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编者按：InfoQ开设栏目“品味书香”，精选技术书籍的精彩章节，以及分享看完书留下的思考和收获，欢迎大家关注。本文节选自李林锋著《分布式服务框架原理与实践》中的章节“服务化最佳实践”，对服务化之后面临的挑战进行分析，并给出解决方案和业务最佳实践。
在服务化之前，业务通常都是本地API调用，本地方法调用性能损耗较小。服务化之后，服务提供者和消费者之间采用远程网络通信，增加了额外的性能损耗，业务调用的时延将增大，同时由于网络闪断等原因，分布式调用失败的风险也增大。如果服务框架没有足够的容错能力，业务失败率将会大幅提升。
除了性能、可靠性等问题，跨节点的事务一致性问题、分布式调用带来的故障定界困难、海量微服务运维成本增加等也是分布式服务框架必须要解决的难题。本章节我们将对服务化之后面临的挑战进行分析，并给出解决方案和业务最佳实践。
1. 性能和时延问题
在服务化之前，业务通常都是本地API调用，本地方法调用性能损耗较小。服务化之后，服务提供者和消费者之间采用远程网络通信，增加了额外的性能损耗：
1） 客户端需要对消息进行序列化，主要占用CPU计算资源。
2） 序列化时需要创建二进制数组，耗费JVM堆内存或者堆外内存。
3） 客户端需要将序列化之后的二进制数组发送给服务端，占用网络带宽资源。
4） 服务端读取到码流之后，需要将请求数据报反序列化成请求对象，占用CPU计算资源。
5） 服务端通过反射的方式调用服务提供者实现类，反射本身对性能影响就比较大。
6） 服务端将响应结果序列化，占用CPU计算资源。
7） 服务端将应答码流发送给客户端，占用网络带宽资源。
8） 客户端读取应答码流，反序列化成响应消息，占用CPU资源。
通过分析我们发现，一个简单的本地方法调用，切换成远程服务调用之后，额外增加了很多处理流程，不仅占用大量的系统资源，同时增加了时延。一些复杂的应用会拆分成多个服务，形成服务调用链，如果服务化框架的性能比较差、服务调用时延也比较大，业务服务化之后的性能和时延将无法满足业务的性能需求
1.1 RPC框架高性能设计
影响RPC框架性能的主要因素有三个。
1） I/O调度模型：同步阻塞I/O（BIO）还是非阻塞I/O（NIO）。
2） 序列化框架的选择：文本协议、二进制协议或压缩二进制协议。
3） 线程调度模型：串行调度还是并行调度，锁竞争还是无锁化算法。
1. I/O调度模型
在I/O编程过程中，当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者I/O多路复用技术进行处理。I/O多路复用技术通过把多个I/O的阻塞复用到同一个select的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型比，I/O多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。
JDK1.5_update10版本使用epoll替代了传统的select/poll，极大地提升了NIO通信的性能，它的工作原理如图1-1所示。
图1-1 非阻塞I/O工作原理
Netty是一个开源的高性能NIO通信框架：它的I/O线程NioEventLoop由于聚合了多路复用器Selector，可以同时并发处理成百上千个客户端Channel。由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升I/O线程的运行效率，避免由于频繁I/O阻塞导致的线程挂起。另外，由于Netty采用了异步通信模式，一个I/O线程可以并发处理N个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞I/O一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。
Netty被精心设计，提供了很多独特的性能提升特性，使它做到了在各种NIO框架中性能排名第一，它的性能优化措施总结如下。
1） 零拷贝：（1）Netty的接收和发送ByteBuffer采用DIRECT BUFFERS，使用堆外直接内存进行Socket读写，不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存（HEAP BUFFERS）进行Socket读写，JVM会将堆内存Buffer拷贝一份到直接内存中，然后才写入Socket中。相比于堆外直接内存，消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。（2）Netty提供了组合Buffer对象，可以聚合多个ByteBuffer对象，用户可以像操作一个Buffer那样方便地对组合Buffer进行操作，避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小Buffer合并成一个大的Buffer。（3）Netty的文件传输采用了transferTo方法，它可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标Channel，避免了传统通过循环write方式导致的内存拷贝问题。
2） 内存池：随着JVM虚拟机和JIT即时编译技术的发展，对象的分配和回收是个非常轻量级的工作。但是对于缓冲区Buffer，情况却稍有不同，特别是对于堆外直接内存的分配和回收，是一件耗时的操作。为了尽量重用缓冲区，Netty提供了基于内存池的缓冲区重用机制。性能测试表明，采用内存池的ByteBuf相比于朝生夕灭的ByteBuf，性能高23倍左右（性能数据与使用场景强相关）。
3） 无锁化的串行设计：在大多数场景下，并行多线程处理可以提升系统的并发性能。但是，如果对于共享资源的并发访问处理不当，会带来严重的锁竞争，这最终会导致性能的下降。为了尽可能地避免锁竞争带来的性能损耗，可以通过串行化设计，即消息的处理尽可能在同一个线程内完成，期间不进行线程切换，这样就避免了多线程竞争和同步锁。为了尽可能提升性能，Netty采用了串行无锁化设计，在I/O线程内部进行串行操作，避免多线程竞争导致的性能下降。表面上看，串行化设计似乎CPU利用率不高，并发程度不够。但是，通过调整NIO线程池的线程参数，可以同时启动多个串行化的线程并行运行，这种局部无锁化的串行线程设计相比一个队列-多个工作线程模型性能更优。
4） 高效的并发编程：volatile的大量、正确使用；CAS和原子类的广泛使用；线程安全容器的使用；通过读写锁提升并发性能。
2. 高性能序列化框架
影响序列化性能的关键因素总结如下。
1） 序列化后的码流大小（网络带宽的占用）。
2） 序列化&反序列化的性能（CPU资源占用）。
3） 是否支持跨语言（异构系统的对接和开发语言切换）。
4） 并发调用的性能表现：稳定性、线性增长、偶现的时延毛刺等。
相比于JSON等文本协议，二进制序列化框架性能更优异，以Java原生序列化和Protobuf二进制序列化为例进行性能测试对比，结果如图1-2所示
图1-2 序列化性能测试对比数据
在序列化框架的技术选型中，如无特殊要求，尽量选择性能更优的二进制序列化框架，码流是否压缩，则需要根据通信内容做灵活选择，对于图片、音频、有大量重复内容的文本文件（例如小说）可以采用码流压缩，常用的压缩算法包括GZip、Zig-Zag等。
3. 高性能的Reactor线程模型
该模型的特点总结如下。
1） 有专门一个NIO线程：Acceptor线程用于监听服务端，接收客户端的TCP连接请求。
2） 网络I/O操作：读、写等由一个NIO线程池负责，线程池可以采用标准的JDK线程池实现，它包含一个任务队列和N个可用的线程，由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送。
3） 1个NIO线程可以同时处理N条链路，但是1个链路只对应1个NIO线程，防止产生并发操作。
由于Reactor模式使用的是异步非阻塞I/O，所有的I/O操作都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有I/O相关的操作，因此在绝大多数场景下，Reactor多线程模型都可以完全满足业务性能需求。
Reactor线程调度模型的工作原理示意如图1-3所示。
图1-3 高性能的Reactor线程调度模型
1.2 业务最佳实践
要保证高性能，单依靠分布式服务框架是不够的，还需要应用的配合，应用服务化高性能实践总结如下：
1） 能异步的尽可能使用异步或者并行服务调用，提升服务的吞吐量，有效降低服务调用时延。
2） 无论是NIO通信框架的线程池还是后端业务线程池，线程参数的配置必须合理。如果采用JDK默认的线程池，最大线程数建议不超过20个。因为JDK的线程池默认采用N个线程争用1个同步阻塞队列方式，当线程数过大时，会导致激烈的锁竞争，此时性能不仅不会提升，反而会下降。
3） 尽量减小要传输的码流大小，提升性能。本地调用时，由于在同一块堆内存中访问，参数大小对性能没有任何影响。跨进程通信时，往往传递的是个复杂对象，如果明确对方只使用其中的某几个字段或者某个对象引用，则不要把整个复杂对象都传递过去。举例，对象A持有8个基本类型的字段，2个复杂对象B和C。如果明确服务提供者只需要用到A聚合的C对象，则请求参数应该是C，而不是整个对象A。
4） 设置合适的客户端超时时间，防止业务高峰期因为服务端响应慢导致业务线程等应答时被阻塞，进而引起后续其他服务的消息在队列中排队，造成故障扩散。
5） 对于重要的服务，可以单独部署到独立的服务线程池中，与其他非核心服务做隔离，保障核心服务的高效运行。
6） 利用Docker等轻量级OS容器部署服务，对服务做物理资源层隔离，避免虚拟化之后导致的超过20%的性能损耗。
7） 设置合理的服务调度优先级，并根据线上性能监控数据做实时调整。
2. 事务一致性问题
服务化之前，业务采用本地事务，多个本地SQL调用可以用一个大的事务块封装起来，如果某一个数据库操作发生异常，就可以将之前的SQL操作进行回滚，只有所有SQL操作全部成功，才最终提交，这就保证了事务强一致性，如图2-1所示。
图2-1 本地事务工作原理
服务化之后，三个数据库操作可能被拆分到独立的三个数据库访问服务中，此时原来的本地SQL调用演变成了远程服务调用，事务一致性无法得到保证，如图2-2所示
图2-2 服务化之后引入分布式事务问题
假如服务A和服务B调用成功，则A和B的SQL将会被提交，最后执行服务C，它的SQL操作失败，对于应用1消费者而言，服务A和服务B的相关SQL操作已经提交，服务C发生了回滚，这就导致事务不一致。从图2-2可以得知，服务化之后事务不一致主要是由服务分布式部署导致的，因此也被称为分布式事务问题。
2.1 分布式事务设计方案
通常，分布式事务基于两阶段提交实现，它的工作原理示意图如图2-3所示。
图2-3 两阶段提交原理图
阶段1：全局事务管理器向所有事务参与者发送准备请求；事务参与者向全局事务管理器回复自己是否准备就绪。
阶段2：全局事务管理器接收到所有事务参与者的回复之后做判断，如果所有事务参与者都可以提交，则向所有事务提交者发送提交申请，否则进行回滚。事务参与者根据全局事务管理器的指令进行提交或者回滚操作。
分布式事务回滚原理图如图2-4所示
图2-4 分布式事务回滚原理图
两阶段提交采用的是悲观锁策略，由于各个事务参与者需要等待响应最慢的参与者，因此性能比较差。第一个问题是协议本身的成本：整个协议过程是需要加锁的，比如锁住数据库的某条记录，且需要持久化大量事务状态相关的操作日志。更为麻烦的是，两阶段锁在出现故障时表现出来的脆弱性，比如两阶段锁的致命缺陷：当协调者出现故障，整个事务需要等到协调者恢复后才能继续执行，如果协调者出现类似磁盘故障等错误，该事务将被永久遗弃。
对于分布式服务框架而言，从功能特性上需要支持分布式事务。在实际业务使用过程中，如果能够通过最终一致性解决问题，则不需要做强一致性；如果能够避免分布式事务，则尽量在业务层避免使用分布式事务。
2.2 分布式事务优化
既然分布式事务有诸多缺点，那么为什么我们还在使用呢？有没有更好的解决方案来改进或者替换呢？如果我们只是针对分布式事务去优化的话，发现其实能改进的空间很小，毕竟瓶颈在分布式事务模型本身。
那我们回到问题的根源：为什么我们需要分布式事务？因为我们需要各个资源数据保持一致性，但是对于分布式事务提供的强一致性，所有业务场景真的都需要吗？大多数业务场景都能容忍短暂的不一致，不同的业务对不一致的容忍时间不同。像银行转账业务，中间有几分钟的不一致时间，用户通常都是可以理解和容忍的。
在大多数的业务场景中，我们可以使用最终一致性替代传统的强一致性，尽量避免使用分布式事务。
在实践中常用的最终一致性方案就是使用带有事务功能的MQ做中间人角色，它的工作原理如下：在做本地事务之前，先向MQ发送一个prepare消息，然后执行本地事务，本地事务提交成功的话，向MQ发送一个commit消息，否则发送一个rollback消息，取消之前的消息。MQ只会在收到commit确认才会将消息投递出去，所以这样的形式可以保证在一切正常的情况下，本地事务和MQ可以达到一致性。但是分布式调用存在很多异常场景，诸如网络超时、VM宕机等。假如系统执行了local_tx()成功之后，还没来得及将commit消息发送给MQ，或者说发送出去由于网络超时等原因，MQ没有收到commit，发生了commit消息丢失，那么MQ就不会把prepare消息投递出去。MQ会根据策略去尝试询问（回调）发消息的系统（checkCommit）进行检查该消息是否应该投递出去或者丢弃，得到系统的确认之后，MQ会做投递还是丢弃，这样就完全保证了MQ和发消息的系统的一致性，从而保证了接收消息系统的一致性。
3. 研发团队协作问题
服务化之后，特别是采用微服务架构以后。研发团队会被拆分成多个服务化小组，例如AWS的Two Pizza Team，每个团队由2~3名研发负责服务的开发、测试、部署上线、运维和运营等。
随着服务数的膨胀，研发团队的增多，跨团队的协同配合将会成为一个制约研发效率提升的因素。
3.1 共用服务注册中心
为了方便开发测试，经常会在线下共用一个所有服务共享的服务注册中心，这时，一个正在开发中的服务发布到服务注册中心，可能会导致一些消费者不可用。
解决方案：可以让服务提供者开发方，只订阅服务（开发的服务可能依赖其他服务），而不注册正在开发的服务，通过直连测试正在开发的服务。
它的工作原理如图3-1所示。
图3-1 只订阅，不发布
3.2 直连提供者
在开发和测试环境下，如果公共的服务注册中心没有搭建，消费者将无法获取服务提供者的地址列表，只能做本地单元测试或使用模拟桩测试。
还有一种场景就是在实际测试中，服务提供者往往多实例部署，如果服务提供者存在Bug，就需要做远程断点调试，这会带来两个问题：
1） 服务提供者多实例部署，远程调试地址无法确定，调试效率低下。
2） 多个消费者可能共用一套测试联调环境，断点调试过程中可能被其他消费者意外打断。
解决策略：绕过注册中心，只测试指定服务提供者，这时候可能需要点对点直连，点对点直联方式将以服务接口为单位，忽略注册中心的提供者列表。
3.3 多团队进度协同
假如前端Web门户依赖后台A、B、C和D 4个服务，分别由4个不同的研发团队负责，门户要求新特性2周内上线。A和B内部需求优先级排序将门户的优先级排的比较高，可以满足交付时间点。但是C和D服务所在团队由于同时需要开发其他优先级更高的服务，因此把优先级排的相对较低，无法满足2周交付。
在C和D提供版本之前，门户只能先通过打测试桩的方式完成Mock测试，但是由于并没有真实的测试过C和D服务，因此需求无法按期交付。
应用依赖的服务越多，特性交付效率就越低下，交付的速度取决于依赖的最迟交付的那个服务。假如Web门户依赖后台的100个服务，只要1个核心服务没有按期交付，则整个进度就会延迟。
解决方案：调用链可以将应用、服务和中间件之间的依赖关系串接并展示出来，基于调用链首入口的交付日期作为输入，利用依赖管理工具，可以自动计算出调用链上各个服务的最迟交付时间点。通过调用链分析和标准化的依赖计算工具，可以避免人为需求排序失误导致的需求延期。
3.4 服务降级和Mock测试
在实际项目开发中，由于小组之间、个人开发者之间开发节奏不一致，经常会出现消费者等待依赖的服务提供者提供联调版本的情况，相互等待会降低项目的研发进度。
解决方案：服务提供者首先将接口定下来并提供给消费者，消费者可以将服务降级同Mock测试结合起来，在Mock测试代码中实现容错降级的业务逻辑（业务放通），这样既完成了Mock测试，又实现了服务降级的业务逻辑开发，一举两得。
3.5 协同调试问题
在实际项目开发过程中，各研发团队进度不一致很正常。如果消费者坐等服务提供者按时提供版本，往往会造成人力资源浪费，影响项目进度。
解决方案：分布式服务框架提供Mock桩管理框架，当周边服务提供者尚未完成开发时，将路由切换到模拟测试模式，自动调用Mock桩；业务集成测试和上线时，则要能够自动切换到真实的服务提供者上，可以结合服务降级功能实现。
3.6 接口前向兼容性
由于线上的Bug修复、内部重构和需求变更，服务提供者会经常修改内部实现，包括但不限于：接口参数变化、参数字段变化、业务逻辑变化和数据表结构变化。
在实际项目中经常会发生服务提供者修改了接口或者数据结构，但是并没有及时知会到所有消费者，导致服务调用失败。
解决方案：
1） 制定并严格执行《服务前向兼容性规范》，避免发生不兼容修改或者私自修改不通知周边的情况。
2） 接口兼容性技术保障：例如Thrift的IDL，支持新增、修改和删除字段，字段定义位置无关性，码流支持乱序等。 |
