从本章开始，我将介绍分布式系统中与 可扩展 这一特性息息相关的一些开源框架的基本架构和核心原理。本章，我们先来看下Dubbo这个分布式RPC框架。
在分布式理论系列中，我已经讲过了服务化拆分，读者可以先去回顾一下。目前，业界最常用的开源RPC通信框架有Dubbo和Thrift。读者在阅读本章的过程中可以参考Dubbo官方文档：http://dubbo.apache.org/zh-cn/docs/user/quick-start.html。
一、基本架构
我们先来看看Dubbo的基本架构：
在使用dubbo的过程中，与客户端直接交互的有以下五类节点：
| 节点 | 角色说明 |
|---|---|
| Provider | 服务提供方 |
| Consumer | 服务消费方 |
| Registry | 服务注册与发现的注册中心 |
| Monitor | 统计服务的调用次数和调用时间的监控中心 |
| Container | 服务运行容器 |
1.1 框架使用流程
Dubbo框架的使用流程大致如下：
- 服务容器负责启动、加载、运行服务提供者；
- 服务提供者在启动时，向注册中心注册自己提供的服务；
- 服务消费者在启动时，向注册中心订阅自己所需的服务；
- 注册中心将服务提供者的地址列表返回给消费者，如果有变更，注册中心将基于长连接推送变更数据给消费者；
- 服务消费者，从提供者地址列表中，基于软负载均衡算法，选一个服务提供者进行调用，如果调用失败，再选另一个调用；
- 服务消费者和提供者，在内存中累计调用次数和调用时间，每分钟发送一次统计数据到监控中心。
1.2 服务调用流程
下图是Dubbo服务调用过程的抽象，我们以一次Dubbo请求来看下基本的流程：
- 首先，服务消费者通过代理对象 Proxy 发起远程调用；
- 接着通过网络客户端 Client 将编码后的请求发送给服务提供方的网络层上，也就是 Server；
- Server 在收到请求后，首先要做的事情是对数据包进行解码，然后将解码后的请求发送至分发器 Dispatcher；
- 分发器将请求派发到指定的线程池上，由线程池调用具体的服务。
读者可以先对一次服务调用的流程有个初步印象，后面我将细化分析底层的原理。
二、底层原理
在开始分析dubbo的底层原理之前，先看下dubbo官网的这张图：
- 图中左边淡蓝背景的，为服务消费方使用的核心接口；右边淡绿色背景的，为服务提供方使用的核心接口；位于中轴线上的，为双方都用到的接口。
- 图中从下至上分为十层，各层均为单向依赖；右边的黑色箭头，代表层之间的依赖关系，每一层都可以剥离上层被复用；其中Service 和 Config 层为 API，其它各层均为 SPI（什么是SPI？参考下一章）。
- 图中的绿色小块，表示接口，蓝色小块表示实现类，图中只显示用于关联各层的实现类。
- 图中的蓝色虚线，为初始化过程，即启动时组装链；红色实线，为方法调用过程，即运行时调时链；紫色三角箭头为继承，可以把子类看作父类的同一个节点，线上的文字为调用的方法。
可以看到，dubbo是一种典型的分层架构，各层的主要功能如下：
- config 配置层 ：对外配置接口，以
ServiceConfig和ReferenceConfig为中心，可以直接初始化配置类，也可以通过 spring 解析配置文件来生成配置类。 - proxy 服务代理层 ：服务接口透明代理，生成服务提供者的客户端 Stub 和服务器端 Skeleton, 以
ServiceProxy为中心，扩展接口为ProxyFactory。 - registry 注册中心层 ：封装服务注册与服务发现功能，以服务 URL 为中心，扩展接口为
RegistryFactory,Registry,RegistryService。 - cluster 路由层 ：为多个服务提供者封装路由及负载均衡，并桥接注册中心，以
Invoker为中心，扩展接口为Cluster,Directory,Router,LoadBalance。 - monitor 监控层 ：RPC 调用次数和调用时间监控，以
Statistics为中心，扩展接口为MonitorFactory,Monitor,MonitorService。 - protocol 远程调用层 ：封装 RPC 调用，以
Invocation,Result为中心，扩展接口为Protocol,Invoker,Exporter。 - exchange 信息交换层 ：封装请求响应模式，同步转异步，以
Request,Response为中心，扩展接口为Exchanger,ExchangeChannel,ExchangeClient,ExchangeServer。 - transport 网络传输层 ：抽象 mina 和 netty 为统一接口，以
Message为中心，扩展接口为Channel,Transporter,Client,Server,Codec。 - serialize 数据序列化层 ：可复用的一些工具，扩展接口为
Serialization,ObjectInput,ObjectOutput,ThreadPool。
我知道，很多读者看到这里基本已经晕了，没关系，我会通过一次dubbo请求调用，来分析下dubbo的整个工作流程，逐一剖析各层的作用：
2.1 服务注册/发现
首先，dubbo要正常运行，需要包含三个最基本的组件：
- 服务提供者
- 服务消费者
- 注册中心
服务提供者，向注册中心注册自身的服务地址和端口，这一过程叫做服务注册。
服务消费者，从注册中心拉取一份服务提供者的列表，保存在本地，这一个过程叫做服务发现。
服务提供者和服务消费者就是service层，注册中心就是registry层。
2.2 接口代理
服务消费者并不是直接去调用服务提供者的接口，proxy服务代理层会为接口自动生成代理对象。该代理对象会通过cluster路由层根据软负载均衡算法，选择合适的服务提供者。
集群
Dubbo 在Cluster路由层定义了集群接口 Cluster 以及 Cluster Invoker。集群 Cluster 是将多个服务提供者合并为一个 Cluster Invoker，并将这个 Invoker 暴露给服务消费者。这样一来，消费者只需通过这个 Invoker 进行远程调用即可，至于具体调用哪个服务提供者，以及调用失败后如何处理等问题，都交给集群模块去处理。
所以，集群模块可以看成服务提供者（Provider）和服务消费者（Consumer）的中间层，为消费者屏蔽了服务提供者的情况，这样消费者就可以专心处理远程调用相关事宜，比如发请求，接受服务提供者返回的数据等，这就是集群模块的作用。
Cluster路由层的所有组件见上图，包含 Cluster、Cluster Invoker、Directory、Router 和 LoadBalance 等。 其工作过程可分为两个阶段：
- 在服务消费者初始化期间，集群 Cluster 实现类为消费者创建 Cluster Invoker 实例，即上图中的 merge 操作；
- 在服务消费者进行远程调用时，以 FailoverClusterInvoker 为例，该类型 Cluster Invoker 首先会调用 Directory（Directory 的用途是保存 Invoker） 的 list 方法列举 Invoker 列表（可将 Invoker 简单理解为服务提供者），当 FailoverClusterInvoker 拿到 Directory 返回的 Invoker 列表后，通过 LoadBalance 从列表中选择一个 Invoker。最后 FailoverClusterInvoker 会将参数传给选出的 Invoker 实例的 invoker 方法，进行真正的远程调用。
集群容错策略
对于服务消费者来说，同一环境下可能有多个服务提供者，消费者需要决定当某个服务调用失败时该如何处理，是重试，还是抛出异常，亦或是只打印异常等。这种处理措施，就是集群容错策略。
Dubbo 根据容错策略提供了多种集群实现：
- Failover Cluster：失败自动切换，自动重试其他机器，默认就是这个，常见于读操作
- Failfast Cluster：快速失败，一次调用失败就立即失败，常见于写操作
- Failsafe Cluster：失败安全，出现异常时忽略掉，常用于不重要的接口调用，比如记录日志
- Failback Cluster：失败自动恢复，失败了后台自动记录请求，然后定时重发，比较适合于写消息队列这种
- Forking Cluster：并行调用多个服务提供者，并行调用多个provider，只要一个成功就立即返回
- Broadcacst Cluster：逐个调用所有的provider
负载均衡
Cluster路由层包括一个LoadBalance组件，主要用作出现多个服务提供者时的客户端负载均衡，具体的负载均衡算法，后续小节专门讲解。
2.3 协议选择
代理对象创建完成后，还需要进行请求协议的选择，Dubbo支持dubbo、rmi、hessian、http等协议，protocol层会根据配置完成协议的选择。
2.4 封装请求
接着，Exchange信息交换层会对请求进行封装，最终会将请求封装成Dubbo的Request对象。
2.5 网络通信
真正发起请求是在 Transport 网络传输层，该层其实就是一个基于netty/mina实现的Server：
以Netty为例，Netty底层采用了I/O 多路复用模型，基本通信原理如下：
- 首先，服务提供者端，Netty会有一个Acceptor线程，通过
selector这个多路复用函数去轮询监听Server Socket——ServerSocketChannel 的各种网络事件； - 服务消费者端，如果发起建立连接请求，被Acceptor线程监听到后，会在Server端自动生成对应的SocketChannel；
- 服务端的Processor线程会去轮询SocketChannel，查看对应的消费者有没有发生请求过来，如果有请求，则解析出来交给服务提供者处理；
- 服务消费者端，对于响应的处理也一样，会有一个工作线程去轮询客户端的SocketChannel，解析后交给消费者处理。
2.6 序列化
网络数据均以二进制进行传输，所以需要对请求的数据进行序列化，序列化的工作在Serialize数据序列化层完成。
2.7 接受请求
服务提供者，接收请求时，也是靠的transport 网络传输层，首先进行反序列化，然后解析出Request，按照协议格式再次解析，交给动态代理对象处理。
三、通信协议
上一节中，我们提到Protocol 协议层负责通信协议的选择，本节来看下Dubbo提供了哪些协议。
3.1 dubbo
dubbo缺省协议，采用单一长连接和NIO异步通讯，适合于小数据量大并发的服务调用，以及服务消费者机器数远大于服务提供者机器数的情况。不适合传送大数据量的服务，比如传文件，传视频等，除非请求量很低。
思考一下为什么 dubbo:// 适合高并发小数据量的场景？
在大多数场景下，服务的现状都是服务提供者少、服务消费者多，一个服务提供者通常可以满足20个左右服务消费者的并发调用 。
如果每天调用量为亿量级，那长连接是最合适的，因为此时每个服务消费者维持一个长连接就可以，可能总共就100个连接，然后直接基于长连接NIO异步通信，就可以支撑高并发请求。否则，如果上亿次请求每次都是短连接的话，相当于每个请求都要建立一次连接，系统开销会非常大。
另一方面，由于是单一长连接，所以传输数据量太大的话，会导致并发能力降低（数据量大可能导致网络阻塞）。
缺省协议，使用基于mina1.1.7+hessian3.2.1的tbremoting交互。
连接个数：单连接
连接方式：长连接
传输协议：TCP
传输方式：NIO异步传输
序列化：Hessian二进制序列化
适用范围：传入传出参数数据包较小（建议小于100K），消费者比提供者个数多，单一消费者无法压满提供者，尽量不要用dubbo协议传输大文件或超大字符串
适用场景：常规远程服务方法调用
3.2 hessian
Hessian协议用于集成Hessian的服务，Hessian底层采用Http通讯，采用Servlet暴露服务，Dubbo缺省内嵌Jetty作为服务器实现基于Hessian的远程调用协议。
连接个数：多连接
连接方式：短连接
传输协议：HTTP
传输方式：同步传输
序列化：Hessian二进制序列化
适用范围：传入传出参数数据包较大，提供者比消费者个数多，提供者压力较大，可传文件
适用场景：页面传输，文件传输，或与原生hessian服务互操作
3.3 http
采用Spring的HttpInvoker实现。
连接个数：多连接
连接方式：短连接
传输协议：HTTP
传输方式：同步传输
序列化：表单序列化（JSON）
适用范围：传入传出参数数据包大小混合，提供者比消费者个数多，可用浏览器查看，可用表单或URL传入参数，暂不支持传文件
适用场景：需同时给应用程序和浏览器JS使用的服务
3.4 rmi
RMI协议采用 JDK 标准的java.rmi.*实现，采用阻塞式短连接和JDK标准序列化方式。
连接个数：多连接
连接方式：短连接
传输协议：TCP
传输方式：同步传输
序列化：Java标准二进制序列化
适用范围：传入传出参数数据包大小混合，消费者与提供者个数差不多，可传文件
适用场景：常规远程服务方法调用，与原生RMI服务互操作
3.5 webservice
基于WebService的远程调用协议 。
连接个数：多连接
连接方式：短连接
传输协议：HTTP
传输方式：同步传输
序列化：SOAP文本序列化
适用场景：系统集成，跨语言调用
3.6 thrift
Thrift是一个轻量级、跨语言的远程服务调用框架，最初由Facebook开发，后面进入Apache开源项目。它通过自身的IDL中间语言, 并借助代码生成引擎生成各种主流语言的RPC服务端/客户端模板代码。
当前 dubbo 支持的 thrift 协议是对 thrift 原生协议的扩展，在原生协议的基础上添加了一些额外的头信息，比如service name，magic number等。
四、负载均衡
关于负载均衡，我已经在基础篇里介绍过了，本节主要来看下Dubbo中的负载均衡。Dubbo的负载均衡是Cluster 路由层提供的功能之一。
Dubbo 需要对Consumer的调用请求进行分配，避免少数Provider负载过大。 Dubbo采用的负载均衡属于软负载均衡中的 进程内负载均衡 。
所谓进程内负载均衡，指服务消费者自己根据服务提供者的地址列表，选择其中一个发起调用，如果调用失败，再选另一台调用。
Dubbo 提供了4种负载均衡算法实现：
- RandomLoadBalance：基于权重的随机算法；
- LeastActiveLoadBalance：基于最少活跃调用数算法；
- ConsistentHashLoadBalance：基于一致性 hash 算法；
- RoundRobinLoadBalance：基于加权轮询算法。
4.1 Random Load Balance
默认情况下，dubbo是使用random load balance算法，可以对provider不同实例设置不同的权重，会按照权重来负载均衡，权重越大分配流量越高，一般就用这个默认的就可以了。
4.2 Roundrobin Load Balance
该算法就是简单的轮询，但是如果各个机器的性能不一样，容易导致性能差的机器负载过高。所以此时需要调整权重，让性能差的机器承载权重小一些，流量少一些。
4.3 Leastactive Load Balance
这个就是自动感知算法，如果某台机器性能很差，那么接收的请求就越少，越不活跃，此时就会给该机器分配更少的调用请求。
4.4 Consistant Hash Load Balance
一致性Hash算法，相同key的请求一定分发到同一个provider上去，provider挂掉的时候，会基于虚拟节点均匀分配剩余的流量，抖动不会太大。如果你需要将一类请求映射到同一个Provider，那就用这个算法。
五、总结
本章，我介绍了Dubbo这一分布式RPC框架的基本架构和底层原理。
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