Java `Fault Tolerance` (`Resilience4j`, `Hystrix`) `Circuit Breaker`, `Rate Limiter`, `Retry` - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位观众老爷，大家好！今天咱们来聊聊Java世界里的“容错三剑客”——Circuit Breaker（断路器）、Rate Limiter（限流器）和Retry（重试）。这哥仨啊，就像咱们厨房里的保险丝、水龙头和备用食材，关键时刻能保你系统不死机、不崩溃、还能帮你“起死回生”。

别害怕，今天咱不用那些高大上的学术名词，就用大白话、接地气的例子，把这几个家伙扒个底朝天，再手把手教你用代码把它们武装到你的Java程序里。

一、背景故事：为啥需要容错？

想象一下，你开了一家餐厅（你的Java应用），每天顾客盈门（用户请求）。

情况一：后厨着火了（下游服务挂了）。如果你的服务直接崩溃，所有顾客都得饿肚子，老板（你）得赔钱！
情况二：来了个大胃王（恶意请求）。一个人吃光了所有食材，后面来的顾客啥都吃不着，差评如潮！
情况三：厨师偶尔失手（网络抖动）。菜做砸了，顾客很不爽，下次可能就不来了。

所以，我们需要一些机制来应对这些突发情况，保证餐厅（应用）的稳定运营。这就是容错的意义所在。

二、容错三剑客登场

Circuit Breaker（断路器）：防火墙

断路器就像你家里的保险丝，当电路过载（下游服务故障）时，它会自动跳闸（熔断），防止整个电路烧毁（应用崩溃）。过一段时间，它会尝试重新闭合（半开状态），看看电路是否恢复正常。
- 状态
  
  | 状态 | 描述 |
  | ——– | —————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————-.
  - Closed（关闭）：断路器关闭状态，所有请求都允许通过。
  - Open（打开）：断路器打开状态，所有请求都被快速失败。
  - Half-Open（半开）：断路器尝试恢复状态，允许部分请求通过，如果请求成功，则恢复到关闭状态，否则保持打开状态。
- 关键参数
  - failureRateThreshold：失败率阈值，当失败率超过这个值，断路器会打开。
  - minimumNumberOfCalls：最小请求数，只有当请求数达到这个值，才会计算失败率。
  - slidingWindowSize：滑动窗口大小，用于计算失败率的窗口大小。
  - permittedCallsInHalfOpenState：半开状态下允许通过的请求数。
  - waitDurationInOpenState：断路器打开后，等待多长时间进入半开状态。
- 代码示例 (使用Resilience4j)
```
import io.github.resilience4j.circuitbreaker.CircuitBreaker;
import io.github.resilience4j.circuitbreaker.CircuitBreakerConfig;
import io.github.resilience4j.circuitbreaker.CircuitBreakerRegistry;
import io.vavr.CheckedFunction0;
import io.vavr.control.Try;

import java.time.Duration;
import java.util.function.Supplier;

public class CircuitBreakerExample {

    public static void main(String[] args) {

        // 配置断路器
        CircuitBreakerConfig circuitBreakerConfig = CircuitBreakerConfig.custom()
                .failureRateThreshold(50) // 失败率超过50%就打开断路器
                .minimumNumberOfCalls(10) // 至少10次调用才开始计算失败率
                .slidingWindowSize(10) // 滑动窗口大小为10
                .waitDurationInOpenState(Duration.ofSeconds(5)) // 打开状态持续5秒
                .permittedCallsInHalfOpenState(2) // 半开状态允许2次调用
                .build();

        // 创建断路器注册器
        CircuitBreakerRegistry circuitBreakerRegistry = CircuitBreakerRegistry.of(circuitBreakerConfig);

        // 获取一个断路器实例
        CircuitBreaker circuitBreaker = circuitBreakerRegistry.circuitBreaker("myCircuitBreaker");

        // 定义一个可能失败的服务
        Supplier<String> serviceCall = () -> {
            // 模拟服务调用，有时成功，有时失败
            if (Math.random() > 0.5) {
                System.out.println("Service call successful!");
                return "Service response";
            } else {
                System.out.println("Service call failed!");
                throw new RuntimeException("Service failed");
            }
        };

        // 使用断路器装饰服务调用
        Supplier<String> decoratedServiceCall = CircuitBreaker.decorateSupplier(circuitBreaker, serviceCall);

        // 调用服务，并处理可能出现的异常
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            try {
                String result = decoratedServiceCall.get();
                System.out.println("Result: " + result);
            } catch (Exception e) {
                System.out.println("Circuit Breaker: " + circuitBreaker.getState());
                System.out.println("Exception: " + e.getMessage());
            }
            try {
                Thread.sleep(500); // 模拟调用间隔
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
```
  解释:
  1. 配置断路器： CircuitBreakerConfig 定义了断路器的行为，例如失败率阈值、最小调用次数、滑动窗口大小等等。
  2. 创建断路器注册器： CircuitBreakerRegistry 用于管理多个断路器实例。
  3. 获取断路器实例： circuitBreakerRegistry.circuitBreaker("myCircuitBreaker") 根据名称获取一个断路器实例。
  4. 定义服务调用： serviceCall 是一个 Supplier，它封装了实际的服务调用逻辑。在这里，我们模拟了一个可能成功或失败的服务。
  5. 装饰服务调用： CircuitBreaker.decorateSupplier(circuitBreaker, serviceCall) 使用断路器来包装服务调用。当服务调用失败率达到配置的阈值时，断路器会打开，并阻止后续的调用。
  6. 调用服务并处理异常： 在循环中，我们调用装饰后的服务，并捕获可能抛出的异常。当断路器打开时，会抛出 io.github.resilience4j.circuitbreaker.CallNotPermittedException 异常。
  代码解释说明:
  - io.vavr.CheckedFunction0 和 io.vavr.control.Try 是 Vavr 库中的类，用于简化函数式编程和异常处理。
  - CheckedFunction0 类似于 java.util.function.Supplier，但允许抛出受检异常。
  - Try 类似于 java.util.Optional，但用于处理可能抛出异常的操作。它可以是 Success（成功）或 Failure（失败）。
  - Resilience4j 提供了与 Vavr 的集成，可以使用 Try 来处理服务调用结果。例如，可以使用 Try.of(serviceCall) 来包装服务调用，然后使用 Try 的 onSuccess 和 onFailure 方法来处理成功和失败的情况。
  总结:
  - 断路器是保护系统免受级联故障的重要工具。
  - Resilience4j 提供了易于使用的 API 来配置和使用断路器。
  - 合理配置断路器的参数对于系统的稳定性和可用性至关重要。
Rate Limiter（限流器）：水龙头

限流器就像你家的水龙头，它可以控制单位时间内通过的请求数量，防止系统被过多的请求压垮。
- 算法
  - 令牌桶（Token Bucket）： 想象一个桶里装满了令牌，每个请求都需要拿到一个令牌才能通过。桶里的令牌会以一定的速率生成，如果桶满了，新的令牌就会被丢弃。
  - 漏桶（Leaky Bucket）： 想象一个桶以恒定的速率漏水，每个请求都相当于往桶里加水。如果桶满了，新的请求就会被丢弃。
  - 固定窗口计数器（Fixed Window Counter）： 在固定的时间窗口内，记录请求的数量。如果请求数量超过阈值，则拒绝后续的请求。
  - 滑动窗口计数器（Sliding Window Counter）： 类似于固定窗口计数器，但窗口是滑动的，可以更精确地控制请求速率。
- 关键参数
  - limitForPeriod：时间段内的最大请求数。
  - limitRefreshPeriod：时间段的持续时间。
  - timeoutDuration：获取许可的超时时间。
- 代码示例 (使用Resilience4j)
```
import io.github.resilience4j.ratelimiter.RateLimiter;
import io.github.resilience4j.ratelimiter.RateLimiterConfig;
import io.github.resilience4j.ratelimiter.RateLimiterRegistry;

import java.time.Duration;

public class RateLimiterExample {

    public static void main(String[] args) {

        // 配置限流器
        RateLimiterConfig config = RateLimiterConfig.custom()
                .limitForPeriod(10) // 每10秒允许10个请求
                .limitRefreshPeriod(Duration.ofSeconds(10)) // 刷新周期为10秒
                .timeoutDuration(Duration.ofSeconds(1)) // 获取许可的超时时间为1秒
                .build();

        // 创建限流器注册器
        RateLimiterRegistry rateLimiterRegistry = RateLimiterRegistry.of(config);

        // 获取一个限流器实例
        RateLimiter rateLimiter = rateLimiterRegistry.rateLimiter("myRateLimiter");

        // 定义一个需要限流的服务
        Runnable serviceCall = () -> {
            System.out.println("Service call successful!");
        };

        // 使用限流器装饰服务调用
        Runnable decoratedServiceCall = RateLimiter.decorateRunnable(rateLimiter, serviceCall);

        // 调用服务，并检查是否被限流
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            try {
                rateLimiter.executeRunnable(decoratedServiceCall);
                System.out.println("Request " + i + " passed.");
            } catch (io.github.resilience4j.ratelimiter.RequestNotPermitted e) {
                System.out.println("Request " + i + " blocked by rate limiter.");
            }
            try {
                Thread.sleep(500); // 模拟调用间隔
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
```
  解释:
  1. 配置限流器： RateLimiterConfig 定义了限流器的行为，例如时间段内的最大请求数、刷新周期和获取许可的超时时间。
  2. 创建限流器注册器： RateLimiterRegistry 用于管理多个限流器实例。
  3. 获取限流器实例： rateLimiterRegistry.rateLimiter("myRateLimiter") 根据名称获取一个限流器实例。
  4. 定义服务调用： serviceCall 是一个 Runnable，它封装了实际的服务调用逻辑。
  5. 装饰服务调用： RateLimiter.decorateRunnable(rateLimiter, serviceCall) 使用限流器来包装服务调用。当请求速率超过配置的限制时，限流器会阻止后续的调用。
  6. 调用服务并检查是否被限流： 在循环中，我们调用装饰后的服务，并捕获可能抛出的 RequestNotPermitted 异常。当请求被限流时，会抛出此异常。
  总结:
  - 限流器是保护系统免受过载的重要工具。
  - Resilience4j 提供了易于使用的 API 来配置和使用限流器。
  - 合理配置限流器的参数对于系统的稳定性和可用性至关重要。
Retry（重试）：备用食材

重试机制就像你厨房里的备用食材，当第一次做菜失败时（服务调用失败），你可以尝试重新做一次（重试）。
- 策略
  - 固定间隔重试： 每次重试之间等待固定的时间。
  - 指数退避重试： 每次重试之间等待的时间呈指数增长。例如，第一次等待 1 秒，第二次等待 2 秒，第三次等待 4 秒，以此类推。
  - 随机退避重试： 在指数退避的基础上，增加一个随机的抖动，避免多个客户端同时重试。
- 关键参数
  - maxAttempts：最大重试次数。
  - waitDuration：重试之间的等待时间。
  - retryOnException：指定哪些异常需要重试。
  - retryOnResult：指定哪些结果需要重试。
- 代码示例 (使用Resilience4j)
```
import io.github.resilience4j.retry.Retry;
import io.github.resilience4j.retry.RetryConfig;
import io.github.resilience4j.retry.RetryRegistry;

import java.time.Duration;
import java.util.function.Supplier;

public class RetryExample {

    public static void main(String[] args) {

        // 配置重试
        RetryConfig config = RetryConfig.custom()
                .maxAttempts(3) // 最大重试3次
                .waitDuration(Duration.ofSeconds(1)) // 每次重试等待1秒
                .retryOnException(e -> e instanceof RuntimeException) // 只有RuntimeException才重试
                .build();

        // 创建重试注册器
        RetryRegistry retryRegistry = RetryRegistry.of(config);

        // 获取一个重试实例
        Retry retry = retryRegistry.retry("myRetry");

        // 定义一个可能失败的服务
        Supplier<String> serviceCall = () -> {
            // 模拟服务调用，有时成功，有时失败
            if (Math.random() > 0.5) {
                System.out.println("Service call successful!");
                return "Service response";
            } else {
                System.out.println("Service call failed!");
                throw new RuntimeException("Service failed");
            }
        };

        // 使用重试装饰服务调用
        Supplier<String> decoratedServiceCall = Retry.decorateSupplier(retry, serviceCall);

        // 调用服务，并处理可能出现的异常
        try {
            String result = decoratedServiceCall.get();
            System.out.println("Result: " + result);
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("Exception: " + e.getMessage());
        }
    }
}
```
  解释:
  1. 配置重试： RetryConfig 定义了重试的行为，例如最大重试次数、重试之间的等待时间以及需要重试的异常类型。
  2. 创建重试注册器： RetryRegistry 用于管理多个重试实例。
  3. 获取重试实例： retryRegistry.retry("myRetry") 根据名称获取一个重试实例。
  4. 定义服务调用： serviceCall 是一个 Supplier，它封装了实际的服务调用逻辑。在这里，我们模拟了一个可能成功或失败的服务。
  5. 装饰服务调用： Retry.decorateSupplier(retry, serviceCall) 使用重试来包装服务调用。当服务调用失败时，重试会根据配置的策略自动重试。
  6. 调用服务并处理异常： 在 try-catch 块中，我们调用装饰后的服务，并捕获可能抛出的异常。
  总结:
  - 重试是提高系统可靠性的重要工具。
  - Resilience4j 提供了易于使用的 API 来配置和使用重试。
  - 合理配置重试的参数对于避免无限重试和性能问题至关重要。

三、Hystrix vs. Resilience4j

在Java容错领域，Hystrix曾经是当红炸子鸡，但现在Resilience4j后来居上，大有取而代之的趋势。为啥呢？

特性	Hystrix	Resilience4j
维护状态	Netflix已经停止维护Hystrix，建议迁移到其他方案。	Resilience4j仍在积极维护和更新。
依赖	Hystrix依赖于Archaius，Archaius是Netflix的配置管理库，这增加了项目的复杂性。	Resilience4j是轻量级的，只依赖于Java 8+标准库和Vavr（一个函数式编程库）。
编程模型	Hystrix使用自己的命令模式，需要将服务调用包装成HystrixCommand或HystrixObservableCommand。	Resilience4j使用装饰器模式，可以方便地将容错策略应用到任何Java函数或方法上。
模块化	Hystrix将所有容错策略都集成在一个库中，耦合度较高。	Resilience4j是模块化的，每个容错策略（断路器、限流器、重试等）都是一个独立的模块，可以根据需要选择使用。
函数式编程支持	Hystrix对函数式编程的支持有限。	Resilience4j对函数式编程有很好的支持，可以与Java 8的函数式接口和Vavr库无缝集成。
Spring Boot集成	Hystrix通过`@HystrixCommand`注解与Spring Boot集成，使用起来比较方便。	Resilience4j也提供了Spring Boot集成，可以使用`@CircuitBreaker`、`@RateLimiter`、`@Retry`等注解来声明式地应用容错策略。
社区	Hystrix的社区活跃度较低。	Resilience4j的社区活跃度较高，有更多的开发者参与贡献和维护。

简单来说，Resilience4j更轻量级、更模块化、对函数式编程支持更好，而且还在持续更新，更符合现代微服务架构的需求。

四、最佳实践

不要过度使用容错： 容错机制会增加系统的复杂性，只有在真正需要的时候才使用。
合理配置参数：

发表回复 取消回复

发表回复取消回复