SpringCould中的Hystrix - 请求合并的三种方式，大大提高接口性能 - 《Java 笔记》

前言
Hystrix Collapser
BatchCollapser
- 设计
- 实现
ConcurrentHashMultiset
- 设计
- 实现
小结

Java
将相似或重复请求在上游系统中合并后发往下游系统，可以大大降低下游系统的负载，提升系统整体吞吐率。文章介绍了 hystrix collapser、ConcurrentHashMultiset、自实现BatchCollapser 三种请求合并技术，并通过其具体实现对比各自适用的场景。

前言

工作中，常见的请求模型都是”请求-应答”式，即一次请求中，服务给请求分配一个独立的线程，一块独立的内存空间，所有的操作都是独立的，包括资源和系统运算。在请求中处理一次系统 I/O 的消耗是非常大的，如果有非常多的请求都进行同一类 I/O 操作，那么是否可以将这些 I/O 操作都合并到一起，进行一次 I/O 操作，是否可以大大降低下游资源服务器的负担呢？

Hystrix Collapser

hystrix

开源的请求合并类库（知名的）好像也只有 Netflix 公司开源的 Hystrix 了， hystrix 专注于保持 WEB 服务器在高并发环境下的系统稳定，常用它的熔断器(Circuit Breaker) 来实现服务的服务隔离和灾时降级，有了它，可以使整个系统不至于被某一个接口的高并发洪流冲塌，即使接口挂了也可以将服务降级，返回一个人性化的响应。请求合并作为一个保障下游服务稳定的利器，在 hystrix 内实现也并不意外。
在使用 hystrix 时，常用它的 javanica 模块，以注解的方式编写 hystrix 代码，使代码更简洁而且对业务代码侵入更低。所以在项目中一般至少需要引用 hystrix-core 和 hystrix-javanica 两个包。
另外，hystrix 的实现都是通过 AOP，还要在项目 xml 里显式配置 HystrixAspect 的 bean 来启用它。

<aop:aspectj-autoproxy/>
<bean id="hystrixAspect" class="com.netflix.hystrix.contrib.javanica.aop.aspectj.HystrixCommandAspect" />

collapser

hystrix collapser 是 hystrix 内的请求合并器，它有自定义 BatchMethod 和注解两种实现方式，自定义 BatchMethod 网上有各种教程，实现起来很复杂，需要手写大量代码，而注解方式只需要添加两行注解即可，但配置方式在官方文档上也没找见。
其实现需要注意的是：

在需要合并的方法上添加 @HystrixCollapser 注解，在定义好的合并方法上添加 @HystrixCommand 注解；
single 方法只能传入一个参数，多参数情况下需要自己包装一个参数类，而 batch 方法需要 java.util.List<SingleParam>；
single 方法返回 java.util.concurrent.Future<SingleReturn>， batch 方法返回 java.util.List<SingleReturn>，且要保证返回的结果数量和传入的参数数量一致。

下面是一个简单的示例:

public class HystrixCollapserSample {
    @HystrixCollapser(batchMethod = "batch")
    public Future<Boolean> single(String input) {
        return null; // single方法不会被执行到
    }
    public List<Boolean> batch(List<String> inputs) {
        return inputs.stream().map(it -> Boolean.TRUE).collect(Collectors.toList());
    }
}

源码实现

为了解决 hystrix collapser 的配置问题看了下 hystrix javanica 的源码，这里简单总结一下 hystrix 请求合并器的具体实现。

在 spring-boot 内注册切面类的 bean，里面包含 @HystrixCollapser 注解切面；
在方法执行时检测到方法被 HystrixCollapser 注解后，spring 调用 methodsAnnotatedWithHystrixCommand方法来执行 hystrix 代理;
hystrix 获取一个 collapser 实例（在当前 scope 内检测不到即创建）;
hystrix 将当前请求的参数提交给 collapser，由 collapser 存储在一个 concurrentHashMap （RequestArgumentType -> CollapsedRequest）内，此方法会创建一个 Observable 对象，并返回一个观察此对象的 Future 给业务线程；
collpser 在创建时会创建一个 timer 线程，定时消费存储的请求，timer 会将多个请求构造成一个合并后的请求，调用 batch 执行后将结果顺序映射到输出参数，并通知 Future 任务已完成。

需要注意，由于需要等待 timer 执行真正的请求操作，collapser 会导致所有的请求的 cost 都会增加约 timerInterval/2 ms;

配置

hystrix collapser 的配置需要在 @HystrixCollapser 注解上使用，主要包括两个部分，专有配置和 hystrixCommand 通用配置；
专有配置包括：

collapserKey，这个可以不用配置，hystrix 会默认使用当前方法名；
batchMethod，配置 batch 方法名，一般会将 single 方法和 batch 方法定义在同一个类内，直接填方法名即可；
scope，最坑的配置项，com.netflix.hystrix.HystrixCollapser.Scope 枚举类，有 REQUEST，GLOBAL 两种选项，在 scope 为 REQUEST 时，hystrix 会为每个请求都创建一个 collapser，此时可以发现 batch 方法执行时，传入的请求数总为1。而且 REQUEST 项还是默认项，不明白这样请求合并还有什么意义；
collapserProperties，在此选项内可以配置 hystrixCommand 的通用配置；

通用配置包括：

maxRequestsInBatch，构造批量请求时，使用的单个请求的最大数量；
timerDelayInMilliseconds，此选项配置 collapser 的 timer 线程多久会合并一次请求；
requestCache.enabled，配置提交请求时是否缓存；

一个完整的配置如下：

@HystrixCollapser(
            batchMethod = "batch",
            collapserKey = "single",
            scope = com.netflix.hystrix.HystrixCollapser.Scope.GLOBAL,
            collapserProperties = {
                    @HystrixProperty(name = "maxRequestsInBatch", value = "100"),
                    @HystrixProperty(name = "timerDelayInMilliseconds", value = "1000"),
                    @HystrixProperty(name = "requestCache.enabled", value = "true")
            })

BatchCollapser

设计

由于业务需求，并不太关心被合并请求的返回值，而且觉得 hystrix 保持那么多的 Future 并没有必要，于是自己实现了一个简单的请求合并器，业务线程简单地将请求放到一个容器里，请求数累积到一定量或延迟了一定的时间，就取出容器内的数据统一发送给下游系统。
设计思想跟 hystrix 类似，合并器有一个字段作为存储请求的容器，且设置一个 timer 线程定时消费容器内的请求，业务线程将请求参数提交到合并器的容器内。不同之处在于，业务线程将请求提交给容器后立即同步返回成功，不必管请求的消费结果，这样便实现了时间维度上的合并触发。
另外，还添加了另外一个维度的触发条件，每次将请求参数添加到容器后都会检验一下容器内请求的数量，如果数量达到一定的阈值，将在业务线程内合并执行一次。
由于有两个维度会触发合并，就不可避免会遇到线程安全问题。为了保证容器内的请求不会被多个线程重复消费或都漏掉，需要一个容器能满足以下条件：

是一种 Collection，类似于 ArrayList 或 Queue，可以存重复元素且有顺序;
在多线程环境中能安全地将里面的数据全取出来进行消费，而不用自己实现锁。

java.util.concurrent 包内的 LinkedBlockingDeque 刚好符合要求，首先它实现了 BlockingDeque 接口，多线程环境下的存取操作是安全的；此外，它还提供 drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)方法，可以将容器内 maxElements 个元素安全地取出来，放到 Collection c 中。

实现

以下是具体的代码实现：

public class BatchCollapser<E> implements InitializingBean {
     private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(BatchCollapser.class);
     private static volatile Map<Class, BatchCollapser> instance = Maps.newConcurrentMap();
     private static final ScheduledExecutorService SCHEDULE_EXECUTOR = Executors.newScheduledThreadPool(1);
     private volatile LinkedBlockingDeque<E> batchContainer = new LinkedBlockingDeque<>();
     private Handler<List<E>, Boolean> cleaner;
     private long interval;
     private int threshHold;
     private BatchCollapser(Handler<List<E>, Boolean> cleaner, int threshHold, long interval) {
         this.cleaner = cleaner;
         this.threshHold = threshHold;
         this.interval = interval;
     }
     @Override
     public void afterPropertiesSet() throws Exception {
         SCHEDULE_EXECUTOR.scheduleAtFixedRate(() -> {
             try {
                 this.clean();
             } catch (Exception e) {
                 logger.error("clean container exception", e);
             }
         }, 0, interval, TimeUnit.MILLISECONDS);
     }
     public void submit(E event) {
         batchContainer.add(event);
         if (batchContainer.size() >= threshHold) {
             clean();
         }
     }
     private void clean() {
         List<E> transferList = Lists.newArrayListWithExpectedSize(threshHold);
         batchContainer.drainTo(transferList, 100);
         if (CollectionUtils.isEmpty(transferList)) {
             return;
         }
         try {
             cleaner.handle(transferList);
         } catch (Exception e) {
             logger.error("batch execute error, transferList:{}", transferList, e);
         }
     }
     public static <E> BatchCollapser getInstance(Handler<List<E>, Boolean> cleaner, int threshHold, long interval) {
         Class jobClass = cleaner.getClass();
         if (instance.get(jobClass) == null) {
             synchronized (BatchCollapser.class) {
                 if (instance.get(jobClass) == null) {
                     instance.put(jobClass, new BatchCollapser<>(cleaner, threshHold, interval));
                 }
             }
         }
         return instance.get(jobClass);
     }
 }

以下代码内需要注意的点：

由于合并器的全局性需求，需要将合并器实现为一个单例，另外为了提升它的通用性，内部使用使用 concurrentHashMap 和 double check 实现了一个简单的单例工厂。
为了区分不同用途的合并器，工厂需要传入一个实现了 Handler 的实例，通过实例的 class 来对请求进行分组存储。
由于 java.util.Timer 的阻塞特性，一个 Timer 线程在阻塞时不会启动另一个同样的 Timer 线程，所以使用 ScheduledExecutorService 定时启动 Timer 线程。
ConcurrentHashMultiset
设计
上面介绍的请求合并都是将多个请求一次发送，下游服务器处理时本质上还是多个请求，最好的请求合并是在内存中进行，将请求结果简单合并成一个发送给下游服务器。如经常会遇到的需求：元素分值累加或数据统计，就可以先在内存中将某一项的分值或数据累加起来，定时请求数据库保存。
Guava 内就提供了这么一种数据结构：ConcurrentHashMultiset，它不同于普通的 set 结构存储相同元素时直接覆盖原有元素，而是给每个元素保持一个计数 count，插入重复时元素的 count 值加1。而且它在添加和删除时并不加锁也能保证线程安全，具体实现是通过一个 while(true) 循环尝试操作，直到操作够所需要的数量。
ConcurrentHashMultiset 这种排重计数的特性，非常适合数据统计这种元素在短时间内重复率很高的场景，经过排重后的数量计算，可以大大降低下游服务器的压力，即使重复率不高，能用少量的内存空间换取系统可用性的提高，也是很划算的。
实现
使用 ConcurrentHashMultiset 进行请求合并与使用普通容器在整体结构上并无太大差异，具体类似于： ```java if (ConcurrentHashMultiset.isEmpty()) { return; }

List transferList = Lists.newArrayList(); ConcurrentHashMultiset.elementSet().forEach(request -> { int count = ConcurrentHashMultiset.count(request); if (count <= 0) { return; }

transferList.add(count == 1 ? request : new Request(request.getIncrement() * count));
ConcurrentHashMultiset.remove(request, count);

}); ```

小结

最后总结一下各个技术适用的场景：

hystrix collapser: 需要每个请求的结果，并且不在意每个请求的 cost 会增加；
BatchCollapser: 不在意请求的结果，需要请求合并能在时间和数量两个维度上触发；
ConcurrentHashMultiset：请求重复率很高的统计类场景；

另外，如果选择自己来实现的话，完全可以将 BatchCollapser 和 ConcurrentHashMultiset 结合一下，在BatchCollapser 里使用 ConcurrentHashMultiset 作为容器，这样就可以结合两者的优势了。