【设计模式】JAVA Design Patterns——Circuit Breaker（断路器模式）
🔍目的
以这样一种方式处理昂贵的远程服务调用，即单个服务/组件的故障不会导致整个应用程序宕机，我们可以尽快重新连接到服务
🔍解释
真实世界例子
想象一个 Web 应用程序，它同时具有用于获取数据的本地文件/图像和远程服务。 这些远程服务有时可能健康且响应迅速，或者由于各种原因可能在某 个时间点变得缓慢和无响应。因此，如果其中一个远程服务缓慢或未成功响应，我们的应用程序将尝试使用多个线程/进程从远程服务获取响应，很快它们都会挂起（也称为 [线程饥饿]thread starvationopen in new window)导致我们的整个 Web 应用程序崩溃。我们应该能够检测到这种情况并向用户显示适当的消息，以便他/她可以探索不受远程服务故障影响的应用程序的其他部分。 同时，其他正常工作的服务应保持正常运行，不受此故障的影响。
通俗描述
断路器允许优雅地处理失败的远程服务。当我们应用程序的所有部分彼此高度解耦时，它特别有用，一个组件的故障并不意味着其他部分将停止工作。
维基百科
断路器是现代软件开发中使用的一种设计模式。 它用于检测故障并封装防止故障不断重复发生、维护期间、临时外部系统故障或意外系统困难的逻辑。
程序示例
So, how does this all come together? With the above example in mind we will imitate the
functionality in a simple example. A monitoring service mimics the web app and makes both local and remote calls.
在一个简单的例子中模仿这个功能。 监控服务模仿 Web 应用程序并进行本地和远程调用。
最终用户程序
@Slf4j
public class App {
private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(App.class);
/**
* Program entry point.
*
* @param args command line args
*/
public static void main(String[] args) {
var serverStartTime = System.nanoTime();
var delayedService = new DelayedRemoteService(serverStartTime, 5);
var delayedServiceCircuitBreaker = new DefaultCircuitBreaker(delayedService, 3000, 2,
2000 * 1000 * 1000);
var quickService = new QuickRemoteService();
var quickServiceCircuitBreaker = new DefaultCircuitBreaker(quickService, 3000, 2,
2000 * 1000 * 1000);
// 创建一个可以进行本地和远程调用的监控服务对象
var monitoringService = new MonitoringService(delayedServiceCircuitBreaker,
quickServiceCircuitBreaker);
// 获取本地资源
LOGGER.info(monitoringService.localResourceResponse());
// 从延迟服务中获取响应 2 次，以满足失败阈值
LOGGER.info(monitoringService.delayedServiceResponse());
LOGGER.info(monitoringService.delayedServiceResponse());
// 在超过故障阈值限制后获取延迟服务断路器的当前状态
// 现在是打开状态
LOGGER.info(delayedServiceCircuitBreaker.getState());
// 同时，延迟服务宕机，从健康快速服务获取响应
LOGGER.info(monitoringService.quickServiceResponse());
LOGGER.info(quickServiceCircuitBreaker.getState());
// 等待延迟的服务响应
try {
LOGGER.info("Waiting for delayed service to become responsive");
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 检查延时断路器的状态，应该是HALF_OPEN
LOGGER.info(delayedServiceCircuitBreaker.getState());
// 从延迟服务中获取响应，现在应该是健康的
LOGGER.info(monitoringService.delayedServiceResponse());
// 获取成功响应后，它的状态应该是关闭。
LOGGER.info(delayedServiceCircuitBreaker.getState());
}
}
监控服务类
public class MonitoringService {
private final CircuitBreaker delayedService;
private final CircuitBreaker quickService;
public MonitoringService(CircuitBreaker delayedService, CircuitBreaker quickService) {
this.delayedService = delayedService;
this.quickService = quickService;
}
// 假设：本地服务不会失败，无需将其包装在断路器逻辑中
public String localResourceResponse() {
return "Local Service is working";
}
/**
* Fetch response from the delayed service (with some simulated startup time).
*
* @return response string
*/
public String delayedServiceResponse() {
try {
return this.delayedService.attemptRequest();
} catch (RemoteServiceException e) {
return e.getMessage();
}
}
/**
* Fetches response from a healthy service without any failure.
*
* @return response string
*/
public String quickServiceResponse() {
try {
return this.quickService.attemptRequest();
} catch (RemoteServiceException e) {
return e.getMessage();
}
}
}
直接调用获取本地资源，但它将对远程（昂贵）服务的调用包装在断路器对象中，防止故障如下：
public class DefaultCircuitBreaker implements CircuitBreaker {
private final long timeout;
private final long retryTimePeriod;
private final RemoteService service;
long lastFailureTime;
private String lastFailureResponse;
int failureCount;
private final int failureThreshold;
private State state;
private final long futureTime = 1000 * 1000 * 1000 * 1000;
/**
* Constructor to create an instance of Circuit Breaker.
*
* @param timeout Timeout for the API request. Not necessary for this simple example
* @param failureThreshold Number of failures we receive from the depended service before changing
* state to 'OPEN'
* @param retryTimePeriod Time period after which a new request is made to remote service for
* status check.
*/
DefaultCircuitBreaker(RemoteService serviceToCall, long timeout, int failureThreshold,
long retryTimePeriod) {
this.service = serviceToCall;
// 我们从关闭状态开始希望一切都是正常的
this.state = State.CLOSED;
this.failureThreshold = failureThreshold;
// API的超时时间.
// 用于在超过限制时中断对远程资源的调用
this.timeout = timeout;
this.retryTimePeriod = retryTimePeriod;
//An absurd amount of time in future which basically indicates the last failure never happened
this.lastFailureTime = System.nanoTime() + futureTime;
this.failureCount = 0;
}
// 重置所有
@Override
public void recordSuccess() {
this.failureCount = 0;
this.lastFailureTime = System.nanoTime() + futureTime;
this.state = State.CLOSED;
}
@Override
public void recordFailure(String response) {
failureCount = failureCount + 1;
this.lastFailureTime = System.nanoTime();
// Cache the failure response for returning on open state
this.lastFailureResponse = response;
}
// 根据 failureThreshold、failureCount 和 lastFailureTime 评估当前状态。
protected void evaluateState() {
if (failureCount >= failureThreshold) { //Then something is wrong with remote service
if ((System.nanoTime() - lastFailureTime) > retryTimePeriod) {
// 我们已经等得够久了，应该尝试检查服务是否已启动
state = State.HALF_OPEN;
} else {
// 服务可能仍会出现故障
state = State.OPEN;
}
} else {
// 一切正常
state = State.CLOSED;
}
}
@Override
public String getState() {
evaluateState();
return state.name();
}
/**
* Break the circuit beforehand if it is known service is down Or connect the circuit manually if
* service comes online before expected.
*
* @param state State at which circuit is in
*/
@Override
public void setState(State state) {
this.state = state;
switch (state) {
case OPEN -> {
this.failureCount = failureThreshold;
this.lastFailureTime = System.nanoTime();
}
case HALF_OPEN -> {
this.failureCount = failureThreshold;
this.lastFailureTime = System.nanoTime() - retryTimePeriod;
}
default -> this.failureCount = 0;
}
}
/**
* Executes service call.
*
* @return Value from the remote resource, stale response or a custom exception
*/
@Override
public String attemptRequest() throws RemoteServiceException {
evaluateState();
if (state == State.OPEN) {
// 如果电路处于打开状态，则返回缓存的响应
return this.lastFailureResponse;
} else {
// 如果电路未打开，则发出 API 请求
try {
//在实际应用程序中，这将在线程中运行，并且将利用断路器的超时参数来了解服务
// 是否正在工作。 在这里，我们根据服务器响应本身模拟
var response = service.call();
// api 响应正常，重置所有。
recordSuccess();
return response;
} catch (RemoteServiceException ex) {
recordFailure(ex.getMessage());
throw ex;
}
}
}
}
我们可以通过上述实现这个有限状态机
1.使用某些参数初始化断路器对象：timeout，failureThreshold 和 retryTimePeriod，这有助于确定 API 的弹性。
2.最初，我们处于“关闭”状态，没有发生对 API 的远程调用。
3.每次调用成功时，我们都会将状态重置为开始时的状态。
4.如果失败次数超过某个阈值，我们将进入“open”状态，这就像开路一样，阻止远程服务调用，从而节省资源。 （这里，我们从 API 返回名为 stale response 的响应）
5.一旦超过重试超时时间，我们就会进入“半开”状态并再次调用远程服务以检查服务是否正常工作，以便我们可以提供新鲜内容。 失败将其设置回“打开”状态，并在重试超时时间后进行另一次尝试，而成功将其设置为“关闭”状态，以便一切重新开始正常工作
🔍类图
🔍适用场景
在以下情况下使用断路器模式
- 构建一个容错应用程序，其中某些服务的故障不应导致整个应用程序宕机。
- 构建一个持续运行（永远在线）的应用程序，这样它的组件就可以在不完全关闭的情况下升级。
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