Spring Boot - 利用Resilience4j-RateLimiter进行流量控制和服务降级

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Resilience4j概述

Resilience4J 是一个针对 Java 8 应用程序的轻量级容错和弹性库。它设计用于在分布式系统中的服务之间提供弹性和容错性。Resilience4J 的名字来源于它提供的核心功能，即让系统（服务）能够“弹性”（resilient）地应对各种失败情况，包括网络问题、第三方服务故障等。

Resilience4J 提供了以下功能：

  1. 断路器（Circuit Breaker）：当检测到服务异常或超时，断路器会打开，阻止进一步的请求发送到该服务。一段时间后（通常是秒级），断路器会进入半开状态，允许一个测试请求通过以检查服务是否恢复。如果请求成功，断路器关闭；如果失败，断路器会再次打开。
  2. 限流（Rate Limiter）：限制进入系统的请求速率，防止系统过载。这可以通过令牌桶算法或滑动窗口算法实现。
  3. 隔离（Isolation）：通过信号量或线程池隔离不同的服务调用，防止一个服务的失败影响到其他服务。
  4. 超时（Timeouts）：为服务调用设置超时时间，超过时间后会触发超时异常。
  5. 重试（Retry）：在遇到特定异常时自动重试服务调用，可以配置重试次数和间隔。
  6. 缓存（Caching）：提供缓存机制，以避免重复执行计算密集型或远程调用。

Resilience4J 的一大特点是它的轻量级特性，它只使用了 Vavr 库（一个函数式编程库），没有其他外部库依赖。这使得它在集成到现有系统时非常方便，且性能开销小。

Resilience4J 设计上易于配置，支持通过代码、配置文件或运行时参数进行配置。它也支持通过 actuator 模块与 Spring Boot 的监控和管理特性集成。

由于 Resilience4J 的这些特性和优势，它在现代分布式系统和微服务架构中得到了广泛应用，尤其是在需要高可用性和弹性的环境中。

Resilience4j官方地址

https://resilience4j.readme.io/

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https://github.com/resilience4j/resilience4j

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Resilience4j-RateLimiter

https://resilience4j.readme.io/docs/ratelimiter

在这里插入图片描述

RateLimiter 的默认实现是 AtomicRateLimiter ，它通过 AtomicReference 管理其状态。 AtomicRateLimiter.State 是完全不可变的。

功能点：

  • Warm-Up Period: 当启动应用程序或重置后，可能会有一个预热期，在此期间速率限制器逐渐增加允许的请求速率。这是为了防止启动后流量突然激增，从而可能导致系统过载。

  • Steady State: 预热期结束后，速率限制器进入稳定状态。在此阶段，速率限制器根据配置的速率限制允许请求通过。例如，如果将限制设置为每分钟 100 个请求，则速率限制器将允许大约每 0.6 秒一个请求。

  • Limit Exceeded: 如果传入请求速率超过配置的限制，速率限制器立即开始拒绝超出的请求。

  • Replenishing Tokens: 速率限制器以与配置的限制相对应的速率持续补充“Token”。每个允许的请求消耗一个令牌。如果系统未充分利用允许的速率，则未使用的令牌会累积，从而允许偶尔爆发请求。

  • Cooldown Period: 如果速率限制器因超出速率限制而拒绝请求，则可能存在一个冷却期，在此期间速率限制器会再次逐渐增加允许的请求速率。这是为了防止限制放宽后流量突然激增。

微服务演示

在这里插入图片描述

我们的演示有 2 个服务，名为支付服务和支付处理器。

在这里插入图片描述

  • 付款服务处理来自购物者的传入付款请求，并将其转发到付款处理器进行处理。
  • 支付处理器处理并发送结果。

我们将对支付服务实施速率限制，以控制传入付款请求的速率。

Payment processor

首先构建支付处理器，因为它是一个依赖服务.

为了演示的目的，将其简化为显示成功消息

POM

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>3.1.2</version>
        <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
    </parent>

    <groupId>com.artisan</groupId>
    <artifactId>payment-processor</artifactId>
    <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
    <name>payment-processor</name>

    <properties>
        <java.version>17</java.version>
    </properties>

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
            <optional>true</optional>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
    </dependencies>

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
                <configuration>
                    <excludes>
                        <exclude>
                            <groupId>org.projectlombok</groupId>
                            <artifactId>lombok</artifactId>
                        </exclude>
                    </excludes>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

</project>

配置文件

server:
  port: 1010
spring:
  application:
    name: payment-processor

Service

package com.artisan.paymentprocessor.service;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public interface PaymentProcessorService {
   
    String processPayment(String paymentInfo);
}

package com.artisan.paymentprocessor.service.impl;

import org.springframework.stereotype.Service;

import com.artisan.paymentprocessor.service.PaymentProcessorService;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
@Service
public class PaymentProcessorServiceImpl implements PaymentProcessorService {
   
    @Override
    public String processPayment(String paymentInfo) {
   
        // Simulated logic to process payment
        return "Payment processed: " + paymentInfo;
    }
}

Controller

package com.artisan.paymentprocessor.controller;

import com.artisan.paymentprocessor.service.PaymentProcessorService;
import org.springframework.web.bind.annotation.PostMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestBody;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import lombok.RequiredArgsConstructor;

/**
 * @author artisan
 */
@RestController
@RequestMapping("/api/v1/processor-payment")
@RequiredArgsConstructor
public class PaymentProcessorController {
   
    private final PaymentProcessorService paymentProcessorService;

    @PostMapping
    public String processPayment(@RequestBody String paymentInfo) {
   
        return paymentProcessorService.processPayment(paymentInfo);
    }
}

测试一下：

在这里插入图片描述

Payment service

我们将配置 Rate Limiter，并通过 Actuator 监控其状态 。

POM

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>3.1.2</version>
        <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
    </parent>

    <groupId>com.artisan</groupId>
    <artifactId>payment-service</artifactId>
    <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
    <name>payment-service</name>

    <properties>
        <java.version>17</java.version>
        <spring-cloud.version>2022.0.4</spring-cloud.version>
    </properties>

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-actuator</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-aop</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
            <artifactId>spring-cloud-starter-circuitbreaker-resilience4j</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
            <optional>true</optional>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
    </dependencies>

    <dependencyManagement>
        <dependencies>
            <dependency>
                <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
                <artifactId>spring-cloud-dependencies</artifactId>
                <version>${spring-cloud.version}</version>
                <type>pom</type>
                <scope>import</scope>
            </dependency>
        </dependencies>
    </dependencyManagement>

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
                <configuration>
                    <excludes>
                        <exclude>
                            <groupId>org.projectlombok</groupId>
                            <artifactId>lombok</artifactId>
                        </exclude>
                    </excludes>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

</project>

Model

public interface Type {
   
}


@Data
public class Success implements Type {
   
    private final String msg;
}




@Data
public class Failure implements Type {
   
    private final String msg;
}

Service

如何调用外部API -------------->我们这里使用 Spring的 RestTemplate 。

package com.artisan.paymentservice.service;

import com.artisan.paymentservice.model.Type;

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public interface PaymentService {
   
    Type submitPayment(String paymentInfo);
}


package com.artisan.paymentservice.service.impl;

import com.artisan.paymentservice.model.Failure;
import com.artisan.paymentservice.model.Success;
import com.artisan.paymentservice.model.Type;
import com.artisan.paymentservice.service.PaymentService;
import org.springframework.http.*;
import org.springframework.stereotype.Service;
import org.springframework.web.client.RestTemplate;

import io.github.resilience4j.ratelimiter.RequestNotPermitted;
import io.github.resilience4j.ratelimiter.annotation.RateLimiter;
import lombok.RequiredArgsConstructor;

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
@Service
@RequiredArgsConstructor
public class PaymentServiceImpl implements PaymentService {
   
    private final RestTemplate restTemplate;
    private static final String SERVICE_NAME = "payment-service";
    private static final String PAYMENT_PROCESSOR_URL = "http://localhost:1010/api/v1/processor-payment";


    @Override
    @RateLimiter(name = SERVICE_NAME, fallbackMethod = "fallbackMethod")
    public Type submitPayment(String paymentInfo) {
   
        HttpHeaders headers = new HttpHeaders();
        headers.setContentType(MediaType.APPLICATION_JSON);
        HttpEntity<String> entity = new HttpEntity<>(paymentInfo, headers);
        ResponseEntity<String> response = restTemplate.exchange(PAYMENT_PROCESSOR_URL,
                HttpMethod.POST, entity, String.class);
        Success success = new Success(response.getBody());
        return success;
    }

    private Type fallbackMethod(RequestNotPermitted requestNotPermitted) {
   
        return new Failure("服务降级： Payment service does not permit further calls");
    }
}

重点关注: @RateLimiter(name = SERVICE_NAME, fallbackMethod = "fallbackMethod")

需要注意这两种方法应该返回相同的数据类型， 所以对两个模型类都使用“Type”来实现。

RestConfig

package com.artisan.paymentservice.config;

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.web.client.RestTemplate;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
@Configuration
public class RestConfig {
   
    @Bean
    public RestTemplate restTemplate() {
   
        return new RestTemplate();
    }
}

Controller

package com.artisan.paymentservice.controller;

import com.artisan.paymentservice.model.Type;
import com.artisan.paymentservice.service.PaymentService;
import org.springframework.web.bind.annotation.PostMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestBody;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import lombok.RequiredArgsConstructor;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
@RestController
@RequestMapping("/api/v1/payment-service")
@RequiredArgsConstructor
public class PaymentController {
   
    private final PaymentService paymentService;
    @PostMapping
    public Type submitPayment(@RequestBody String paymentInfo) {
   
        return paymentService.submitPayment(paymentInfo);
    }
}

配置

server:
  port: 9090
spring:
  application:
    name: payment-service
management:
  endpoint:
    health:
      show-details: always
  endpoints:
    web:
      exposure:
        include: health
  health:
    ratelimiters:
      enabled: true
resilience4j:
  ratelimiter:
    instances:
      payment-service:
        limit-for-period: 5
        limit-refresh-period: 15s
        timeout-duration: 5s
        register-health-indicator: true
  • limit-for-period：一个“limit-refresh-period”期间允许的请求数
  • limit-refresh-period：指定“limit-for-period”将被重置的持续时间
  • timeout-duration：设置速率限制器允许后续请求的最大等待时间。

这段配置确保了payment-service服务的请求速率不会超过每15秒5次，同时如果请求超过5秒没有响应，则认为请求超时。此外，通过注册健康指标，可以对速率限制器的状态进行监控和管理。

验证

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

探究 Rate Limiting

确保两个服务启动成功

在这里插入图片描述

访问 http://localhost:9090/actuator/health 查看速率限制器详细信息。

在这里插入图片描述

请求三次 ，观察

在这里插入图片描述

http://localhost:9090/api/v1/ payment-service 请求3次 ，然后刷新执行器链接 http://localhost:9090/actuator/health

在这里插入图片描述

等待15秒

等待 15 秒（如果在 API 访问之前开始，时间可能会更短），然后刷新执行器链接 http://localhost:9090/actuator/health，我们将观察到允许的请求重置为 5。

在这里插入图片描述

连续访问6次

API 访问 6 次 http://localhost:9090/api/v1/ payment-service。第 6 个请求将因超出限制而延迟 5 秒。等待期间，刷新 http://localhost:9090/actuator/health 以获取以下详细信息
在这里插入图片描述

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