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Spring Cloud LoadBalancer 原理与实践

article 2025/3/16 11:59:43

背景

当前我们的微服务架构基于Spring Cloud Alibaba体系，通过定制NacosRule实现了跨集群访问和灰度发布功能。但随着Spring Cloud与Nacos版本升级，官方已弃用Ribbon转向LoadBalancer，这要求我们完成以下技术升级：

  1. 负载均衡机制迁移：将原有Ribbon规则适配到LoadBalancer
  2. 功能继承保障：保持跨集群路由和灰度能力
  3. 技术风险控制：深入理解底层机制以提升问题排查效率

技术选型对比

特性RibbonLoadBalancer
维护状态停止更新官方维护
响应式支持不支持原生支持
配置灵活性XML/注解全Java配置
扩展性中等高
服务发现集成需要适配深度整合

负载均衡

什么是负载均衡？简单来说，负载均衡就是将网络流量（负载）分摊到不同的网络服务器（可以平均分配，也可以不平均），系统就可以实现服务的水平横向扩展。

服务端负载均衡

服务器端负载均衡指的是存放在服务器端的负载均衡器，例如 Nginx、HAProxy、F5 等。

在这里插入图片描述

客户端负载均衡

客户端负载均衡指的是嵌套在客户端的负载均衡器，例如 Ribbon、Loadbalancer。

在这里插入图片描述

Spring cloud loadbalancer

在介绍loadbalancer之前，如果让你来设计一个负载均衡组件，你会怎么设计？

我们可能需要考虑以下这几个问题：

  • 如何获取服务器列表？
  • 服务器列表发生变更如何监听同步？
  • 如何将客户端请求进行拦截然后选择服务器进行转发？
  • 如何将负载进行分摊？

带着这些问题，我们来深入了解Spring Cloud LoadBalancer的实现机制。

服务器列表获取

ServiceInstanceListSupplier

public interface ServiceInstanceListSupplier
		extends Supplier<Flux<List<ServiceInstance>>> {

	// 服务id
	String getServiceId();
    // 构造器
	static ServiceInstanceListSupplierBuilder builder() {
		return new ServiceInstanceListSupplierBuilder();
	}
    //用于创建一个 固定的 ServiceInstanceListSupplier（实例列表不会变）。
    //允许从 Spring Environment 读取配置来构造 FixedServiceInstanceListSupplier。
    static FixedServiceInstanceListSupplier.Builder fixed(Environment environment) {
		return new FixedServiceInstanceListSupplier.Builder(environment);
	}
	//直接返回 serviceId 对应的 FixedServiceInstanceListSupplier。
	static FixedServiceInstanceListSupplier.SimpleBuilder fixed(String serviceId) {
		return new FixedServiceInstanceListSupplier.SimpleBuilder(serviceId);
	}
	//实现 ServiceInstanceListSupplier，用于返回一个固定的实例列表，不会动态更新。
    //适用于测试环境或者静态服务发现场景。
	class FixedServiceInstanceListSupplier implements ServiceInstanceListSupplier {

		private final String serviceId;

		private List<ServiceInstance> instances;

		@Deprecated
		public static Builder with(Environment env) {
			return new Builder(env);
		}
		//构造 FixedServiceInstanceListSupplier，接受服务 ID 和实例列表。
		private FixedServiceInstanceListSupplier(String serviceId,
				List<ServiceInstance> instances) {
			this.serviceId = serviceId;
			this.instances = instances;
		}
		//返回当前 FixedServiceInstanceListSupplier 所管理的 serviceId。
		@Override
		public String getServiceId() {
			return serviceId;
		}
		//返回固定的实例列表，不会随 Nacos 或 Eureka 变化。
		@Override
		public Flux<List<ServiceInstance>> get() {
			return Flux.just(instances);
		}
	}

该接口提供符合条件的实例列表，并提供了 builder 方法返回 ServiceInstanceListSupplierBuilder 实例用来构造 ServiceInstanceListSupplier

同时FixedServiceInstanceListSupplier，它返回固定的服务实例列表。它主要用于

  • ** 测试负载均衡逻辑**（在不依赖 Nacos/Eureka 的情况下提供固定实例）。**
  • 静态配置服务实例（比如在某些特殊场景下，不使用注册中心，而是固定 IP+端口）。

示例

List<ServiceInstance> instances = List.of(
    new DefaultServiceInstance("id1", "my-service", "127.0.0.1", 8080, false),
    new DefaultServiceInstance("id2", "my-service", "127.0.0.2", 8081, false)
);

ServiceInstanceListSupplier supplier = ServiceInstanceListSupplier.fixed("my-service")
    .withInstances(instances)
    .build();

// 获取实例列表
supplier.get().subscribe(list -> list.forEach(instance ->
    System.out.println(instance.getHost() + ":" + instance.getPort())
));

整个 ServiceInstanceListSupplier 的实现类都是 rx式 编程风格，但核心逻辑不难看懂，下面就贴出几个实现类简单了解下

DiscoveryClientServiceInstanceListSupplier

...	
// 普通mvc项目获取获取实例列表
public DiscoveryClientServiceInstanceListSupplier(DiscoveryClient delegate,
			Environment environment) {
		this.serviceId = environment.getProperty(PROPERTY_NAME);
		resolveTimeout(environment);
		this.serviceInstances = Flux
				.defer(() -> Mono.fromCallable(() -> delegate.getInstances(serviceId)))
				.timeout(timeout, Flux.defer(() -> {
					logTimeout();
					return Flux.just(new ArrayList<>());
				}), Schedulers.boundedElastic()).onErrorResume(error -> {
					logException(error);
					return Flux.just(new ArrayList<>());
				});
	}
	// webflux项目获取获取实例列表
	public DiscoveryClientServiceInstanceListSupplier(ReactiveDiscoveryClient delegate,
			Environment environment) {
		...
	}
...

主要逻辑在构造方法中，等价于 this.serviceInstances = discoveryClient.getInstances(serviceId)，不难理解：从注册中心拉去实例列表

DelegatingServiceInstanceListSupplier

public abstract class DelegatingServiceInstanceListSupplier
		implements ServiceInstanceListSupplier, InitializingBean, DisposableBean {

	protected final ServiceInstanceListSupplier delegate;

	public DelegatingServiceInstanceListSupplier(ServiceInstanceListSupplier delegate) {
		Assert.notNull(delegate, "delegate may not be null");
		this.delegate = delegate;
	}
    ...

装饰层，内嵌一个代理对象，一般就是 DiscoveryClientServiceInstanceListSupplier 来获取实例列表，装饰逻辑就是过滤对应的列表

其下面有n个实现子类，暂不贴代码了

主要功能为：

  • ZonePreferenceServiceInstanceListSupplier：区域优先选择，优先选择与当前客户端在相同 zone（可用区）的实例，提高访问效率，降低跨区域流量消耗。
  • CachingServiceInstanceListSupplier：缓存 ServiceInstanceListSupplier 的返回结果，减少注册中心查询次数，提升性能。
  • SameInstancePreferenceServiceInstanceListSupplier：尽量路由到之前选中的实例，减少服务间的切换，提高请求一致性。
  • HealthCheckServiceInstanceListSupplier：在负载均衡前，过滤掉不健康的服务实例，确保请求不会路由到故障实例。

选择实例以及转发

ReactorLoadBalancer

public interface ReactorLoadBalancer<T> extends ReactiveLoadBalancer<T> {

	/**
	 * Choose the next server based on the load balancing algorithm.
	 * @param request - an input request
	 * @return - mono of response
	 */
	@SuppressWarnings("rawtypes")
	Mono<Response<T>> choose(Request request);

	default Mono<Response<T>> choose() {
		return choose(REQUEST);
	}

}

该接口从 ServiceInstanceListSupplier 返回的实例中选择最终目标，其中也分为普通mvc项目和webflux项目，spring-cloud-loadbalancer 默认只提供了两个实现：

  • RandomLoadBalancer：随机选择
  • RoundRobinLoadBalancer：轮询

如果不明白这两区别，可以看文章最后的部分

服务装配

LoadBalancerClientConfiguration

@Configuration(proxyBeanMethods = false)
@ConditionalOnDiscoveryEnabled
public class LoadBalancerClientConfiguration {

	private static final int REACTIVE_SERVICE_INSTANCE_SUPPLIER_ORDER = 193827465;

    //实例选择规则：默认轮询
	@Bean
	@ConditionalOnMissingBean
	public ReactorLoadBalancer<ServiceInstance> reactorServiceInstanceLoadBalancer(
			Environment environment,
			LoadBalancerClientFactory loadBalancerClientFactory) {
		String name = environment.getProperty(LoadBalancerClientFactory.PROPERTY_NAME);
		return new RoundRobinLoadBalancer(loadBalancerClientFactory.getLazyProvider(name,
				ServiceInstanceListSupplier.class), name);
	}

    //WebFlux 环境下的默认 ServiceInstanceListSupplier 配置
	@Configuration(proxyBeanMethods = false)
	@ConditionalOnReactiveDiscoveryEnabled
	@Order(REACTIVE_SERVICE_INSTANCE_SUPPLIER_ORDER)
	public static class ReactiveSupportConfiguration {

		@Bean
		@ConditionalOnBean(ReactiveDiscoveryClient.class)
		@ConditionalOnMissingBean
		@ConditionalOnProperty(value = "spring.cloud.loadbalancer.configurations",
				havingValue = "default", matchIfMissing = true)
		public ServiceInstanceListSupplier discoveryClientServiceInstanceListSupplier(
				ConfigurableApplicationContext context) {
			return ServiceInstanceListSupplier.builder().withDiscoveryClient()
					.withCaching().build(context);
		}
		...
	}
	//普通 web 环境下的配置
	@Configuration(proxyBeanMethods = false)
	@ConditionalOnBlockingDiscoveryEnabled
	@Order(REACTIVE_SERVICE_INSTANCE_SUPPLIER_ORDER + 1)
	public static class BlockingSupportConfiguration {
		...

		@Bean
		@ConditionalOnBean(DiscoveryClient.class)
		@ConditionalOnMissingBean
		@ConditionalOnProperty(value = "spring.cloud.loadbalancer.configurations",
				havingValue = "health-check")
		public ServiceInstanceListSupplier healthCheckDiscoveryClientServiceInstanceListSupplier(
				ConfigurableApplicationContext context) {
			return ServiceInstanceListSupplier.builder().withBlockingDiscoveryClient()
					.withHealthChecks().build(context);
		}
		...
	}

}

现在回过头来看每个 LoadBalancerClient 容器实例下默认注册的配置类 LoadBalancerClientConfiguration，如代码所示：

默认的实例选择规则是 轮询
对应的实例列表获取规则取决于 spring.cloud.loadbalancer.configurations 属性配置

LoadBalancerAutoConfiguration

@Configuration(proxyBeanMethods = false)
@LoadBalancerClients
@EnableConfigurationProperties(LoadBalancerProperties.class)
@AutoConfigureBefore({ ReactorLoadBalancerClientAutoConfiguration.class,
		LoadBalancerBeanPostProcessorAutoConfiguration.class,
		ReactiveLoadBalancerAutoConfiguration.class })
public class LoadBalancerAutoConfiguration {

	private final ObjectProvider<List<LoadBalancerClientSpecification>> configurations;

	public LoadBalancerAutoConfiguration(
			ObjectProvider<List<LoadBalancerClientSpecification>> configurations) {
		this.configurations = configurations;
	}

	@Bean
	@ConditionalOnMissingBean
	public LoadBalancerZoneConfig zoneConfig(Environment environment) {
		return new LoadBalancerZoneConfig(
				environment.getProperty("spring.cloud.loadbalancer.zone"));
	}

	@ConditionalOnMissingBean
	@Bean
	public LoadBalancerClientFactory loadBalancerClientFactory() {
		LoadBalancerClientFactory clientFactory = new LoadBalancerClientFactory();
		clientFactory.setConfigurations(
				this.configurations.getIfAvailable(Collections::emptyList));
		return clientFactory;
	}

}

等上述所有实例加载完，最后整体装配

执行最终实例

BlockingLoadBalancerClient

public class BlockingLoadBalancerClient implements LoadBalancerClient {
	...
	@Override
	public <T> T execute(String serviceId, LoadBalancerRequest<T> request)
			throws IOException {
		ServiceInstance serviceInstance = choose(serviceId);
		if (serviceInstance == null) {
			throw new IllegalStateException("No instances available for " + serviceId);
		}
		return execute(serviceId, serviceInstance, request);
	}

    //执行request请求
	@Override
	public <T> T execute(String serviceId, ServiceInstance serviceInstance,
			LoadBalancerRequest<T> request) throws IOException {
		try {
			return request.apply(serviceInstance);
		}
		catch (IOException iOException) {
			throw iOException;
		}
		catch (Exception exception) {
			ReflectionUtils.rethrowRuntimeException(exception);
		}
		return null;
	}

	@Override
	public URI reconstructURI(ServiceInstance serviceInstance, URI original) {
		return LoadBalancerUriTools.reconstructURI(serviceInstance, original);
	}
	
	@Override
	public ServiceInstance choose(String serviceId) {
        //获取 serviceId 容器中的 ReactiveLoadBalancer 实例
		ReactiveLoadBalancer<ServiceInstance> loadBalancer = loadBalancerClientFactory
				.getInstance(serviceId);
		if (loadBalancer == null) {
			return null;
		}
		Response<ServiceInstance> loadBalancerResponse = Mono.from(loadBalancer.choose())
				.block();
		if (loadBalancerResponse == null) {
			return null;
		}
		return loadBalancerResponse.getServer();
	}

}

最后回到 BlockingLoadBalancerClient#execute 逻辑（容器中默认装配的 LoadBalancerClient）：

逻辑无非就是选择最终的实例来执行请求
底层逻辑就是从隔离好的 容器 中获取对应的 ServiceInstanceListSupplier 和 ReactiveLoadBalancer 来选择实例

实践指南

配置类

  • 注册中心维度，相当于每个client端隔离一份配置，都走自己定义的逻辑，通过@LoadBalancerClients注解整合到一份配置类中，具体配置一内部类的形式维护，缺点就是，client端规则发生变化时，需要修改对应配置类
  • 通用策略配置，每种策略配置隔离一份，通过@LoadBalancerClients注解整合到一份配置类中，client端选择对应的配置即可，缺点就是，组合会很多，比较复杂，但是好处时，如果发生变更的话，只需要更改@LoadBalancerClients的属性值，拓展性也比较好

注册中心维度

@LoadBalancerClients({
        @LoadBalancerClient(value = "eureka-client-1", configuration = ClietConfig.EurekaClient1Config.class)
        , @LoadBalancerClient(value = "eureka-client-2", configuration = ClietConfig.EurekaClient2Config.class)
})
public class ClietConfig {
    //如果这里面的规则发生变化，就得改这里面的东西
    static class EurekaClient1Config {
        // ... 
    }
    //如果这里面的规则发生变化，就得改这里面的东西
    static class EurekaClient2Config {
        // ...
    }
}

通用策略维度

@LoadBalancerClients({
        @LoadBalancerClient(value = "eureka-client-1", configuration = LoadBalanceConfig.RandomLoadBalancerConfig.class)
        , @LoadBalancerClient(value = "eureka-client-2", configuration = LoadBalanceConfig.ZonePerferServiceListConfig.class)
})
public class LoadBalanceConfig {
    //这些策略不用更改，一般时通用
    static class RandomLoadBalancerConfig {
        // ...
    }
    //这些策略不用更改，一般时通用
    static class HintServiceListConfig {
        // ... 
    }
    // ...
}

灰度切入

目前根据loadbalancer提供的类来看，可以实现灰度切入的有两个地方，分别为：

  • ReactiveLoadBalancer：选择实例
  • ServiceInstanceListSupplier：过滤实例

严格意义上来说，我的理解是灰度功能是来选择示例的，并不是过滤实例的，所以我可能更倾向于通过ReactiveLoadBalancer来实现，实现他的choose方法；

但是这里有个坑是啥？

如果你想在ReactiveLoadBalancer层面实现基于请求头的路由决策，你需要在调用choose方法时传递一些上下文信息。Spring Cloud LoadBalancer中的Request接口可以携带这些信息。然而，Request对象需要在调用choose之前构建，并且Spring Cloud LoadBalancer并没有提供一个内置的方式来根据传入的HTTP请求构建这个Request对象。

不过这个可以通过上下文来传递下来，需要自己来做一些封装

本文暂时不细讲灰度的实现，后续有时间的话，我专门出一篇文章来说

自定义负载策略

通过"选择实例以及转发"章节的介绍，我们可以发现，loadbalancer主要提供了两个默认策略：

  • RandomLoadBalancer：随机选择
  • RoundRobinLoadBalancer：轮询

同时，他们又是被 @ConditionalOnMissingBean修饰，所以，如果我们想自定义自己的策略规则，我们直接通过 @Configuration和@Bean，注入自己的策略就行，以下是一个简单示例

@Configuration
@LoadBalancerClients(defaultConfiguration = MyBalancerConfiguration.class)
public class MyBalancerConfiguration {
    
    /**
     * 自定义负载均衡器
     */
    @Bean
    public ReactorLoadBalancer<ServiceInstance> reactorServiceInstanceLoadBalancer(Environment environment,
        LoadBalancerClientFactory loadBalancerClientFactory) {
        String name = environment.getProperty(LoadBalancerClientFactory.PROPERTY_NAME);
        return new MyLoadBalancer(
            loadBalancerClientFactory.getLazyProvider(name, ServiceInstanceListSupplier.class), name);
    }
}

其中MyLoadBalancer是我们自定义的规则

@Slf4j
public class MyLoadBalancer implements ReactorServiceInstanceLoadBalancer {
    private final String serviceId;
    //服务列表
    private final ObjectProvider<ServiceInstanceListSupplier> serviceInstanceListSupplierProvider;
    
    public MyLoadBalancer(ObjectProvider<ServiceInstanceListSupplier> supplier, String serviceId) {
        this.serviceId = serviceId;
        this.serviceInstanceListSupplierProvider = supplier;
    }
    
    @Override
    public Mono<Response<ServiceInstance>> choose(Request request) {
        /**
         * 进行路由选择
         */
        ...
    }
}

拓展

ReactiveLoadBalancer 和ServiceInstanceListSupplier 区别

概念区分
组件名称作用
ServiceInstanceListSupplier负责提供某个服务的所有可用实例列表（获取并缓存服务实例列表）。
ReactiveLoadBalancer负责基于负载均衡策略，从 ServiceInstanceListSupplier 提供的实例列表中选择一个合适的实例。

简单来说：

  • ServiceInstanceListSupplier 负责提供候选实例列表。
  • ReactiveLoadBalancer 负责从这些候选实例中挑选一个最终的实例。
核心职责

ServiceInstanceListSupplier

  • 主要作用：提供目标服务的可用 ServiceInstance 列表。

  • 底层实现：它会通过 DiscoveryClient（如 Nacos、Eureka 等）获取服务实例列表，并可能会对实例进行缓存、筛选、排序等操作。

  • 接口定义：

    public interface ServiceInstanceListSupplier {
    Flux<List<ServiceInstance>> get();
}
    • 该接口返回一个 Flux<List<ServiceInstance>>，代表着它是响应式的，能够动态推送服务实例列表更新（比如当 Nacos 服务实例变更时）。
    • 其默认实现 DiscoveryClientServiceInstanceListSupplier 会基于 DiscoveryClient 获取实例信息。

  • 可以自定义过滤、排序规则：

    • 例如，你可以扩展 ServiceInstanceListSupplier，让它优先返回健康检查通过的实例，或者特定版本的实例。

    • 代码示例：

      @Component
public class MyCustomInstanceSupplier implements ServiceInstanceListSupplier {
    private final DiscoveryClient discoveryClient;

    public MyCustomInstanceSupplier(DiscoveryClient discoveryClient) {
        this.discoveryClient = discoveryClient;
    }

    @Override
    public Flux<List<ServiceInstance>> get() {
        return Flux.defer(() -> {
            List<ServiceInstance> instances = discoveryClient.getInstances("my-service");
            // 自定义筛选逻辑，比如过滤掉某些状态的实例
            List<ServiceInstance> filteredInstances = instances.stream()
                .filter(instance -> instance.getMetadata().get("status").equals("UP"))
                .collect(Collectors.toList());
            return Flux.just(filteredInstances);
        });
    }
}

ReactiveLoadBalancer

  • 主要作用：根据某种负载均衡算法，从 ServiceInstanceListSupplier 提供的实例中挑选一个。

  • 底层实现：它的核心方法是：

    public interface ReactiveLoadBalancer<T> {
    Mono<Response<T>> choose(Request request);
}
    • choose(Request request): 选择一个具体的 ServiceInstance。
    • 其中 T 通常是 ServiceInstance，也可以是 Response<ServiceInstance>（包含 metadata）。

  • 默认实现

    • RoundRobinLoadBalancer：基于轮询算法选择实例。
    • RandomLoadBalancer：随机选择一个实例。
    • CachingServiceInstanceListSupplier：基于缓存提高性能，避免频繁查询服务列表。

  • 示例：自定义 ReactiveLoadBalancer

    • 例如，你可以自定义负载均衡算法，优先选择 CPU 负载最低的实例：

      @Component
public class MyCustomLoadBalancer implements ReactiveLoadBalancer<ServiceInstance> {
    private final ServiceInstanceListSupplier supplier;

    public MyCustomLoadBalancer(ServiceInstanceListSupplier supplier) {
        this.supplier = supplier;
    }

    @Override
    public Mono<Response<ServiceInstance>> choose(Request request) {
        return supplier.get()
            .map(instances -> {
                // 选择 CPU 负载最低的实例
                ServiceInstance selectedInstance = instances.stream()
                    .min(Comparator.comparing(instance -> getCpuLoad(instance)))
                    .orElse(null);
                return new DefaultResponse(selectedInstance);
            });
    }

    private double getCpuLoad(ServiceInstance instance) {
        // 这里假设实例 metadata 里包含 cpu_load
        return Double.parseDouble(instance.getMetadata().getOrDefault("cpu_load", "100"));
    }
}
完整负载均衡流程
  1. 客户端发起请求
    • 例如，Spring Cloud Gateway 或 RestTemplate 发起对 my-service 的调用。
  2. 获取可用实例列表
    • ServiceInstanceListSupplier.get() 从注册中心（Nacos、Eureka）获取 my-service 的所有实例。
  3. 选择负载均衡策略
    • ReactiveLoadBalancer.choose(request) 使用 RoundRobinLoadBalancer 或自定义策略，选择一个实例。
  4. 最终返回一个实例
    • ReactiveLoadBalancer 选出具体的 ServiceInstance，并返回给 WebClient 或 RestTemplate 进行请求。

示意图：

请求 -> ServiceInstanceListSupplier 获取实例列表 -> ReactiveLoadBalancer 选择实例 -> 返回实例给调用方
总结
组件主要作用关键方法关系
ServiceInstanceListSupplier提供某个服务的可用实例列表Flux<List<ServiceInstance>> get()负责获取候选服务实例
ReactiveLoadBalancer依据负载均衡策略选择具体实例Mono<Response<ServiceInstance>> choose(Request request)负责选择最终的服务实例
  • ServiceInstanceListSupplier 负责从服务发现组件（如 Nacos）获取所有可用实例，可能还会做缓存、排序、过滤。
  • ReactiveLoadBalancer 负责根据负载均衡策略（轮询、随机、自定义策略）从 ServiceInstanceListSupplier 获取的实例中挑选一个最终的实例。
  • ReactiveLoadBalancer 依赖 ServiceInstanceListSupplier，它无法直接从 Nacos 之类的服务注册中心获取实例，而是必须由 ServiceInstanceListSupplier 提供候选实例。

http://www.kler.cn/a/586904.html

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