内,所有请求都会被拒绝,或采用备用链路处理。
  • 半开启: 在刷新时间窗口后,会进入半开启状态,熔断器尝试接受请求,如果这阶段出现请求失败,直接恢复到开启状态。

隔离策略

1、线程隔离

Hystrix 采用了 Bulkhead Partition 舱壁隔离技术,来将外部依赖进行资源隔离,进而避免任何外部依赖的故障导致本服务崩溃。

舱壁隔离,是说将船体内部空间区隔划分成若干个隔舱,一旦某几个隔舱发生破损进水,水流不会在其间相互流动,如此一来船舶在受损时,依然能具有足够的浮力和稳定性,进而减低立即沉船的危险。

图片来源: 《防雪崩利器:熔断器 Hystrix 的原理与使用》

Hystrix 在线程池隔离实现主要解决一下场景:

在商品详情系统中,如果没有对服务做降级措施,那么当评论服务出现异常时,整个商品详情系统都会受到影响,最终导致用户无法查看商品详情

在这个例子中,商品详情服务,从请求入口分配线程处理,对每个服务使用同一个线程进行处理(同步),在评论服务出现异常时(响应缓慢处理超时服务异常等),导致整个线程阻塞,服务端响应超时,触发用户重试刷新请求,最终导致服务雪崩,系统崩溃。

Hystrix 线程池隔离方案;

hystrix把每个依赖都进行隔离,对依赖的调用全部包装成HystrixCommand或者HystrixObservableCommand 在服务调用时,分配独立的线程池进行资源隔离调用,如下图中的评论服务出现不可用时,商品详情系统还是能够将商品信息大促信息封装好返回给用户。评论服务的异常,并不会影响其他依赖的调用。

线程隔离特点

优点:

  • 一个依赖可以给予一个线程池,这个依赖的异常不会影响其他的依赖。
  • 使用线程可以完全隔离第三方代码,请求线程可以快速放回。
  • 当一个失败的依赖再次变成可用时,线程池将清理,并立即恢复可用,而不是一个长时间的恢复。
  • 可以完全模拟异步调用,方便异步编程。
  • 使用线程池,可以有效的进行实时监控、统计和封装。

缺点:

  • 使用线程池的缺点主要是增加了计算的开销。每一个依赖调用都会涉及到队列,调度,上下文切换,而这些操作都有可能在不同的线程中执行。

线程切换的性能损耗问题

Netflix在使用过程中详细评估了使用异步线程同步线程带来的性能差异,结果表明在99%的情况下,异步线程带来的几毫秒延迟的完全可以接受的

2、信号量隔离

Hystrix 的信号量隔离限制对某个资源调用异常比例

Sentinel 在信号量隔离的限制上提供了更多的策略选择,基于慢调用比例异常比例异常数

信号量隔离实现原理

Sentinel 底层采用高性能的滑动窗口数据结构 LeapArray 来统计实时的秒级指标数据,在 信号量隔离的底层实现中, 通过根据不同的策略,如 异常数 策略,统计在 滑动窗口区间内, 异常请求量的比例,来决定对服务进行熔断降级处理。

滑动窗口示意图:

1、慢调用比例 (SLOW_REQUEST_RATIO)
设置允许的慢调用 RT(即最大的响应时间),请求的响应时间大于该值则统计为慢调用。当调用请求数量大于阀值,触发熔断。阀值设置,100ms响应10个请求 如下图所示:

2、异常比例 (ERROR_RATIO

当单位统计时长内请求数目大于设置的最小请求数目,并且异常的比例大于阈值,则接下来的熔断时长内请求会自动被熔断。阀值设置 20% 如下图所示:

3、异常数 (ERROR_COUNT)

当单位统计时长内的异常数目超过阈值之后会自动进行熔断。阀值设置 5 如图所示:

熔断降级组件对比

Sentinel

Sentinel是阿里中间件团队开源的,面向分布式服务架构的轻量级高可用流量控制组件,主要以流量为切入点,从流量控制、熔断降级、系统负载保护等多个维度来帮助用户保护服务的稳定性。

Sentinel 的侧重点在于:

  • 多样化的流量控制
  • 熔断降级
  • 系统负载保护
  • 实时监控和控制台

Hystrix

HystrixNetflix开源的一款容错系统,能帮助使用者码出具备强大的容错能力和鲁棒性的程序。提供降级,熔断等功能。在2018年底,Hystrix在其Github主页宣布,不再开放新功能,推荐开发者使用其他仍然活跃的开源项目。

官方 wiki 描述:
Hystrix is designed to do the following:

Give protection from and control over latency and failure from dependencies accessed (typically over the network) via third-party client libraries.
Stop cascading failures in a complex distributed system.
Fail fast and rapidly recover.
Fallback and gracefully degrade when possible.
Enable near real-time monitoring, alerting, and operational control.
  1. 对通过第三方客户端库访问的依赖项(通常是通过网络)的延迟和故障进行保护和控制。
  2. 在复杂的分布式系统中阻止级联故障。
  3. 快速失败,快速恢复。
  4. 回退,尽可能优雅地降级。
  5. 启用近实时监控、警报和操作控制。

resilience4j

resilience4j是一个轻量、易用、可组装的高可用框架,支持熔断、高频控制、隔离、限流、限时、重试等多种高可用机制。Netflix 官方在停止维护 Hystrix 后,推荐使用 resilience4j 作为替代方案。

与Hystrix相比,它有以下一些主要的区别:

  • Hystrix调用必须被封装到HystrixCommand里,而resilience4j以装饰器的方式提供对函数式接口、lambda表达式等的嵌套装饰,因此你可以用简洁的方式组合多种高可用机制
  • Hystrix的频次统计采用滑动窗口的方式,而resilience4j采用环状缓冲区的方式
  • 关于熔断器在半开状态时的状态转换,Hystrix仅使用一次执行判定是否进行状态转换,而resilience4j则采用可配置的执行次数与阈值,来决定是否进行状态转换,这种方式提高了熔断机制的稳定性
  • 关于隔离机制,Hystrix提供基于线程池和信号量的隔离,而resilience4j只提供基于信号量的隔离

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