【源码阅读】Sony的go breaker熔断器源码探究

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背景
源码分析
总结

背景

在微服务时代，服务和服务之间调用、跨部门调用都是很常见的事，但这些调用都存在很多不确定因素，如核心服务A依赖的部门B服务挂掉了，那么A本身的功能将会受到直接的影响，而这些都会影响着我们本身为用户提供的产品功能表现，因此，做好服务调用的熔断降级措施是非常有必要的。在golang开发中，我们经常都会使用到一个组件gobreaker，用非常少量的代码实现了服务熔断功能，下面我们将对gobreaker的源代码进行分析。

源码分析

源码地址：https://github.com/sony/gobreaker

熔断器设计：gobreaker熔断器是否生效主要是根据状态来的，熔断器会在Closed、HalfOpen、Open三种状态中转换。

初始状态是Closed，这个状态下熔断器会放行所有请求。
当满足熔断条件（如达到一定数量的错误计数）时，熔断器进入Open 状态，不能再放行请求，对于所有的请求都直接返回熔断器本身定义的熔断错误。
熔断器在Open状态经过一段Interval时间后，自动进入Half-Open状态，在此期间，会根据HalfOpen的策略放行请求，并记录请求的执行结果状态。如果放行的这些请求最终计数满足闭合状态，熔断器将进入Closed状态，继续放行请求，反之则会自动进入Open状态。

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         Closed 
         /    \
 Half-Open <--> Open

1、熔断器配置

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type Settings struct {
	Name          string // 熔断器名称
	MaxRequests   uint32 // 最大请求数，熔断器半开状态放行的最大请求数
	Interval      time.Duration // 计数周期，类似于滑动窗口的窗口大小，用于定期清理counts
	Timeout       time.Duration // 熔断器进入Open状态后，经过timeout时间进入HalfOpen状态
	ReadyToTrip   func(counts Counts) bool // 熔断器的计数策略，计数是记在counts中的，如连续出错达到一定数量后，该方法将会返回true，此时熔断器将进入Open状态
	OnStateChange func(name string, from State, to State) // 熔断器状态发生变化时候的回调方法，参数表示熔断器从一个状态转变到另一个状态
	IsSuccessful  func(err error) bool // 熔断器的计数方法，调用发生错误时，通过该方法进行计数，累积到ReadyToTrip中的策略触发后，熔断器将进入Open状态
}

官方解释：

2、熔断器计数

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type Counts struct {
	Requests             uint32 // 总的请求数量
	TotalSuccesses       uint32 // 总的成功数
	TotalFailures        uint32 // 总的失败数
	ConsecutiveSuccesses uint32 // 连续成功数
	ConsecutiveFailures  uint32 // 连续失败数
}

此外，需要注意的是，熔断器的计数是发生在范围: Generation周期内的。

3、熔断器

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// CircuitBreaker is a state machine to prevent sending requests that are likely to fail.
type CircuitBreaker struct {
	name          string // 熔断器名称
	maxRequests   uint32 // 熔断器半开状态的最大请求数
	interval      time.Duration // 熔断器处于闭合状态时的计数周期，每个周期开始时会清理counts
	timeout       time.Duration // 熔断器从open状态到halfopen状态的时间
	readyToTrip   func(counts Counts) bool // 熔断器计数策略
	isSuccessful  func(err error) bool // 熔断器计数方法
	onStateChange func(name string, from State, to State) // 熔断器状态改变回调方法

	mutex      sync.Mutex
	state      State // 熔断器当前状态：Open、Closed、HalfOpen
	generation uint64 // 每一个时间周期(Interval)的计数(count)状态称为一个generation。
	counts     Counts // 当前generation的计数统计，切换generation时候会清空counts
	expiry     time.Time // 过期时间
}

熔断器的核心方法Execute ：

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// Execute runs the given request if the CircuitBreaker accepts it.
// Execute returns an error instantly if the CircuitBreaker rejects the request.
// Otherwise, Execute returns the result of the request.
// If a panic occurs in the request, the CircuitBreaker handles it as an error
// and causes the same panic again.
func (cb *CircuitBreaker) Execute(req func() (interface{}, error)) (interface{}, error) {
	generation, err := cb.beforeRequest()
	if err != nil {
		return nil, err
	}

	defer func() {
		e := recover()
		if e != nil {
			cb.afterRequest(generation, false)
			panic(e)
		}
	}()

	result, err := req()
	cb.afterRequest(generation, cb.isSuccessful(err))
	return result, err
}

该方法主要是几个步骤，beforeRequest()、执行请求req()和afterRequest()，其中，req是我们真正需要执行的业务方法，比如为A对B的一次http、rpc调用等。

beforeRequest()

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func (cb *CircuitBreaker) beforeRequest() (uint64, error) {
	cb.mutex.Lock()
	defer cb.mutex.Unlock()

	now := time.Now()
	state, generation := cb.currentState(now) // 获取当前熔断器的状态state和计数周期generation

	if state == StateOpen { // 如果熔断器处于Open状态，那么将会直接返回熔断错误，并将generation返回
		return generation, ErrOpenState
		//如果熔断器处于半开状态，且请求数目已经超过了最大请求数，那么也将会返回错误
	} else if state == StateHalfOpen && cb.counts.Requests >= cb.maxRequests {
		return generation, ErrTooManyRequests
	}
	// 熔断器处于闭合状态，正常放行请求，计数
	cb.counts.onRequest() // counts计数
	return generation, nil
}

afterRequest()

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func (cb *CircuitBreaker) afterRequest(before uint64, success bool) {
	cb.mutex.Lock()
	defer cb.mutex.Unlock()

	now := time.Now()
	state, generation := cb.currentState(now) // 获取当前熔断器的状态和计数周期
	if generation != before { // 如果此时的计数周期和before阶段返回的不一致，那么将直接返回
		return
	}
	// 否则，根据调用设置的响应，对counts的成功或者失败请求进行计数
	if success {
		cb.onSuccess(state, now)
	} else {
		cb.onFailure(state, now)
	}
}
// 根据熔断器状态计数成功的请求：
// 1、熔断器处于闭合状态，则直接计数success
// 2、熔断器处于半开状态，则计数成功，且如果连续成功的数量超过了最大请求数，那么熔断器将进入闭合状态，计数进入下一个周期
func (cb *CircuitBreaker) onSuccess(state State, now time.Time) {
	switch state {
	case StateClosed: 
		cb.counts.onSuccess()
	case StateHalfOpen:
		cb.counts.onSuccess()
		if cb.counts.ConsecutiveSuccesses >= cb.maxRequests {
			cb.setState(StateClosed, now)
		}
	}
}
// 根据熔断器状态计数成功的请求：
// 1、熔断器处于闭合状态，计数失败，且如果当前计数周期的统计结果达到了熔断的条件，那么熔断器将被设置为打开状态。
// 2、如果熔断器处于半开状态，此时又发生了错误，那么熔断器直接进入打开状态
func (cb *CircuitBreaker) onFailure(state State, now time.Time) {
	switch state {
	case StateClosed:
		cb.counts.onFailure()
		if cb.readyToTrip(cb.counts) {
			cb.setState(StateOpen, now)
		}
	case StateHalfOpen:
		cb.setState(StateOpen, now)
	}
}

currentState()
该方法作用主要是根据熔断器的状态以及计数过期时间expiry等，来判断是否需要进入到下一个generation（计数周期）中，currentState作用当然就是返回当前的generation和熔断器状态了。

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func (cb *CircuitBreaker) currentState(now time.Time) (State, uint64) {
	switch cb.state {
	case StateClosed: // 当熔断器处于闭合状态时，如果过期时间到，则进入到下一个计数周期中，产生一个新的generation
		if !cb.expiry.IsZero() && cb.expiry.Before(now) {
			cb.toNewGeneration(now) // 产生新的generation
		}
	case StateOpen: // 如果熔断器处于打开状态，且过期时间expiry到，那么熔断器将进入半开状态
		if cb.expiry.Before(now) {
			cb.setState(StateHalfOpen, now) 
		}
	}
	return cb.state, cb.generation
}

func (cb *CircuitBreaker) setState(state State, now time.Time) {
	if cb.state == state {
		return
	}

	prev := cb.state
	cb.state = state

	cb.toNewGeneration(now)

	if cb.onStateChange != nil {
		cb.onStateChange(cb.name, prev, state)
	}
}
// 生成新的generation。 主要是清空counts和设置expiry（过期时间）。
// 当状态为Closed时expiry为Closed的过期时间（当前时间 + interval），
// 当状态为Open时expiry为Open的过期时间（当前时间 + timeout）
func (cb *CircuitBreaker) toNewGeneration(now time.Time) {
	cb.generation++ // 计数周期++
	cb.counts.clear() // 清空counts统计

	// 根据熔断器状态state、闭合状态的计数周期interval和
	// 熔断器从Open恢复到HalfOpen的超时时间timeout来重置过期时间
	var zero time.Time
	switch cb.state {
	case StateClosed:
		if cb.interval == 0 {
			cb.expiry = zero
		} else {
			cb.expiry = now.Add(cb.interval)
		}
	case StateOpen:
		cb.expiry = now.Add(cb.timeout)
	default: // StateHalfOpen状态，关闭超时时间
		cb.expiry = zero 
	}
}

总结

Sony的gobreaker通过短短几百行代码就实现了一个功能强大的熔断器，其中的原理解释来源微软Circuit Breaker Pattern，整体上，gobreaker的设计思想主要体现在几个函数中：

beforeRequest()
该函数主要作用是根据熔断器的计数状态，判断是否放行请求，计数或达到切换新条件刚切换。
1、判断熔断器是否Closed，如是，放行所有请求。并且会在调用toNewGeneration()判断时间是否达到Interval周期，从而清空计数，进入新的计数周期。
2、如果是Open状态，返回ErrOpenState，不放行所有请求。同样判断周期时间，到达则同样调用 toNewGeneration()
3、如果是HalfOpen状态，则判断是否已放行MaxRequests个请求，如未达到则放行请求；否则返回:ErrTooManyRequests。

beforeRequest方法中，一旦放行请求，就会对当前的周期的请求计数加1。

afterRequest()
该函数核心内容很简单，主要就是对before阶段放行的请求进行统计，放行请求执行成功/失败都会调用该方法进行计数，达到条件则切换状态。
1、与beforeRequest一样，会调用公共函数 currentState方法；在currentState中会根据熔断器状态和来判断如何产生一个新的计数周期；如果熔断器处于闭合状态，则会根据expiry过期时间来判断熔断器是否进入先前的一个计数周期，如果是则调用toNewGeneration来产生一个新的计数周期，并且清空计数统计。如果熔断器处于断开状态，并且达到超时时间，那么将会改变熔断器的状态为半开状态，并且调用toNewGeneration进入下一个计数周期。
2、注意：在after中进入新的计数周期并是好事，因为这往往意味着执行业务请求req花费了更多的时间，导致before阶段和after阶段不在一个计数周期内，因此，这种情况熔断器将不会计数。也就是说，如果req耗时大于Interval，熔断器每次after时都会进入新的计数周期，上一个周期的统计就清空了，熔断器也就没有太大价值了。

gobreaker的核心代码中使用了一个generation的概念，每一个时间周期(Interval)的计数(count)状态称为一个generation。这个概念保证了熔断器after阶段的计数和before的计数是在同一个计数周期内。