請求合并的三種方式，大大提高接口性能！
將相似或重復請求在上游系統中合并后發往下游系統，可以大大降低下游系統的負載，提升系統整體吞吐率。文章介紹了 hystrix collapser、ConcurrentHashMultiset、自實現BatchCollapser 三種請求合并技術，并通過其具體實現對比各自適用的場景。
前言
工作中，我們常見的請求模型都是”請求-應答”式，即一次請求中，服務給請求分配一個獨立的線程，一塊獨立的內存空間，所有的操作都是獨立的，包括資源和系統運算。我們也知道，在請求中處理一次系統 I/O 的消耗是非常大的，如果有非常多的請求都進行同一類 I/O 操作，那么是否可以將這些 I/O 操作都合并到一起，進行一次 I/O 操作，是否可以大大降低下游資源服務器的負擔呢？
最近我工作之余的大部分時間都花在這個問題的探究上了，對比了幾個現有類庫，為了解決一個小問題把 hystrix javanica 的代碼翻了一遍，也根據自己工作中遇到的業務需求實現了一個簡單的合并類，收獲還是挺大的。可能這個需求有點”偏門”，在網上搜索結果并不多，也沒有綜合一點的資料，索性自己總結分享一下，希望能幫到后來遇到這種問題的小伙伴。
Hystrix Collapser
hystrix
開源的請求合并類庫（知名的）好像也只有 Netflix 公司開源的 Hystrix 了， hystrix 專注于保持 WEB 服務器在高并發環境下的系統穩定，我們常用它的熔斷器(Circuit Breaker) 來實現服務的服務隔離和災時降級，有了它，可以使整個系統不至于被某一個接口的高并發洪流沖塌，即使接口掛了也可以將服務降級，返回一個人性化的響應。請求合并作為一個保障下游服務穩定的利器，在 hystrix 內實現也并不意外。
我們在使用 hystrix 時，常用它的 javanica 模塊，以注解的方式編寫 hystrix 代碼，使代碼更簡潔而且對業務代碼侵入更低。所以在項目中我們一般至少需要引用 hystrix-core 和 hystrix-javanica 兩個包。
另外，hystrix 的實現都是通過 AOP，我們要還要在項目 xml 里顯式配置 HystrixAspect 的 bean 來啟用它。
- <aop:aspectj-autoproxy/>
- <bean id="hystrixAspect" class="com.netflix.hystrix.contrib.javanica.aop.aspectj.HystrixCommandAspect" />
collapser
hystrix collapser 是 hystrix 內的請求合并器，它有自定義 BatchMethod 和 注解兩種實現方式，自定義 BatchMethod 網上有各種教程，實現起來很復雜，需要手寫大量代碼，而注解方式只需要添加兩行注解即可，但配置方式我在官方文檔上也沒找見，中文方面本文應該是獨一份兒了。
其實現需要注意的是：
- 我們在需要合并的方法上添加 @HystrixCollapser 注解，在定義好的合并方法上添加 @HystrixCommand 注解；
- single 方法只能傳入一個參數，多參數情況下需要自己包裝一個參數類，而 batch 方法需要 java.util.List<SingleParam>；
- single 方法返回 java.util.concurrent.Future<SingleReturn>， batch 方法返回 java.util.List<SingleReturn>，且要保證返回的結果數量和傳入的參數數量一致。
下面是一個簡單的示例:
- public class HystrixCollapserSample {
- @HystrixCollapser(batchMethod = "batch")
- public Future<Boolean> single(String input) {
- return null; // single方法不會被執行到
- }
- public List<Boolean> batch(List<String> inputs) {
- return inputs.stream().map(it -> Boolean.TRUE).collect(Collectors.toList());
- }
- }
源碼實現
為了解決 hystrix collapser 的配置問題看了下 hystrix javanica 的源碼，這里簡單總結一下 hystrix 請求合并器的具體實現，源碼的詳細解析在我的筆記：Hystrix collasper 源碼解析。
- 在 spring-boot 內注冊切面類的 bean，里面包含 @HystrixCollapser 注解切面；
- 在方法執行時檢測到方法被 HystrixCollapser 注解后，spring 調用 methodsAnnotatedWithHystrixCommand方法來執行 hystrix 代理;
- hystrix 獲取一個 collapser 實例（在當前 scope 內檢測不到即創建）;
- hystrix 將當前請求的參數提交給 collapser， 由 collapser 存儲在一個 concurrentHashMap （RequestArgumentType -> CollapsedRequest）內，此方法會創建一個 Observable 對象，并返回一個 觀察此對象的 Future 給業務線程；
- collpser 在創建時會創建一個 timer 線程，定時消費存儲的請求，timer 會將多個請求構造成一個合并后的請求，調用 batch 執行后將結果順序映射到輸出參數，并通知 Future 任務已完成。
需要注意，由于需要等待 timer 執行真正的請求操作，collapser 會導致所有的請求的 cost 都會增加約 timerInterval/2 ms;
配置
hystrix collapser 的配置需要在 @HystrixCollapser 注解上使用，主要包括兩個部分，專有配置和 hystrixCommand 通用配置；
專有配置包括：
- collapserKey，這個可以不用配置，hystrix 會默認使用當前方法名；
- batchMethod，配置 batch 方法名，我們一般會將 single 方法和 batch 方法定義在同一個類內，直接填方法名即可；
- scope，最坑的配置項，也是逼我讀源碼的元兇，com.netflix.hystrix.HystrixCollapser.Scope 枚舉類，有 REQUEST, GLOBAL 兩種選項，在 scope 為 REQUEST 時，hystrix 會為每個請求都創建一個 collapser， 此時你會發現 batch 方法執行時，傳入的請求數總為1。而且 REQUEST 項還是默認項，不明白這樣請求合并還有什么意義；
- collapserProperties, 在此選項內我們可以配置 hystrixCommand 的通用配置；
通用配置包括：
- maxRequestsInBatch, 構造批量請求時，使用的單個請求的最大數量；
- timerDelayInMilliseconds, 此選項配置 collapser 的 timer 線程多久會合并一次請求；
- requestCache.enabled, 配置提交請求時是否緩存；
一個完整的配置如下：
- @HystrixCollapser(
- batchMethod = "batch",
- collapserKey = "single",
- scope = com.netflix.hystrix.HystrixCollapser.Scope.GLOBAL,
- collapserProperties = {
- @HystrixProperty(name = "maxRequestsInBatch", value = "100"),
- @HystrixProperty(name = "timerDelayInMilliseconds", value = "1000"),
- @HystrixProperty(name = "requestCache.enabled", value = "true")
- })
BatchCollapser
設計
由于業務需求，我們并不太關心被合并請求的返回值，而且覺得 hystrix 保持那么多的 Future 并沒有必要，于是自己實現了一個簡單的請求合并器，業務線程簡單地將請求放到一個容器里，請求數累積到一定量或延遲了一定的時間，就取出容器內的數據統一發送給下游系統。
設計思想跟 hystrix 類似，合并器有一個字段作為存儲請求的容器，且設置一個 timer 線程定時消費容器內的請求，業務線程將請求參數提交到合并 器的容器內。不同之處在于，業務線程將請求提交給容器后立即同步返回成功，不必管請求的消費結果，這樣便實現了時間維度上的合并觸發。
另外，我還添加了另外一個維度的觸發條件，每次將請求參數添加到容器后都會檢驗一下容器內請求的數量，如果數量達到一定的閾值，將在業務線程內合并執行一次。
由于有兩個維度會觸發合并，就不可避免會遇到線程安全問題。為了保證容器內的請求不會被多個線程重復消費或都漏掉，我需要一個容器能滿足以下條件：
- 是一種 Collection，類似于 ArrayList 或 Queue，可以存重復元素且有順序;
- 在多線程環境中能安全地將里面的數據全取出來進行消費，而不用自己實現鎖。
java.util.concurrent 包內的 LinkedBlockingDeque 剛好符合要求，首先它實現了 BlockingDeque 接口，多線程環境下的存取操作是安全的；此外，它還提供 drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements)方法，可以將容器內 maxElements 個元素安全地取出來，放到 Collection c 中。
實現
以下是具體的代碼實現：
- public class BatchCollapser<E> implements InitializingBean {
- private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(BatchCollapser.class);
- private static volatile Map<Class, BatchCollapser> instance = Maps.newConcurrentMap();
- private static final ScheduledExecutorService SCHEDULE_EXECUTOR = Executors.newScheduledThreadPool(1);
- private volatile LinkedBlockingDeque<E> batchContainer = new LinkedBlockingDeque<>();
- private Handler<List<E>, Boolean> cleaner;
- private long interval;
- private int threshHold;
- private BatchCollapser(Handler<List<E>, Boolean> cleaner, int threshHold, long interval) {
- this.cleaner = cleaner;
- this.threshHold = threshHold;
- this.interval = interval;
- }
- @Override
- public void afterPropertiesSet() throws Exception {
- SCHEDULE_EXECUTOR.scheduleAtFixedRate(() -> {
- try {
- this.clean();
- } catch (Exception e) {
- logger.error("clean container exception", e);
- }
- }, 0, interval, TimeUnit.MILLISECONDS);
- }
- public void submit(E event) {
- batchContainer.add(event);
- if (batchContainer.size() >= threshHold) {
- clean();
- }
- }
- private void clean() {
- List<E> transferList = Lists.newArrayListWithExpectedSize(threshHold);
- batchContainer.drainTo(transferList, 100);
- if (CollectionUtils.isEmpty(transferList)) {
- return;
- }
- try {
- cleaner.handle(transferList);
- } catch (Exception e) {
- logger.error("batch execute error, transferList:{}", transferList, e);
- }
- }
- public static <E> BatchCollapser getInstance(Handler<List<E>, Boolean> cleaner, int threshHold, long interval) {
- Class jobClass = cleaner.getClass();
- if (instance.get(jobClass) == null) {
- synchronized (BatchCollapser.class) {
- if (instance.get(jobClass) == null) {
- instance.put(jobClass, new BatchCollapser<>(cleaner, threshHold, interval));
- }
- }
- }
- return instance.get(jobClass);
- }
- }
以下代碼內需要注意的點：
- 由于合并器的全局性需求，需要將合并器實現為一個單例，另外為了提升它的通用性，內部使用使用 concurrentHashMap 和 double check 實現了一個簡單的單例工廠。
- 為了區分不同用途的合并器，工廠需要傳入一個實現了 Handler 的實例，通過實例的 class 來對請求進行分組存儲。
- 由于 java.util.Timer 的阻塞特性，一個 Timer 線程在阻塞時不會啟動另一個同樣的 Timer 線程，所以使用 ScheduledExecutorService 定時啟動 Timer 線程。
ConcurrentHashMultiset
設計
上面介紹的請求合并都是將多個請求一次發送，下游服務器處理時本質上還是多個請求，最好的請求合并是在內存中進行，將請求結果簡單合并成一個發送給下游服務器。如我們經常會遇到的需求：元素分值累加或數據統計，就可以先在內存中將某一項的分值或數據累加起來，定時請求數據庫保存。
Guava 內就提供了這么一種數據結構：ConcurrentHashMultiset，它不同于普通的 set 結構存儲相同元素時直接覆蓋原有元素，而是給每個元素保持一個計數 count, 插入重復時元素的 count 值加1。而且它在添加和刪除時并不加鎖也能保證線程安全，具體實現是通過一個 while(true) 循環嘗試操作，直到操作夠所需要的數量。
ConcurrentHashMultiset 這種排重計數的特性，非常適合數據統計這種元素在短時間內重復率很高的場景，經過排重后的數量計算，可以大大降低下游服務器的壓力，即使重復率不高，能用少量的內存空間換取系統可用性的提高，也是很劃算的。
實現
使用 ConcurrentHashMultiset 進行請求合并與使用普通容器在整體結構上并無太大差異，具體類似于：
- if (ConcurrentHashMultiset.isEmpty()) {
- return;
- }
- List<Request> transferList = Lists.newArrayList();
- ConcurrentHashMultiset.elementSet().forEach(request -> {
- int count = ConcurrentHashMultiset.count(request);
- if (count <= 0) {
- return;
- }
- transferList.add(count == 1 ? request : new Request(request.getIncrement() * count));
- ConcurrentHashMultiset.remove(request, count);
- });
小結
最后總結一下各個技術適用的場景：
- hystrix collapser: 需要每個請求的結果，并且不在意每個請求的 cost 會增加；
- BatchCollapser: 不在意請求的結果，需要請求合并能在時間和數量兩個維度上觸發；
- ConcurrentHashMultiset：請求重復率很高的統計類場景；
另外，如果選擇自己來實現的話，完全可以將 BatchCollapser 和 ConcurrentHashMultiset 結合一下，在BatchCollapser 里使用 ConcurrentHashMultiset 作為容器，這樣就可以結合兩者的優勢了。
