实现一个带并发限制与优先级调度的HTTP请求框架

sundial_dreams2023-10-05 19:07

前端与后端交互通常是靠HTTP请求，即GET请求和POST请求，向后端传递参数并获取后端的返回数据。然而，考虑到后端服务器压力，前端通常不会无限制地发起请求，也就是需要做并发限制，限制同一时刻能发起多少个请求；此外考虑到不同请求之间存在优先级关系，如各页面的首屏数据的请求通常优先级最高，需要尽早发起，而如AB实验、不重要数据的请求优先级较低，可以推迟发起。

定义请求数据

参考koa、express等服务端框架，将请求（request）和响应（response）封装到一个context中，以在框架中传递，如下：

typescript 复制代码 
// context.ts
type MethodType = 'GET' | 'POST';
export type RequestType = { // 请求类型
    url: string, // 请求url
    method: MethodType, // 请求的method
    params: Record<string, any>, // 请求参数
    priority?: number, // 请求优先级
    [key: string]: any // 其他属性，如header等
};

export type ResponseType = Record<string, any>; // 响应类型

export default class Context {
    public url: string;
    public method: MethodType;
    public request: RequestType;
    public response: ResponseType;
    constructor(url?: string, method: MethodType = 'GET', request: RequestType = null, response: ResponseType = null) {
        this.url = url;
        this.method = method;
        this.response = response;
        this.request = request;
    }
}

context主要包括request和response属性，其中request属性在发起请求前就可以知道，而response属性则需要在服务端响应后才能获得。

定义任务

构造一个任务（Task），将所有请求都封装到一个带有优先级的task中统一调度，代码如下：

typescript 复制代码 
// task.ts
import Context from "./context";

export type AsyncCallback = () => Promise<Context>;
export type ResolveCallback = (value: Context) => void;
export type RejectCallback = (err: Error) => void;

let id = 0;
export default class Task {
    private asyncCallback: AsyncCallback; // 封装的请求函数
    private resolveCallbacks: ResolveCallback[] = []; // 当asyncCallback有结果时触发
    private rejectCallbacks: RejectCallback[] = []; // 当asyncCallback出错时触发
    private id: number; // 任务id
    public priority: number; // 任务优先级
    public context: Context;

    constructor(callback: AsyncCallback, resolve: ResolveCallback, reject: RejectCallback, priority: number = 0, context: Context) {
        this.asyncCallback = callback;
        this.resolveCallbacks.push(resolve);
        this.rejectCallbacks.push(reject);
        this.priority = priority;
        this.id = Date.now() + (++id);
        this.context = context;
    }
    
}

其中，asyncCallback是需要调度的请求函数，resolveCallbacks和rejectCallbacks为观察者队列，当调用asyncCallback函数返回结果时触发；priority为任务的优先级，数值越大表示优先级越高，而id为任务的编号。执行该task也很简单，其run函数定义如下：

typescript 复制代码 
export default class Task {
    // Task.prototype.run
    public run() { // 运行任务，即运行asyncCallback得到返回结果
        return new Promise((resolve, reject) => {
            try {
                this.asyncCallback().then(value => {
                    this.resolveCallbacks.forEach(callback => callback(value));
                    resolve(value);
                }, error => {
                    this.rejectCallbacks.forEach(callback => callback(error));
                    reject(error);
                })
            } catch (e) {
                this.rejectCallbacks.forEach(callback => callback(e));
                reject(e);
            }
        })
    }
}

即执行asyncCallback，由于该函数返回一个Promise，故需要then一下拿到结果并触发resolveCallbacks中的所有回调函数；而函数调用出错时（then的第二个参数）则触发rejectCallbacks中的所有回调函数。

定义调度队列

有了task，那么就可以定义调度队列（queue）了。首先需要实现并发限制，故定义两种队列：running队列和waiting队列。其中，running队列表示正在运行中的task（具有容量capacity的限制），而waiting队列则表示running队列满了后需要等待的那些task，需要满足优先级顺序，即优先级越高的应该越早执行。两种任务队列及初始化函数定义如下：

typescript 复制代码 
// taskQueue.ts
import Task from "./task";

let runningQueue: Task[]; // running队列，存储运行中的task，有容量限制
let waitingQueue: Task[]; // waiting队列，存储待执行的task
let capacity: number; // 容量

// 初始化函数
export function initializer(cap: number) {
    capacity = cap;
    runningQueue = [];
    waitingQueue = [];
}

当添加task时，如果running队列没满，即runningQueue.length < capacity，则直接添加到running队列中，并立即执行该task：

typescript 复制代码 
export function addTask(task: Task) {
    if (runningQueue.length < capacity) {
        runningQueue.push(task);
        run(task);
    } else { // 任务队列满了，执行添加到waiting队列中的逻辑
        // 待实现
    }
}

而若running队列满了，则需要添加到waiting队列中。值得注意的是，waiting队列需要考虑task的优先级，让优先级越高的越早执行。为此，不妨实现一个大顶堆（Heap），来维护这种优先级关系。 代码实现：

typescript 复制代码 
// heap.ts
export type CompareType<T> = (a: T, b: T) => boolean;

const {floor: int} = Math;
// 数组内两个位置的值交换
function swap<T>(heap: T[], i: number, j: number) {
    [heap[i], heap[j]] = [heap[j], heap[i]];
}
// 向上调整，执行push的时候
function shiftUp<T>(heap: T[], i: number, compare: CompareType<T>) {
    while (i > 0 && compare(heap[i], heap[int(i / 2)])) {
        swap(heap, i, int(i / 2));
        i = int(i / 2);
    }
}

// 向下调整，执行pop的时候
function shiftDown<T>(heap: T[], i: number, compare: CompareType<T>) {
    while (i < heap.length) {
        let l = i * 2 + 1, r = l + 1, t = l;
        if (l >= heap.length) break;
        if (r < heap.length && compare(heap[r], heap[l])) t = r;
        if (compare(heap[i], heap[t])) break;
        swap(heap, i, t);
        i = t;
    }
}

export function push<T>(heap: T[], value: T, compare: CompareType<T>) {
    heap.push(value);
    shiftUp(heap, heap.length - 1, compare);
}

export function pop<T>(heap: T[], compare: CompareType<T>) {
    swap(heap, 0, heap.length - 1);
    const value = heap.pop();
    shiftDown(heap, 0, compare);
    return value;
}

export function peek<T>(heap: T[]) {
    return heap[0];
}

测试代码：

typescript 复制代码 
// 测试代码
const taskComparer: CompareType<Task> = (a, b) => a.priority > b.priority;

const heap: Task[] = [];
push(heap, new Task(async () => null, value => {}, err => {}, 1, null), taskComparer);
push(heap, new Task(async () => null, value => {}, err => {}, 5, null), taskComparer);
push(heap, new Task(async () => null, value => {}, err => {}, 3, null), taskComparer);
push(heap, new Task(async () => null, value => {}, err => {}, 2, null), taskComparer);
push(heap, new Task(async () => null, value => {}, err => {}, 0, null), taskComparer);
push(heap, new Task(async () => null, value => {}, err => {}, 5, null), taskComparer);

while (heap.length) {
    console.log("priority = ", pop(heap, taskComparer).priority);
}

这时，当running队列满了后需要添加至waiting队列，并考虑task的优先级时，只需要通过大顶堆的方式添加到waiting队列中即可：

typescript 复制代码 
const taskComparer: CompareType<Task> = (a, b) => a.priority > b.priority;

export function addTask(task: Task) {
    if (runningQueue.length < capacity) {
        runningQueue.push(task);
        run(task);
    } else { // 任务队列满了，执行添加到waiting队列中的逻辑
        push(waitingQueue, task, taskComparer);
    }
}

而run函数，则是调用task的run函数去执行当前task，并在task执行完毕后调用finished函数

typescript 复制代码 
function run(task: Task) {
    task.run().then(value => { // 调用task的run函数
        finished(task); // 执行完毕调用finished函数
    }, error => {
        finished(task);
    })
}

其中，finished函数实现如下：

typescript 复制代码 
function finished(task: Task) {
    let index: number;
    // 从running队列中移除这个执行完的task
    if (runningQueue.length && (index = runningQueue.indexOf(task)) !== -1)
        runningQueue.splice(index, 1);

    // 从waiting队列中获取若干个task，扔到running队列中执行
    while (runningQueue.length < capacity && waitingQueue.length)
        addTask(pop(waitingQueue, taskComparer))
}

其逻辑也很清晰，即从running队列中移除这个已经执行完的task，并将waiting队列中优先级比较高的task取出来添加到running堆列中执行。

上述是一个非常简单的实现，但足以应付并发限制的场景；而如果考虑请求限流的话，还需要额外添加一个pending队列去处理需要限流的task，即通过setTimeout去推迟该task的执行，这个比较绕，以后再写～

此外，通过堆的方式去维护task的优先级会存在一直插入高优先级的task导致低优先级task没法执行的情况，这个需要看是否存在这个场景，如果有这种场景那么就需要使用插入排序的方式，将waiting队列维护成一个按优先级降序排序的队列，这样可以很方便的去修改低优先级task的优先级。

定义拦截器

上述调度队列已经给出了请求的运行框架，但在实现请求框架前，不妨定义拦截器（Interceptor）。拦截器对应着中间件设计模式（职责链模式），添加拦截器可以对request进行处理，如添加公共参数、登录token校验、请求加密、添加额外的请求头等；也可以处理response，如数据格式转换、统一的错误处理、性能上报等等。一个带有请求拦截器和响应拦截器的处理过程如下图所示：

拦截器代码实现如下：

typescript 复制代码 
import Context from "./context";

// interceptor.ts
export interface InterceptorCallback<T = unknown> { // 拦截器函数定义
    (param: T): Promise<T>
}

export default class Interceptor<T = unknown> {
    private list: InterceptorCallback<T>[] = [];
    public use(interceptorCallback: InterceptorCallback<T> | InterceptorCallback<T>[]) { // 添加拦截器
        if (Array.isArray(interceptorCallback)) {
            this.list.push(...interceptorCallback);
            return;
        }
        this.list.push(interceptorCallback);
    }
    public remove(interceptorCallback: InterceptorCallback<T>) { // 移除一个拦截器
        let index: number;
        if ((index = this.list.indexOf(interceptorCallback)) !== -1)
            this.list.splice(index, 1);
    }
    public async execute(param: T): Promise<T> { // 执行所有的拦截器
        for (let callback of this.list) {
            param = await callback(param)
        }
        return param;
    }
}

举几个拦截器的例子，例如在进行接口请求前需要判断用户是否登录（未登录通常无法执行请求，并需要跳转到登录页面）

typescript 复制代码 
export const LoginInterceptor: InterceptorCallback<Context> = async (context) => {
    const { request } = context;
    // 如果本地没有存储登录信息并且不是调用登录接口，则执行登录操作（跳转到登录页等）
    if ((!user || !user.getOpenId()) && !request.url.includes('/user/info')) {
        await login.tryLogin();
    }

    return context;
}

又例如向request的参数中添加每次请求都会携带的公共参数，即：

typescript 复制代码 
export const GlobalParamsInterceptor: InterceptorCallback<Context> = async (context) => {
    const { request } = context;
    const globalParams = { // 公共参数
        token: '1234',
    };

    for (let key in globalParams) {
        if (globalParams[key]) {
            request.params[key] = globalParams[key];
        }
    }

    return context;
}

又比如拿到响应后对接口请求的耗时进行上报，如下：

typescript 复制代码 
export const ReportInterceptor: InterceptorCallback<Context> = async (context) => {
    const startTime = context.request.time;
    const endTime = Date.now();
    // 上报请求-响应耗时
    await reporter('requestTime', endTime - startTime);
    return context;
};

定义适配器

不同端发送请求的方式不相同，比如传统的web页面一般通过XMLHttpRequest对象发起请求，微信小程序则是wx.request，H5页面一般通过jsBridge调用宿主容器提供的native方法去发起请求，而上述运行框架显然不应该耦合在一个端内。因此，借助适配器（adaptor）设计模式，不同端的请求方式抽象成不同的适配器，而框架层面只需提供相应的适配器接口（interface）而无需关注适配器的具体实现。抽象成适配器除了能够去兼容不同端外，还能够编写一些用于数据mock的适配器，方便测试。代码实现如下：

typescript 复制代码 
// adaptor.ts
import Context from "./context";

export interface IFetchAdaptor {
    fetch(): Promise<Context>;
    use(context: Context): void;
}

// 请求适配器
export abstract class FetchAdaptor implements IFetchAdaptor {
    public context: Context;

    abstract fetch();

    use(context: Context) {
        this.context = context;
    }
}

以web页面的XMLHttpRequest为例子，在web端的请求适配器实现如下：

typescript 复制代码 
// web端的请求适配器
export class WebFetchAdaptor extends FetchAdaptor {
    fetch() {
        return new Promise((resolve, reject) => {
            try {
                const xhr = new XMLHttpRequest();
                let {url, method, request} = this.context;
                xhr.onerror = reject;
                xhr.onreadystatechange = (event) => {
                    if (xhr.readyState === 4) {
                        if ((xhr.status >= 200 && xhr.status < 300) || xhr.status === 304) {
                            switch (xhr.responseType) {
                                case "json":
                                    this.context.response = xhr.response; // 结果挂载至context上
                                    resolve(this.context);
                                    break;
                                case "text":
                                    this.context.response = JSON.parse(xhr.responseText); // 结果挂载在context上
                                    resolve(this.context);
                                    break;
                                default:
                                    reject(new Error());
                                    break;
                            }
                        }
                    }
                };
                // get和post处理请求参数不同，一个放在url里，一个构造formData再send出去
                switch (method) {
                    case 'GET':
                        xhr.open(method, `${url}&${stringify(request.params)}`, true);
                        xhr.send(null);
                        break;
                    case 'POST':
                        xhr.open(method, url, true);
                        const formData = new FormData();
                        Object.keys(parent).forEach(k => {
                            formData.append(k, typeof request.params[k] !== 'object' ? request.params[k] : JSON.stringify(request.params[k]));
                        });
                        xhr.send(formData);
                }
            } catch (e) {
                reject(e);
            }
        })
    }
}

// {a: 1, b: 2} => a=1&b=2
function stringify(params: Record<string | number, any>) {
    return Object.keys(params).reduce((acc, cur) => {
        return acc + `${cur}=${typeof params[cur] !== "object" ? params[cur] : JSON.stringify(params[cur])}&`;
    }, '').replace(/&$/g, '');
}

组装请求框架

有了上述基础组件，那么组装请求框架就会非常简单，包括组装请求拦截器和响应拦截器、请求适配器，初始化running队列容量等，并在send函数调用。

代码实现：

typescript 复制代码 
// http.ts
import Interceptor, { InterceptorCallback } from "./Interceptor";
import {addTask, initializer} from './taskQueue';
import Task from "./task";
import Context, {RequestType} from "./context";
import {FetchAdaptor, WebFetchAdaptor} from "./adaptor";

export default class Http {
    private requestInterceptor: Interceptor<Context>;
    private responseInterceptor: Interceptor<Context>;
    private adaptor: FetchAdaptor;

    constructor(
        adaptor: FetchAdaptor = new WebFetchAdaptor(),
        requestInterceptors: InterceptorCallback<Context>[] = [],
        responseInterceptors: InterceptorCallback<Context>[] = [],
        capacity = 6
    ) {
        initializer(capacity); // 初始化running队列容量

        this.requestInterceptor = new Interceptor(); // 请求拦截器
        this.responseInterceptor = new Interceptor(); // 响应拦截器
        this.adaptor = adaptor; // 请求适配器

        this.requestInterceptor.use(requestInterceptors);
        this.responseInterceptor.use(responseInterceptors);

    }

    private async send(req: RequestType): Promise<Context> {
        // 将最原始的context通过请求拦截器器进行相应的处理
        const context = await this.requestInterceptor.execute(new Context(
            req.url,
            req.method,
            req
        ));

        // 适配器使用处理后的context
        this.adaptor.use(context);

        // 定义任务函数
        const asyncCallback = async () => {
            return await this.responseInterceptor.execute( // 执行响应拦截器，对返回结果进行处理
                await this.adaptor.fetch() // 调用适配器发起请求，返回结果是一个context
            )
        };

        return new Promise<Context>((resolve, reject) => {
            const task = new Task( // 封装成一个task
                asyncCallback,
                resolve,
                reject,
                req.priority,
                context,
            );
            addTask(task); // 调用addTask，如果能添加到running队列里，则会直接执行asyncCallback，否则按照优先级插入到waiting队列中等待执行
        })
    }

    // 对外导出post函数
    public async post(url: string, req: Omit<RequestType, 'method' | 'url'>) {
        return await this.send({ url, method: 'POST', ...req } as RequestType);
    }

    // 对外导出get函数
    public async get(url: string, req: Omit<RequestType, 'method' | 'url'>) {
        return await this.send({ url, method: 'GET', ...req } as RequestType);
    }
}

简单的测试

测试很简单，可以实现一个用于test的适配器模拟器服务端响应（适配器模式的优点就体现出来了），代码如下：

typescript 复制代码 
let id = 0;
export class TestFetchAdaptor extends FetchAdaptor {
    fetch(): Promise<Context> {
        return new Promise((resolve, reject) => {
            const p = Math.random();
            const time = 3000 + p * (3000);
            this.context.response = {
                data: `Hello world! ${++id}`,
                errno: -1,
                time
            };

            setTimeout(() => {
                resolve(this.context);
            }, time); // 3s ~ 6s 返回结果
        })
    }
}

index.ts中使用上述框架，代码比较简单：

typescript 复制代码 
// index.ts
import Http from "./http";
import { TestFetchAdaptor } from "./adaptor";
import {ReportInterceptor, GlobalParamsInterceptor, LoginInterceptor} from "./Interceptor";

const requestInterceptors = [
    LoginInterceptor,
    GlobalParamsInterceptor
];
const responseInterceptors = [
    ReportInterceptor
];

const http = new Http(
    new TestFetchAdaptor(),
    requestInterceptors,
    responseInterceptors,
    4
);

async function main() {
    await Promise.all([
        http.get('url1', { params: {}, priority: 1}),
        http.get('url2', { params: {}, priority: 0}),
        http.get('url3', { params: {}, priority: 0}),
        http.post('url4', { params: {}, priority: 2}),
        http.get('url5', { params: {}, priority: 0}),
        http.post('url6', { params: {}, priority: 3}),
        http.get('url7', { params: {}, priority: 5}),
        http.get('url8', { params: {}, priority: 4}),
        http.get('url9', { params: {}, priority: 1}),
        http.get('url10', { params: {}, priority: 3}),
        http.post('url11', { params: {}, priority: 5 }),
    ]);
}

main().catch(console.error);

并在finished函数中，每调用一次finished函数查看一次running队列和waiting队列的task情况，看是否按限制执行

typescript 复制代码 
let id = 0;
function finished(task: Task) {
    let index: number;
    // 从running队列中移除这个执行完的task
    if (runningQueue.length && (index = runningQueue.indexOf(task)) !== -1)
        runningQueue.splice(index, 1);

    // 从waiting队列中获取若干个task，扔到running队列中执行
    while (runningQueue.length < capacity && waitingQueue.length)
        addTask(pop(waitingQueue, taskComparer))

    console.log(`-------------| Epoch ${id++} |-------------`)
    console.log("runningQueue: ");
    console.log(runningQueue.map(v => {
        return `{ url:${v.context.url}, priority: ${v.priority} }`
    }));

    console.log("waitingQueue: ");
    console.log(waitingQueue.map(v => {
        return `{ url:${v.context.url}, priority: ${v.priority} }`
    }));
    console.log('\n');
}

ts-node index.ts命令执行如下：

总结

上述只是实现了一个非常简单的带并发限制和优先级调度的http请求框架，并且也忽略了非常多的细节，比如如何防止低优先级任务饿死、重复请求如何在调度层面节流、发起请求后是否可以终止、请求超时了是否有重发机制等等，还有请求适配器中具体端的请求的实现一般也非常复杂，往往不只是一个http请求，通常还包括websocket、云网关、shark服务等其他方式的请求，这些部分就以后再说吧～

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