程序员小波与Bug

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如何实现简单的分布式链路功能？

为什么需要链路跟踪

为什么需要链路跟踪？微服务环境下，服务之间相互调用，可能存在 A->B->C->D->C 这种复杂的服务交互，那么需要一种方法可以将一次请求链路完整记录下来，否则排查问题不好下手、请求日志也无法完整串起来。

如何实现链路跟踪

假设我们从用户请求接口开始，每次请求需要有唯一的请求 id （我们暂且标记为 traceId）来标识这次请求，然后当接口收到请求后，调用后续服务或者 mq 时，能将该 traceId 一直传递下去，并且 log 日志中可以打印出来，这样就实现了简单的链路功能。

如何为每次请求生成一个唯一的 requestId

微服务环境下，用户请求一般优先经过网关，网关再将请求转发到各个服务。微服务网关多种多样，比如 Nginx、Zuul、Spring Cloud Gateway、Kong、Traefik 等，假设存在这样一条链路，用户请求 -> nginx -> zuul -> service-a、service-b 等（这里我们使用 Eureka 作为服务注册中心，使用 Feign 来实现微服务之间相互调用、使用 Zuul 作为服务前置网关），调用大致如下：
如何实现简单的分布式链路功能？-LMLPHP

这样的话，从 nginx 请求开始，我们需要标识本次请求的 traceId，然后可以将 traceId 一直传递到 service 服务层，那么基于这样一个链路的话，我们怎么设计一个链路工具呢？

Nginx

nginx 从 1.11.0 版本就开始内置了变量 $request_id，其原理就是生成一串 32 位的随机字符串，虽然不能比拟 uuid，但是重复的概率也很小，可以视为 uuid 来使用。用户每次请求会生成一个 $request_id，可以作为我们的 traceId。

设置的话首先设置 nginx 日志格式，支持 $request_id：

log_format access '$remote_addr $request_time $body_bytes_sent $http_user_agent $request $status $request_id'

nginx 常用的内置变量及其含义如下：

  • $remote_addr：客户端地址，如：172.16.11.1
  • $remote_user：客户端用户名称
  • $time_local：访问时间和时区，20/Dec/2022:10:47:58 +0800
  • $request：请求的URI和HTTP协议，"GET / HTTP/1.1"
  • $status：HTTP请求状态，304
  • $body_bytes_sent：发送给客户端文件内容大小
  • $request_time：整个请求的总时间
  • $request_id：当前请求的id

其次要在 nginx 转发请求时，增加 traceId 的 header：

location / {
  proxy_set_header traceId $request_id;
}

Zuul

traceId 经过 nginx 转发到 zuul 之后，zuul 路由转发时存在 header 丢失的问题，我们可以自定义一个 zuul 的前置过滤器了，在过滤器中再将 header 再传递下去，代码比较简单：

@Component
public class TraceIdPreFilter extends ZuulFilter {
    private static final String TRACE_ID = "traceId";

    @Override
    public String filterType() {
        return "pre";
    }

    @Override
    public int filterOrder() {
        return 0;
    }

    @Override
    public boolean shouldFilter() {
        return true;
    }

    @Override
    public Object run() {
        RequestContext requestContext = RequestContext.getCurrentContext();
        HttpServletRequest request = requestContext.getRequest();
        requestContext.addZuulRequestHeader(TRACE_ID, request.getHeader(TRACE_ID));
        return null;
    }
}

Service 服务层

service 服务层要做几件事：

  • 接收暂存 zuul 转发过来的 traceId
  • 日志文件配置，日志支持输出 traceId
  • service 接收到 traceId 后，再调用其他服务时，需要将 traceId 继续传递下去

首先我们来看下代码层面，如何接收暂存 zuul 转发过来的 traceId，我们需要使用到过滤器和 MDC（放入MDC中的 key 可以在日志中输出）。我们创建一个过滤器，用来接收 zuul 转发过来的 traceId，并且将 traceId 设置到 MDC 以便我们的日志文件可以输出 traceId：

public class TraceIdFilter implements Filter {
    private static final String TRACE_ID = "traceId";
    @Override
    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain filterChain) throws IOException, ServletException {
        try {
            HttpServletRequest httpRequest = (HttpServletRequest) request;
            String traceId = httpRequest.getHeader(TRACE_ID);
            TraceIdHelper.setTraceId(traceId);
            filterChain.doFilter(request, response);
        } finally {
            // 清除MDC的traceId值，确保当次请求不会影响其他请求
            TraceIdHelper.clearTraceId();
        }
    }

    @Override
    public void init(FilterConfig filterConfig) throws ServletException {
    }

    @Override
    public void destroy() {
    }
}

@UtilityClass
public class TraceIdHelper {
    public static final String TRACE_ID = "traceId";
    private static final ThreadLocal<String> TRACE_ID_THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>();

    /**
     * 设置traceId，为空时初始化一个
     * @param traceId
     */
    public void setTraceId(String traceId) {
        if (StringUtils.isBlank(traceId)) {
            traceId = UUID.randomUUID().toString();
        }
        TRACE_ID_THREAD_LOCAL.set(traceId);
        MDC.put(TRACE_ID, traceId);
    }

    /**
     * 清除traceId
     */
    public void clearTraceId() {
        TRACE_ID_THREAD_LOCAL.remove();
        MDC.remove(TRACE_ID);
    }

    /**
     * 获取traceId
     * @return
     */
    public String getTraceId() {
        return TRACE_ID_THREAD_LOCAL.get();
    }
}

过滤器注册：

@Configuration
public class TraceIdConfig {
    @Bean
    public FilterRegistrationBean<TraceIdFilter> loggingFilter() {
        FilterRegistrationBean<TraceIdFilter> registrationBean = new FilterRegistrationBean<>();
        registrationBean.setFilter(new TraceIdFilter());
        // 设置过滤的URL模式
        registrationBean.addUrlPatterns("/*");
        return registrationBean;
    }
}

再来看下我们的日志文件配置（logback.xml）：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration>
    <property name="LOG_PATTERN"
              value="%d{yyyy-MM-dd} %d{HH:mm:ss.SSS} [%highlight(%-5level)] [%boldYellow(%X{traceId})] [%boldYellow(%thread)] %boldGreen(%logger{36} %F.%L) %msg%n">
    </property>
    <property name="FILE_LOG_PATTERN"
              value="%d{yyyy-MM-dd} %d{HH:mm:ss.SSS} [%-5level] [%X{traceId}] [%thread] %logger{36} %F.%L %msg%n">
    </property>
    <property name="FILE_PATH" value="/wls/app/applogs/service-a.%d{yyyy-MM-dd}.%i.log" />
    <appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
        <encoder>
            <pattern>${LOG_PATTERN}</pattern>
        </encoder>
    </appender>
    <appender name="FILE"
              class="ch.qos.logback.core.rolling.RollingFileAppender">
        <rollingPolicy class="ch.qos.logback.core.rolling.TimeBasedRollingPolicy">
            <fileNamePattern>${FILE_PATH}</fileNamePattern>
            <!-- keep 15 days' worth of history -->
            <maxHistory>15</maxHistory>
            <timeBasedFileNamingAndTriggeringPolicy class="ch.qos.logback.core.rolling.SizeAndTimeBasedFNATP">
                <!-- 日志文件的最大大小 -->
                <maxFileSize>10MB</maxFileSize>
            </timeBasedFileNamingAndTriggeringPolicy>
        </rollingPolicy>
        <encoder>
            <pattern>${FILE_LOG_PATTERN}</pattern>
        </encoder>
    </appender>

    <logger name="com.example.service.controller" level="debug"></logger>
    <root level="info">
        <appender-ref ref="STDOUT"/>
        <appender-ref ref="FILE"/>
    </root>
</configuration>

这里 xml 配置文件中配置了 traceId，这样日志中就能看到 traceId 被输出了。

最后的话服务之间调用时，我们需要传递 traceId 到下一个微服务，这就要用到 feign 的拦截器：

@Component
public class TraceIdFeignInterceptor implements RequestInterceptor {
    @Override
    public void apply(RequestTemplate requestTemplate) {
        // spring的上下文对象
        ServletRequestAttributes requestAttributes = (ServletRequestAttributes) RequestContextHolder.getRequestAttributes();
        if (requestAttributes != null) {
            // 前面的过滤器已经获取并设置了 traceId，这里就可以直接获取了
            requestTemplate.header(TraceIdFilter.TRACE_ID, TraceIdHelper.getTraceId());
        }
    }
}

消息队列层

假设 service-a 发送一条 mq 消息后，service-b 消费到了，那么需要将消费链路也串起来怎么做呢？我们以 rocketmq 举例，rocketmq 提供了 UserProperty 可以发送带属性的消息，这样通过 UserProperty 我们便能实现 traceId 的传递。比如消息发送时：

Message msg = new Message("SequenceTopicTest",// topic  
    "TagA",// tag  
    ("Hello RocketMQ " + i).getBytes("utf-8") // body  
);  
msg.putUserProperty("traceId", TraceIdHelper.getTraceId()); //设置 traceId

消息消费时：

String traceId = msgs.get(0).getUserProperty("traceId");
TraceIdHelper.setTraceId(traceId);

dubbo 如何传递 traceId

dubbo 的 spi 机制可以很方便的让我们来实现各种拓展，比如 dubbo 提供的 provider、consumer 过滤器，我们可以分别实现一个 provider、consumer 得到过滤器。

服务提供者那里，我们可以自定义一个 consumer 过滤器，过滤器中先通过 TraceIdHelper.getTraceId() 获取到 traceId 后再通过 dubbo 提供的 setAttachment("traceId", TraceIdHelper.getTraceId()) 将 traceId 传递下去。

同样地，服务消费者那里，我们可以自定义一个 provider 过滤器，首先通过 dubbo 提供的 getAttachment 获取到 traceId，之后再使用封装好的 TraceIdHelper.setTraceId 将 traceId 暂存即可，这里代码就不写了。

多线程时如何继续传递 traceId

我们的工具类 TraceIdHelper 注意看使用的 ThreadLocal 进行的 traceId 暂存，就会存在多线程环境下，子线程取不到 traceId 也就说子线程的日志没法打印出 traceId 的问题，解决思路的话有几种，

  • 可以自定义 ThreadPoolTaskExecutor，线程 run 执行前先将 traceId 设置进去，缺点是比较麻烦
  • 使用阿里提供的开源套件 TransmittableThreadLocal（使用线程池等会池化复用线程的执行组件情况下，提供ThreadLocal值的传递功能，解决异步执行时上下文传递的问题）

总结

链路工具的实现会用到多个组件，每个组件都需要不同的配置：

  • nginx：配置 $request_id，转发时配置 $request_id header
  • zuul：配置前置过滤器，进行 traceId 向下游透传
  • 服务层：log 日志文件配置，用到 MDC 来打印输出 traceId；用到了过滤器和 Feign 拦截器来实现 traceId 透传
  • mq：消息队列要想实现 traceId 传递，如 rocketmq 需要用到 UserProperty
  • 多线程：多线程时子线程可能会获取不到 traceId，可以自定义 ThreadPoolTaskExecutor 或者 使用阿里提供的开源套件 TransmittableThreadLocal
09-27 05:44
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