日處理200億+調(diào)用，單機(jī)QPS高峰達(dá)到4萬(wàn)+，喜馬拉雅自研 API 網(wǎng)關(guān)架構(gòu)實(shí)踐

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網(wǎng)關(guān)是一個(gè)比較成熟了的產(chǎn)品，基本上各大互聯(lián)網(wǎng)公司都會(huì)有網(wǎng)關(guān)這個(gè)中間件，來(lái)解決一些公有業(yè)務(wù)的上浮，而且能快速的更新迭代，如果沒(méi)有網(wǎng)關(guān)，要更新一個(gè)公有特性，就要推動(dòng)所有業(yè)務(wù)方都更新和發(fā)布，那是效率極低的事，有網(wǎng)關(guān)后，這一切都變得不是問(wèn)題，喜馬拉雅也是一樣，用戶數(shù)增長(zhǎng)達(dá)到6億多的級(jí)別，Web服務(wù)個(gè)數(shù)達(dá)到500+，目前我們網(wǎng)關(guān)日處理200億加次調(diào)用，單機(jī)QPS高峰達(dá)到4w+。

網(wǎng)關(guān)除了要實(shí)現(xiàn)最基本的功能反向代理外，還有公有特性，比如黑白名單，流控，鑒權(quán)，熔斷，API發(fā)布，監(jiān)控和報(bào)警等，我們還根據(jù)業(yè)務(wù)方的需求實(shí)現(xiàn)了流量調(diào)度，流量Copy，預(yù)發(fā)布，智能化升降級(jí)，流量預(yù)熱等相關(guān)功能，下面就我們網(wǎng)關(guān)在這些方便的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及發(fā)展歷程，下面是喜馬拉雅網(wǎng)關(guān)的演化過(guò)程：

第一版 Tomcat nio + AsyncServlet

網(wǎng)關(guān)在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)最為關(guān)鍵點(diǎn)，就是網(wǎng)關(guān)在接收到請(qǐng)求，調(diào)用后端服務(wù)時(shí)不能阻塞Block，否則網(wǎng)關(guān)的吞吐量很難上去，因?yàn)樽詈臅r(shí)的就是調(diào)用后端服務(wù)這個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)用過(guò)程，如果這里是阻塞的，那你的tomcat的工作線程都block主了，在等待后端服務(wù)響應(yīng)的過(guò)程中，不能去處理其他的請(qǐng)求,這個(gè)地方一定要異步

架構(gòu)圖如下：

這版我們實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的Push層，作為網(wǎng)關(guān)收到響應(yīng)后，響應(yīng)客戶端時(shí)，通過(guò)這層實(shí)現(xiàn)，和后端服務(wù)的通信是HttpNioClient，對(duì)業(yè)務(wù)的支持黑白名單，流控，鑒權(quán)，API發(fā)布等功能，這版只是功能上達(dá)到網(wǎng)關(guān)的邀請(qǐng)，但是處理能力很快就成了瓶頸，單機(jī)qps到5k的時(shí)候，就會(huì)不停的full gc，后面通過(guò)dump 線上的堆分析，發(fā)現(xiàn)全是tomcat緩存了很多http的請(qǐng)求，因?yàn)閠omcat默認(rèn)會(huì)緩存200個(gè)requestProcessor，每個(gè)prcessor都關(guān)聯(lián)了一個(gè)request，還有就是servlet3.0 tomcat的異步實(shí)現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，后面通過(guò)減少這個(gè)配置，效果明顯。但性能肯定就下降了，總結(jié)了下，基于tomcat做為接入端，有如下幾個(gè)問(wèn)題：

Tomcat自身的問(wèn)題

• 緩存太多，tomcat用了很多對(duì)象池技術(shù)，內(nèi)存有限的情況下，流量一高很容易觸發(fā)gc。
• 內(nèi)存copy，tomcat的默認(rèn)是用堆內(nèi)存，所以數(shù)據(jù)需要讀到堆內(nèi)，而我們后端服務(wù)是netty，有堆外內(nèi)存，需要通過(guò)數(shù)次copy。
• tomcat 還有個(gè)問(wèn)題是讀body是阻塞的,tomcat 的nio模型和reactor模型不一樣，讀body是block的。

HttpNioClient的問(wèn)題

• 獲取和釋放鏈接都需要加鎖，對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)這樣的代理服務(wù)場(chǎng)景，會(huì)頻繁的建鏈和關(guān)閉鏈接，勢(shì)必會(huì)影響性能。

基于tomcat的存在的這些問(wèn)題，我們后面對(duì)接入端做改造，用Netty做接入層和服務(wù)調(diào)用層，也就是我們的第二版，能徹底解決上面的問(wèn)題，達(dá)到理想的性能。

第二版 Netty + 全異步

基于Netty的優(yōu)勢(shì)，我們實(shí)現(xiàn)了全異步，無(wú)鎖，分層的架構(gòu)

先看下我們基于Netty做接入端的架構(gòu)圖

接入層

Netty的io線程，負(fù)責(zé)http協(xié)議的編解碼工作，同時(shí)對(duì)協(xié)議層面的異常做監(jiān)控報(bào)警

對(duì)http協(xié)議的編解碼做了優(yōu)化，對(duì)異常，攻擊性請(qǐng)求監(jiān)控可視化，比如我們對(duì)http的請(qǐng)求行和請(qǐng)求頭大小是有限制的，tomcat是請(qǐng)求行和請(qǐng)求加在一起，不超過(guò)8k，netty是分別有大小限制，假如客戶端發(fā)送了超過(guò)閥值的請(qǐng)求，帶cookie的請(qǐng)求很容易超過(guò)，正常情況下，netty就直接響應(yīng)400給客戶端，經(jīng)過(guò)改造后，我們只取正常大小的部分，同時(shí)標(biāo)記協(xié)議解析失敗，到業(yè)務(wù)層后，就可以判斷出是那個(gè)服務(wù)出現(xiàn)這類問(wèn)題，其他的一些攻擊性的請(qǐng)求，比如只發(fā)請(qǐng)求頭，不發(fā)body/或者發(fā)部分這些都需要監(jiān)控和報(bào)警。

業(yè)務(wù)邏輯層

負(fù)責(zé)對(duì)API路由，流量調(diào)度等一序列的支持業(yè)務(wù)的公有邏輯，都在這層實(shí)現(xiàn)，采樣責(zé)任鏈模式，這層不會(huì)有io操作。

在業(yè)界和一些大廠的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，業(yè)務(wù)邏輯層基本都是設(shè)計(jì)成責(zé)任鏈模式，公有的業(yè)務(wù)邏輯也在這層實(shí)現(xiàn)，我們?cè)谶@層也是相同的套路，支持了：

• 用戶鑒權(quán)和登陸校驗(yàn) ，支持接口級(jí)別配置
• 黑白明單 ，分全局和應(yīng)用，以及ip維度，參數(shù)級(jí)別
• 流量控制 ，支持自動(dòng)和手動(dòng)，自動(dòng)是對(duì)超大流量自動(dòng)攔截，通過(guò)令牌桶算法實(shí)現(xiàn)
• 智能熔斷 ，在histrix的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，支持自動(dòng)升降級(jí)，我們是全部自動(dòng)的，也支持手動(dòng)配置立即熔斷，就是發(fā)現(xiàn)服務(wù)異常比例達(dá)到閥值，就自動(dòng)觸發(fā)熔斷
• 灰度發(fā)布 ，我對(duì)新啟動(dòng)的機(jī)器的流量支持類似tcp的慢啟動(dòng)機(jī)制，給 機(jī)器一個(gè)預(yù)熱的時(shí)間窗口
• 統(tǒng)一降級(jí) ，我們對(duì)所有轉(zhuǎn)發(fā)失敗的請(qǐng)求都會(huì)找統(tǒng)一降級(jí)的邏輯，只要業(yè)務(wù)方配了降級(jí)規(guī)則，都會(huì)降級(jí)，我們對(duì)降級(jí)規(guī)則是支持到參數(shù)級(jí)別的，包含請(qǐng)求頭里的值，是非常細(xì)粒度的，另外我們還會(huì)和varnish打通，支持varish的優(yōu)雅降級(jí)
• 流量調(diào)度 ，支持業(yè)務(wù)根據(jù)篩選規(guī)則，對(duì)流量篩選到對(duì)應(yīng)的機(jī)器，也支持只讓篩選的流量訪問(wèn)這臺(tái)機(jī)器，這在查問(wèn)題/新功能發(fā)布驗(yàn)證時(shí)非常用，可以先通過(guò)小部分流量驗(yàn)證再大面積發(fā)布上線。
• 流量copy ，我們支持對(duì)線上的原始請(qǐng)求根據(jù)規(guī)則copy一份，寫入到mq或者其他的upstream，來(lái)做線上跨機(jī)房驗(yàn)證和壓力測(cè)試。
• 請(qǐng)求日志采樣 ，我們對(duì)所有的失敗的請(qǐng)求都會(huì)采樣落盤，提供業(yè)務(wù)方排查問(wèn)題支持，也支持業(yè)務(wù)方根據(jù)規(guī)則進(jìn)行個(gè)性化采樣，我們采樣了整個(gè)生命周期的數(shù)據(jù)，包含請(qǐng)求和響應(yīng)相關(guān)的所有數(shù)據(jù)。

上面提到的這么多都是對(duì)流量的治理，我們每個(gè)功能都是一個(gè)filter，處理失敗都不影響轉(zhuǎn)發(fā)流程，而且所有的這些規(guī)則的元數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)時(shí)就會(huì)全部初始化好，在執(zhí)行的過(guò)程中，不會(huì)有IO操作，目前有些設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)多個(gè)filter做并發(fā)執(zhí)行，由于我們的都是內(nèi)存操作，開銷并不大，所以我們目前并沒(méi)有支持并發(fā)執(zhí)行，還有個(gè)就是規(guī)則會(huì)修改，我們修改規(guī)則時(shí)，會(huì)通知網(wǎng)關(guān)服務(wù)，做實(shí)時(shí)刷新，我們對(duì)內(nèi)部自己的這種元數(shù)據(jù)更新的請(qǐng)求，通過(guò)獨(dú)立的線程處理，防止io在操作時(shí)影響業(yè)務(wù)線程。

服務(wù)調(diào)用層

服務(wù)調(diào)用對(duì)于代理網(wǎng)關(guān)服務(wù)是關(guān)鍵的地方，一定需要異步，我們通過(guò)netty實(shí)現(xiàn),同時(shí)也很好的利用了netty提供的鏈接池，做到了獲取和釋放都是無(wú)鎖操作

異步Push

網(wǎng)關(guān)在發(fā)起服務(wù)調(diào)用后，讓工作線程繼續(xù)處理其他的請(qǐng)求，而不需要等待服務(wù)端返回，這里的設(shè)計(jì)是我們?yōu)槊總€(gè)請(qǐng)求都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)上下文，我們?cè)诎l(fā)完請(qǐng)求后，把該請(qǐng)求的context 綁定到對(duì)應(yīng)的鏈接上，等netty收到服務(wù)端響應(yīng)時(shí)，就會(huì)在給鏈接上執(zhí)行read操作，解碼完后，再?gòu)慕o鏈接上獲取對(duì)應(yīng)的context，通過(guò)context可以獲取到接入端的session，這樣push就通過(guò)session把響應(yīng)寫回客戶端了，這樣設(shè)計(jì)也是基于http的鏈接是獨(dú)占的，即鏈接可以和請(qǐng)求上下文綁定。

鏈接池

鏈接池的原理如下圖：

服務(wù)調(diào)用層除了異步發(fā)起遠(yuǎn)程調(diào)用外，還需要對(duì)后端服務(wù)的鏈接進(jìn)行管理，http不同于rpc，http的鏈接是獨(dú)占的，所以在釋放的時(shí)候要特別小心，一定要等服務(wù)端響應(yīng)完了才能釋放，還有就是鏈接關(guān)閉的處理也要小心，總結(jié)如下幾點(diǎn)：

• Connection:close
• 空閑超時(shí)，關(guān)閉鏈接
• 讀超時(shí)關(guān)閉鏈接
• 寫超時(shí)，關(guān)閉鏈接
• Fin,Reset

上面幾種需要關(guān)閉鏈接的場(chǎng)景，下面主要說(shuō)下Connection:close和空閑寫超時(shí)兩種，其他的應(yīng)該是比較常見(jiàn)的比如讀超時(shí)，鏈接空閑超時(shí)，收到fin，reset碼這幾個(gè)。

Connection:close

后端服務(wù)是tomcat，tomcat對(duì)鏈接重用的次數(shù)是有限制的，默認(rèn)是100次，當(dāng)達(dá)到100次后，tomcat會(huì)通過(guò)在響應(yīng)頭里添加Connection:close，讓客戶端關(guān)閉該鏈接，否則如果再用該鏈接發(fā)送的話，會(huì)出現(xiàn)400。

還有就是如果端上的請(qǐng)求帶了connection:close,那tomcat就不等這個(gè)鏈接重用到100次，即一次就關(guān)閉，通過(guò)在響應(yīng)頭里添加Connection:close，即成了短鏈接， 這個(gè)在和tomcat保持長(zhǎng)鏈接時(shí)，需要注意的，如果要利用，就要主動(dòng)remove掉這個(gè)close頭。

寫超時(shí)

首先網(wǎng)關(guān)什么時(shí)候開始計(jì)算服務(wù)的超時(shí)時(shí)間，如果從調(diào)用writeAndFlush開始就計(jì)算，這其實(shí)是包含了netty對(duì)http的encode時(shí)間和從隊(duì)列里把請(qǐng)求發(fā)出去即flush的時(shí)間，這樣是對(duì)后端服務(wù)不公平的，所以需要在真正flush成功后開始計(jì)時(shí)，這樣是和服務(wù)端最接近的，當(dāng)然還包含了網(wǎng)絡(luò)往返時(shí)間和內(nèi)核協(xié)議棧處理的時(shí)間，這個(gè)不可避免，但基本不變。

所以我們是flush成功回調(diào)后開始啟動(dòng)超時(shí)任務(wù)，這里就有個(gè)注意的地方，如果flush不能快速回調(diào)，比如來(lái)了一個(gè)大的post請(qǐng)求，body部分比較大，而netty發(fā)送的時(shí)候第一次默認(rèn)是發(fā)1k的大小，如果還沒(méi)有發(fā)完，則增大發(fā)送的大小繼續(xù)發(fā)，如果在netty在16次后還沒(méi)有發(fā)送完成，則不會(huì)再繼續(xù)發(fā)送，而是提交一個(gè)flushTask到任務(wù)隊(duì)列，待下次執(zhí)行到后再發(fā)送，這時(shí)flush回調(diào)的時(shí)間就比較大，導(dǎo)致這樣的請(qǐng)求不能及時(shí)關(guān)閉，而且后端服務(wù)tomcat會(huì)一直阻塞在讀body的地方，基于上面的分析，所以我們需要一個(gè)寫超時(shí)，對(duì)大的body請(qǐng)求，通過(guò)寫超時(shí)來(lái)及時(shí)關(guān)閉。

全鏈路超時(shí)機(jī)制

下面是我們?cè)谡麄€(gè)鏈路種一個(gè)超時(shí)處理的機(jī)制。

• 協(xié)議解析超時(shí)
• 等待隊(duì)列超時(shí)
• 建鏈超時(shí)
• 等待鏈接超時(shí)
• 寫前檢查是否超時(shí)
• 寫超時(shí)
• 響應(yīng)超時(shí)

監(jiān)控報(bào)警

網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)方能看到的是監(jiān)控和報(bào)警，我們是實(shí)現(xiàn)秒級(jí)別報(bào)警和秒級(jí)別的監(jiān)控，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)給我們的管理系統(tǒng)，由管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)聚合統(tǒng)計(jì)，落盤到influxdb

我們對(duì)http協(xié)議做了全面的監(jiān)控和報(bào)警，無(wú)論是協(xié)議層的還是服務(wù)層的

協(xié)議層

• 攻擊性請(qǐng)求，只發(fā)頭，不發(fā)/發(fā)部分body，采樣落盤，還原現(xiàn)場(chǎng)，并報(bào)警
• Line or Head or Body過(guò)大的請(qǐng)求，采樣落盤，還原現(xiàn)場(chǎng)，并報(bào)警

應(yīng)用層

• 耗時(shí)監(jiān)控，有慢請(qǐng)求，超時(shí)請(qǐng)求，以及tp99，tp999等
• qps監(jiān)控和報(bào)警
• 帶寬監(jiān)控和報(bào)警，支持對(duì)請(qǐng)求和響應(yīng)的行，頭，body單獨(dú)監(jiān)控。
• 響應(yīng)碼監(jiān)控，特別是400，和404
• 鏈接監(jiān)控,我們對(duì)接入端的鏈接，以及和后端服務(wù)的鏈接，后端服務(wù)鏈接上待發(fā)送字節(jié)大小也都做了監(jiān)控
• 失敗請(qǐng)求監(jiān)控
• 流量抖動(dòng)報(bào)警，這是非常有必要的，流量抖動(dòng)要么是出了問(wèn)題，要么就是出問(wèn)題的前兆。

總體架構(gòu)

性能優(yōu)化實(shí)踐

對(duì)象池技術(shù)

對(duì)于高并發(fā)系統(tǒng)，頻繁的創(chuàng)建對(duì)象不僅有分配內(nèi)存的開銷外，還有對(duì)gc會(huì)造成壓力，我們?cè)趯?shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)對(duì)頻繁使用的比如線程池的任務(wù)task，StringBuffer等會(huì)做寫重用，減少頻繁的申請(qǐng)內(nèi)存的開銷。

上下文切換

高并發(fā)系統(tǒng)，通常都采用異步設(shè)計(jì)，異步化后，不得不考慮線程上下文切換的問(wèn)題，我們的線程模型如下：

我們整個(gè)網(wǎng)關(guān)沒(méi)有涉及到io操作，但我們?cè)跇I(yè)務(wù)邏輯這塊還是和netty的io編解碼線程異步，是有兩個(gè)原因，1是防止開發(fā)寫的代碼有阻塞，2是業(yè)務(wù)邏輯打日志可能會(huì)比較多，在突發(fā)的情況下，但是我們?cè)趐ush線程時(shí)，支持用netty的io線程替代，這里做的工作比較少，這里有異步修改為同步后(通過(guò)修改配置調(diào)整)，cpu的上下文切換減少20%，進(jìn)而提高了整體的吞吐量，就是不能為了異步而異步，zull2的設(shè)計(jì)和我們的類似，

GC優(yōu)化

在高并發(fā)系統(tǒng)，gc的優(yōu)化不可避免，我們?cè)谟昧藢?duì)象池技術(shù)和堆外內(nèi)存時(shí)，對(duì)象很少進(jìn)入老年代，另外我們年輕代會(huì)設(shè)置的比較大，而且SurvivorRatio=2，晉升年齡設(shè)置最大15，盡量對(duì)象在年輕代就回收掉， 但監(jiān)控發(fā)現(xiàn)老年代的內(nèi)存還是會(huì)緩慢增長(zhǎng)，通過(guò)dump分析，我們每個(gè)后端服務(wù)創(chuàng)建一個(gè)鏈接，都時(shí)有一個(gè)socket，socket的AbstractPlainSocketImpl，而AbstractPlainSocketImpl就重寫了Object類的finalize方法，實(shí)現(xiàn)如下：

/**
 * Cleans up if the user forgets to close it.
 */
protected void finalize() throws IOException {
    close();
}

是為了我們沒(méi)有主動(dòng)關(guān)閉鏈接，做的一個(gè)兜底，在gc回收的時(shí)候，先把對(duì)應(yīng)的鏈接資源給釋放了,由于finalize的機(jī)制是通過(guò)jvm的Finalizer線程來(lái)處理的，而且Finalizer線程的優(yōu)先級(jí)不高，默認(rèn)是8，需要等到Finalizer線程把ReferenceQueue的對(duì)象對(duì)于的finalize方法執(zhí)行完，還要等到下次gc時(shí)，才能把該對(duì)象回收，導(dǎo)致創(chuàng)建鏈接的這些對(duì)象在年輕代不能立即回收，從而進(jìn)入了老年代，這也是為啥老年代會(huì)一直緩慢增長(zhǎng)的問(wèn)題。

日志

高并發(fā)下，特別是netty的io線程除了要執(zhí)行該線程上的io讀寫操作，還有執(zhí)行異步任務(wù)和定時(shí)任務(wù)，如果io線程處理不過(guò)來(lái)隊(duì)列里的任務(wù)，很有可能導(dǎo)致新進(jìn)來(lái)異步任務(wù)出現(xiàn)被拒絕的情況，那什么情況下可能呢，io是異步讀寫的問(wèn)題不大，就是多耗點(diǎn)cpu，最有可能block住io線程的是我們打的日志，目前l(fā)og4j的ConsoleAppender日志immediateFlush屬性默認(rèn)為true,即每次打log都是同步寫flush到磁盤的，這個(gè)對(duì)于內(nèi)存操作來(lái)說(shuō)，慢了很多，同時(shí)AsyncAppender的日志隊(duì)列滿了也會(huì)block住線程,log4j默認(rèn)的buffer大小是128，而且是block的，即如果buffer的大小達(dá)到128，就阻塞了寫日志的線程，在并發(fā)寫日志量大的的情況下，特別是堆棧很多時(shí)，log4j的Dispatcher線程會(huì)出現(xiàn)變慢要刷盤，這樣buffer就不能快速消費(fèi)，很容易寫滿日志事件，導(dǎo)致netty io線程block住，所以我們?cè)诖蛉罩緯r(shí)，也要注意精簡(jiǎn)。

未來(lái)規(guī)劃

現(xiàn)在我們都是基于http1，現(xiàn)在http2相對(duì)于http1關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)了在鏈接層面的服務(wù)，即一個(gè)鏈接上可以發(fā)送多個(gè)http請(qǐng)求，即http的鏈接也能和rpc的鏈接一樣，建幾個(gè)鏈接就可以了，徹底解決了http1鏈接不能復(fù)用導(dǎo)致每次都建鏈和慢啟動(dòng)的開銷，我們也在基于netty升級(jí)到http2,除了技術(shù)升級(jí)外，我們對(duì)監(jiān)控報(bào)警也一直在持續(xù)優(yōu)化，怎么提供給業(yè)務(wù)方準(zhǔn)確無(wú)誤的報(bào)警，也是一直在努力，還有一個(gè)就是降級(jí)，作為統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)，和業(yè)務(wù)方做好全方位的降級(jí)措施，也是一直在完善的點(diǎn)，保證全站任何故障都能通過(guò)網(wǎng)關(guān)第一時(shí)間降級(jí)，也是我們的重點(diǎn)。

總結(jié)

網(wǎng)關(guān)已經(jīng)是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)公司的標(biāo)配，這里總結(jié)實(shí)踐過(guò)程中的一些心得和體會(huì)，希望給大家一些參考以及一些問(wèn)題的解決思路，我們也還在不斷完善中，同時(shí)我們也在做多活的項(xiàng)目，感興趣的同學(xué)可以加入我們。