Nacos源码系列—订阅机制的前因后果(上)

前因

我们在了解Nacos订阅机制之前，首先来了解一下前因——Nacos客户端的“服务发现”，我们先通过下面一张图来直观的看一下，有人可能就说这也叫直观，明明很曲折，小农想说的是，这样才能让你们印象更加深刻(手动狗头)。

读者内心：我信你个鬼。

对于Naocs客户端“服务发现” 主要是有NamingService获取服务列表、组装参数，调用服务接口等等，上图中只是一个大致的流程，在其中还有获取服务列表中的通信流程协议(Grpc/http)，订阅流程以及后果(故障转移流程)，下面我们就来详细讲解一下，客户端服务发现的基本流程。

首先我们先从一个入口类Client项目下的NamingTest开始看起

@Ignore
public class NamingTest {
    
    @Test
    public void testServiceList() throws Exception {
        
        Properties properties = new Properties();
        //服务IP
        properties.put(PropertyKeyConst.SERVER_ADDR, "127.0.0.1:8848");
        //用户名
        properties.put(PropertyKeyConst.USERNAME, "nacos");
        //密码
        properties.put(PropertyKeyConst.PASSWORD, "nacos");
        
        Instance instance = new Instance();
        //实例IP
        instance.setIp("1.1.1.1");
        //实例端口
        instance.setPort(800);
        //配置权重
        instance.setWeight(2);
        Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
        map.put("netType", "external");
        map.put("version", "2.0");
        instance.setMetadata(map);

        //关键代码 创建自己的实例
        NamingService namingService = NacosFactory.createNamingService(properties);
        namingService.registerInstance("nacos.test.1", instance);
        
        ThreadUtils.sleep(5000L);
        
        List<Instance> list = namingService.getAllInstances("nacos.test.1");
        System.out.println(list);
        ThreadUtils.sleep(30000L);        
    }
}

在前几篇章节中，我们讲解了registerInstance()方法，今天我们需要来看一下getAllInstances()方法的具体逻辑，这个就是我们需要观察的入口

@Override
public List<Instance>  getAllInstances(String serviceName, String groupName, List<String> clusters,
        boolean subscribe) throws NacosException {
    ServiceInfo serviceInfo;
    String clusterString = StringUtils.join(clusters, ",");
    if (subscribe) {
        serviceInfo = serviceInfoHolder.getServiceInfo(serviceName, groupName, clusterString);
        if (null == serviceInfo || !clientProxy.isSubscribed(serviceName, groupName, clusterString)) {
            serviceInfo = clientProxy.subscribe(serviceName, groupName, clusterString);
        }
    } else {
        serviceInfo = clientProxy.queryInstancesOfService(serviceName, groupName, clusterString, 0, false);
    }
    List<Instance> list;
    if (serviceInfo == null || CollectionUtils.isEmpty(list = serviceInfo.getHosts())) {
        return new ArrayList<Instance>();
    }
    return list;
}

在上面具体方法中，会经过几轮重载方法的调用，在重载方法调用的过程中已经设置了默认值，例如（默认分组(DEFAULT_GROUP)，集群列表(空)、是否订阅(是)等等）

/**
 *
 * @param serviceName 服务名称
 * @param groupName   分组名称（DEFAULT_GROUP）
 * @param clusters    集群数量(默认为空)
 * @param subscribe   是否订阅服务（是）
 * @return
 * @throws NacosException
 */
@Override
public List<Instance>  getAllInstances(String serviceName, String groupName, List<String> clusters,
        boolean subscribe) throws NacosException {
    ServiceInfo serviceInfo;
    String clusterString = StringUtils.join(clusters, ",");
    //是否为订阅模式
    if (subscribe) {
        //从客户端缓存中获取服务信息
        serviceInfo = serviceInfoHolder.getServiceInfo(serviceName, groupName, clusterString);
        if (null == serviceInfo || !clientProxy.isSubscribed(serviceName, groupName, clusterString)) {
            //如果缓存中服务信息不存在，进行订阅
            serviceInfo = clientProxy.subscribe(serviceName, groupName, clusterString);
        }
    } else {
        //未订阅，从服务器获取
        serviceInfo = clientProxy.queryInstancesOfService(serviceName, groupName, clusterString, 0, false);
    }
    //获取实例列表
    List<Instance> list;
    if (serviceInfo == null || CollectionUtils.isEmpty(list = serviceInfo.getHosts())) {
        return new ArrayList<Instance>();
    }
    return list;
}

如果是订阅模式，直接从本都缓存中获取服务信息，然后从中获取实例列表，订阅机制会自动同步服务器实例信息到本地，如果缓存中没有，说明是首次调用，进行订阅后获取服务信息，具体流程如下：

订阅处理流程
在上面的流程中，我们讲到了订阅的逻辑，接下来我们就来看一看订阅里面到底做了哪些事情，首先我们已经知道服务在哪里订阅了，我们只需要点进去找对应的方法。

serviceInfo = clientProxy.subscribe(serviceName, groupName, clusterString);

下面是具体的方法，这里clientProxy类型为NamingClientProxyDelegate，实例化NacosNamingService时该类被实例化

@Override
public ServiceInfo subscribe(String serviceName, String groupName, String clusters) throws NacosException {
    NAMING_LOGGER.info("[SUBSCRIBE-SERVICE] service:{}, group:{}, clusters:{} ", serviceName, groupName, clusters);
    String serviceNameWithGroup = NamingUtils.getGroupedName(serviceName, groupName);
    String serviceKey = ServiceInfo.getKey(serviceNameWithGroup, clusters);
    //定时调度UpdateTask
    serviceInfoUpdateService.scheduleUpdateIfAbsent(serviceName, groupName, clusters);
    //获取缓存中的serviceInfo对象
    ServiceInfo result = serviceInfoHolder.getServiceInfoMap().get(serviceKey);
    if (null == result || !isSubscribed(serviceName, groupName, clusters)) {
        //判断如果为空，进行订阅逻辑处理（Grpc协议）
        result = grpcClientProxy.subscribe(serviceName, groupName, clusters);
    }
    //ServiceInfo本地缓存处理
    serviceInfoHolder.processServiceInfo(result);
    return result;
}

在上述代码中，可以看到我们在获取服务器列表中，进行了订阅逻辑的扩展。

1. 在订阅方法中首先开启定时任务，用来定时同步服务端的实例信息，进行本地缓存的更新等操作，如果是首次直接返回，去判断是否有本地缓存
2. 如果本地缓存中存在serviceInfo信息，直接返回serviceInfo信息，如果不存在，默认采用Grpc协议进行订阅，然后在返回serviceInfo信息
3. 通过grpcClientProxy.subscribe()直接向服务器发送一个订阅请求，并返回结果
4. servieInfo本地缓存处理，并且会将获取的最新的serviceInfo和本地的serviceInfo进行比较，进行更新操作。

如下图所示：

订阅

在上面我们讲解了，Nacos是如何进行服务器发现，以及订阅的入口和大体逻辑，接下来我们就来详细讲一讲Nacos的订阅机制的核心，首先Nacos客户端会通过定时任务，进行轮询，每间隔6秒从Nacos注册中心获取服务实例列表，如果检测实例发生变化，发布变更事件，订阅者进行对应的逻辑处理(更新缓存和实例信息)，我们先从一张图，来了解一下订阅机制主要的流程。

定时任务

订阅其实本身也是服务发现的一种实现方式，就是在服务发现的时候执行订阅方法，然后通过定时任务定时拉取服务端信息。
我们找到 NacosNamingService.subscribe()，会发现里面有好几个···subscribe()```方法，这几个方法在重载的过程中，会帮我们添加一些默认参数（默认分组、空集合列表），最终我们对定位到下面这个方法：

@Override
public void subscribe(String serviceName, String groupName, List<String> clusters, EventListener listener)
        throws NacosException {
    if (null == listener) {
        return;
    }
    String clusterString = StringUtils.join(clusters, ",");
    changeNotifier.registerListener(groupName, serviceName, clusterString, listener);
    clientProxy.subscribe(serviceName, groupName, clusterString);
}

在这里我们先来看 clientProxy.subscribe()，这个方法实际上就是我们上面讲到的NamingClientProxyDelegate.subscribe()方法，在这里主要是对服务列表的信息进行查询，所有我们可以知道不管是查询还是订阅都是用的同一个方法。在这里我们就不做过多的描述。

在这里我们主要关注的是这个方法里面一个定时调度的方法ServiceInfoUpdateService.scheduleUpdateIfAbsent();，这个方法里面构建了serviceKey，通过key来判断是否重复，最后添加到updateTask，而addTask()就是添加任务并且发起一个定时任务

public void scheduleUpdateIfAbsent(String serviceName, String groupName, String clusters) {
    String serviceKey = ServiceInfo.getKey(NamingUtils.getGroupedName(serviceName, groupName), clusters);
    if (futureMap.get(serviceKey) != null) {
        return;
    }
    synchronized (futureMap) {
        if (futureMap.get(serviceKey) != null) {
            return;
        }
        //主要关注点，添加定时任务
        ScheduledFuture<?> future = addTask(new UpdateTask(serviceName, groupName, clusters));
        futureMap.put(serviceKey, future);
    }
}

默认定时延迟一秒执行：

private static final long DEFAULT_DELAY = 1000L;
private synchronized ScheduledFuture<?> addTask(UpdateTask task) {
    return executor.schedule(task, DEFAULT_DELAY, TimeUnit.MILLISECONDS);
}

在这个定时任务里面封装了订阅机制的核心业务逻辑，位于UpdateTask.run()方法。

@Override
public void run() {
    long delayTime = DEFAULT_DELAY;

    try {
        //判断 服务是否订阅过并且没有开启定时任务 操作过不再执行
        if (!changeNotifier.isSubscribed(groupName, serviceName, clusters) && !futureMap.containsKey(
                serviceKey)) {
            NAMING_LOGGER.info("update task is stopped, service:{}, clusters:{}", groupedServiceName, clusters);
            isCancel = true;
            return;
        }

        //获取缓存的service信息
        ServiceInfo serviceObj = serviceInfoHolder.getServiceInfoMap().get(serviceKey);
        //缓存不存在
        if (serviceObj == null) {
            //根据serviceName等信息获取service信息
            serviceObj = namingClientProxy.queryInstancesOfService(serviceName, groupName, clusters, 0, false);
            //进行本地缓存处理
            serviceInfoHolder.processServiceInfo(serviceObj);
            lastRefTime = serviceObj.getLastRefTime();
            return;
        }

        //如果服务最后的更新时间<=缓存刷新时间，从注册中心重新查询
        if (serviceObj.getLastRefTime() <= lastRefTime) {
            serviceObj = namingClientProxy.queryInstancesOfService(serviceName, groupName, clusters, 0, false);
            //本地缓存处理
            serviceInfoHolder.processServiceInfo(serviceObj);
        }
        //刷新最后更新的时间
        lastRefTime = serviceObj.getLastRefTime();
        if (CollectionUtils.isEmpty(serviceObj.getHosts())) {
            incFailCount();
            return;
        }
        // TODO multiple time can be configured.
        //下一次更新缓存时间设置(6秒)
        delayTime = serviceObj.getCacheMillis() * DEFAULT_UPDATE_CACHE_TIME_MULTIPLE;
        //设置失败数量为0
        resetFailCount();
    } catch (Throwable e) {
        incFailCount();
        NAMING_LOGGER.warn("[NA] failed to update serviceName: {}", groupedServiceName, e);
    } finally {
        //没有服务订阅过并且开启定时任务
        if (!isCancel) {
            // 下次调度刷新时间，下次执行的时间与failCount有关，failCount=0，则下次调度时间为6秒，最长为1分钟
            // 无异常情况下缓存实例的刷新时间是6秒
            executor.schedule(this, Math.min(delayTime << failCount, DEFAULT_DELAY * 60),
                    TimeUnit.MILLISECONDS);
        }
    }
}

通过定时任务执行UpdateTask，默认间隔时间为6秒，当发生异常时会延长，但不会超过1分钟。该方法会比较本地是否存在缓存，以及是否过期，当不存在或者过期的时候，会去查询注册中心，获取最新实例，更新最后获取时间，处理服务信息，在最后会计算任务时间，循环执行流程。

业务逻辑在最后会计算下一次定时任务的执行时间，通过delayTime来延迟执行，delayTime默认为1000*6(6秒)，在finally 里面发起下一次定时任务，当我们程序出现异常的时候，执行时间和错误次数成正比，最长时间不超过一分钟

到这里我们已经对于Nacos客户端定于的核心流程讲解了一遍，Nacos客户端通过一个定时任务，每间隔6秒从注册中心获取实例列表，当发现实例发生变化的时候，发布变更事件，订阅者进行业务处理，然后更新内存中和本地缓存中的实例。接下来我们就来讲一讲，定时任务获取到最新实例列表之后，整个时间机制是如何处理的。

我们在第一步调用subscribe()方法的时候，会订阅一个EventListener事件，而在定时任务UpdateTask定时获取实例列表之后，会调用ServiceInfoHolder.processServiceInfo方法对ServiceInfo进行本地处理，这其中就包括事件处理。

在subscribe方法中，通过下面的代码我们进行监听事件的注册

@Override
public void subscribe(String serviceName, String groupName, List<String> clusters, EventListener listener)
        throws NacosException {
    if (null == listener) {
        return;
    }
    String clusterString = StringUtils.join(clusters, ",");
    changeNotifier.registerListener(groupName, serviceName, clusterString, listener);
    clientProxy.subscribe(serviceName, groupName, clusterString);
}

在上述代码中，我们主要关注的是changeNotifier.registerListener，这个监听就是进行具体事件注册逻辑，在下述代码中，主要是将EventListener存储在listenerMapmap结构中，key为服务实例信息的拼接，value为监听事件的集合

public void registerListener(String groupName, String serviceName, String clusters, EventListener listener) {
    String key = ServiceInfo.getKey(NamingUtils.getGroupedName(serviceName, groupName), clusters);
    ConcurrentHashSet<EventListener> eventListeners = listenerMap.get(key);
    if (eventListeners == null) {
        synchronized (lock) {
            eventListeners = listenerMap.get(key);
            if (eventListeners == null) {
                eventListeners = new ConcurrentHashSet<EventListener>();
                //将EventListener缓存到listenerMap中
                listenerMap.put(key, eventListeners);
            }
        }
    }
    eventListeners.add(listener);
}

关于serviceInfo的处理
在updateTask获取到最新的实例信息后会进行本地化处理,我们需要看的是ServiceInfoUpdateService.run()下的serviceInfoHolder.processServiceInfo(serviceObj);本地缓存方法

public ServiceInfo processServiceInfo(ServiceInfo serviceInfo) {
      //判断服务key是否为空
      String serviceKey = serviceInfo.getKey();
      if (serviceKey == null) {
          return null;
      }
      ServiceInfo oldService = serviceInfoMap.get(serviceInfo.getKey());
      if (isEmptyOrErrorPush(serviceInfo)) {
          //empty or error push, just ignore
          return oldService;
      }
      //将缓存信息放置到map中
      serviceInfoMap.put(serviceInfo.getKey(), serviceInfo);
      //判断实例信息是否发生改变
      boolean changed = isChangedServiceInfo(oldService, serviceInfo);
      if (StringUtils.isBlank(serviceInfo.getJsonFromServer())) {
          serviceInfo.setJsonFromServer(JacksonUtils.toJson(serviceInfo));
      }
      //监控服务缓存map的大小
      MetricsMonitor.getServiceInfoMapSizeMonitor().set(serviceInfoMap.size());
      if (changed) {
          NAMING_LOGGER.info("current ips:({}) service: {} -> {}", serviceInfo.ipCount(), serviceInfo.getKey(),
                  JacksonUtils.toJson(serviceInfo.getHosts()));
          //添加实例变更事件，被订阅者执行
          NotifyCenter.publishEvent(new InstancesChangeEvent(serviceInfo.getName(), serviceInfo.getGroupName(),
                  serviceInfo.getClusters(), serviceInfo.getHosts()));
          //写入本地文件
          DiskCache.write(serviceInfo, cacheDir);
      }
      return serviceInfo;
  }   

首先我们判断最新的ServiceInfo数据是否正确，有没有发生变化，如果数据格式正确且发生变化，会发布一个变更事件(InstancesChangeEvent)，同时讲serviceinfo写入缓存中

对于服务信息的变更，Nacos是如何做的呢，别急我们往下看，当我们调用InstancesChangeEvent()方法以后，变更事件会由NotifyCenter进行发布，我们来瞅一瞅

首先事件追踪的核心流程主要分为，根据事件类型获取-》获取事件发布者-》发布事件，详细如下所示：

private static final NotifyCenter INSTANCE = new NotifyCenter();

private static boolean publishEvent(final Class<? extends Event> eventType, final Event event) {
    if (ClassUtils.isAssignableFrom(SlowEvent.class, eventType)) {
        return INSTANCE.sharePublisher.publish(event);
    }
    //根据时间类型，获取对应的CanonicalName
    final String topic = ClassUtils.getCanonicalName(eventType);
    //从NotifyCenter.publisherMap中获取对应时间发布中
    EventPublisher publisher = INSTANCE.publisherMap.get(topic);
    if (publisher != null) {
        //事件发布者publisher发布事件
        return publisher.publish(event);
    }
    LOGGER.warn("There are no [{}] publishers for this event, please register", topic);
    return false;
}

在这个源码中，其实 INSTANCE是单例实现的，在这里publisherMap键值对是什么时候建立的？其实在是我们NacosNamingService.init()调用初始化方法的时候进行绑定的

private void init(Properties properties) throws NacosException {
    ......
    //建立InstancesChangeEvent和EnvenPublisher的关系
    NotifyCenter.registerToPublisher(InstancesChangeEvent.class, 16384);
   ......
}

当我们从上面方法进去的时候，会发现他默认使用的是DEFAULT_PUBLISHER_FACTORY来进行构建，而在NotifyCenter代码块中，会发现DEFAULT_PUBLISHER_FACTORY默认构建的EventPublisher为DefaultPublisher

public static EventPublisher registerToPublisher(final Class<? extends Event> eventType, final int queueMaxSize) {
//主要关注DEFAULT_PUBLISHER_FACTORY
  return registerToPublisher(eventType, DEFAULT_PUBLISHER_FACTORY, queueMaxSize);
}

if (iterator.hasNext()) {
      clazz = iterator.next().getClass();
  } else {
      clazz = DefaultPublisher.class;
  }

  DEFAULT_PUBLISHER_FACTORY = (cls, buffer) -> {
      try {
          EventPublisher publisher = clazz.newInstance();
          publisher.init(cls, buffer);
          return publisher;
      } catch (Throwable ex) {
          LOGGER.error("Service class newInstance has error : ", ex);
          throw new NacosRuntimeException(SERVER_ERROR, ex);
      }
  }; 

由此我们看出在NotifyCenter类中维护了事件名称和事件发布者的关系，而默认的时间发布中为DefaultPublisher。

闲言

到这里，我们Nacos订阅机制的前半章我们就讲完了，因为整体服务订阅的事件机制还是比较复杂，篇幅太长，所以分成了两部分，今天这个章节我们主要讲解了，客户端服务发现的原理以及订阅机制中定时器的运行逻辑和NotifyCenter发布InstancesChangeEvent事件的流程

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