【转】认识长轮询：配置中心是如何实现推送的？
一 前言
传统的静态配置方式想要修改某个配置时，必须重新启动一次应用，如果是数据库连接串的变更，那可能还容易接受一些，但如果变更的是一些运行时实时感知的配置，如某个功能项的开关，重启应用就显得有点大动干戈了。配置中心正是为了解决此类问题应运而生的，特别是在微服务架构体系中，更倾向于使用配置中心来统一管理配置。
配置中心最核心的能力就是配置的动态推送，常见的配置中心如 Nacos、Apollo 等都实现了这样的能力。在早期接触配置中心时，我就很好奇，配置中心是如何做到服务端感知配置变化实时推送给客户端的，在没有研究过配置中心的实现原理之前，我一度认为配置中心是通过长连接来做到配置推送的。事实上，目前比较流行的两款配置中心：Nacos 和 Apollo 恰恰都没有使用长连接，而是使用的长轮询。本文便是介绍一下长轮询这种听起来好像已经是上个世纪的技术，老戏新唱，看看能不能品出别样的韵味。文中会有代码示例，呈现一个简易的配置监听流程。
二 数据交互模式
众所周知，数据交互有两种模式：Push（推模式）和 Pull（拉模式）。
推模式指的是客户端与服务端建立好网络长连接，服务方有相关数据，直接通过长连接通道推送到客户端。其优点是及时，一旦有数据变更，客户端立马能感知到；另外对客户端来说逻辑简单，不需要关心有无数据这些逻辑处理。缺点是不知道客户端的数据消费能力，可能导致数据积压在客户端，来不及处理。
拉模式指的是客户端主动向服务端发出请求，拉取相关数据。其优点是此过程由客户端发起请求，故不存在推模式中数据积压的问题。缺点是可能不够及时，对客户端来说需要考虑数据拉取相关逻辑，何时去拉，拉的频率怎么控制等等。
三 长轮询与轮询
在开头，重点介绍一下长轮询（Long Polling）和轮询（Polling）的区别，两者都是拉模式的实现。
“轮询”是指不管服务端数据有无更新，客户端每隔定长时间请求拉取一次数据，可能有更新数据返回，也可能什么都没有。配置中心如果使用「轮询」实现动态推送，会有以下问题：
- 推送延迟。客户端每隔 5s 拉取一次配置，若配置变更发生在第 6s，则配置推送的延迟会达到 4s。
- 服务端压力。配置一般不会发生变化，频繁的轮询会给服务端造成很大的压力。
- 推送延迟和服务端压力无法中和。降低轮询的间隔，延迟降低，压力增加；增加轮询的间隔，压力降低，延迟增高。
“长轮询”则不存在上述的问题。客户端发起长轮询，如果服务端的数据没有发生变更，会 hold 住请求，直到服务端的数据发生变化，或者等待一定时间超时才会返回。返回后，客户端又会立即再次发起下一次长轮询。配置中心使用「长轮询」如何解决「轮询」遇到的问题也就显而易见了：
- 推送延迟。服务端数据发生变更后，长轮询结束，立刻返回响应给客户端。
- 服务端压力。长轮询的间隔期一般很长，例如 30s、60s，并且服务端 hold 住连接不会消耗太多服务端资源。
以 Nacos 为例的长轮询流程如下：
可能有人会有疑问，为什么一次长轮询需要等待一定时间超时，超时后又发起长轮询，为什么不让服务端一直 hold 住？主要有两个层面的考虑，一是连接稳定性的考虑，长轮询在传输层本质上还是走的 TCP 协议，如果服务端假死、fullgc 等异常问题，或者是重启等常规操作，长轮询没有应用层的心跳机制，仅仅依靠 TCP 层的心跳保活很难确保可用性，所以一次长轮询设置一定的超时时间也是在确保可用性。除此之外，在配置中心场景，还有一定的业务需求需要这么设计。在配置中心的使用过程中，用户可能随时新增配置监听，而在此之前，长轮询可能已经发出，新增的配置监听无法包含在旧的长轮询中，所以在配置中心的设计中，一般会在一次长轮询结束后，将新增的配置监听给捎带上，而如果长轮询没有超时时间，只要配置一直不发生变化，响应就无法返回，新增的配置也就没法设置监听了。
四 配置中心长轮询设计
上文的图中，介绍了长轮询的流程，本节会详解配置中心长轮询的设计细节。
客户端发起长轮询
客户端发起一个 HTTP 请求，请求信息包含配置中心的地址，以及监听的 dataId（本文出于简化说明的考虑，认为 dataId 是定位配置的唯一键）。若配置没有发生变化，客户端与服务端之间一直处于连接状态。
服务端监听数据变化
服务端会维护 dataId 和长轮询的映射关系，如果配置发生变化，服务端会找到对应的连接，为响应写入更新后的配置内容。如果超时内配置未发生变化，服务端找到对应的超时长轮询连接，写入 304 响应。
304 在 HTTP 响应码中代表“未改变”，并不代表错误。比较契合长轮询时，配置未发生变更的场景。
客户端接收长轮询响应
首先查看响应码是 200 还是 304，以判断配置是否变更，做出相应的回调。之后再次发起下一次长轮询。
服务端设置配置写入的接入点
主要用配置控制台和 client 发布配置，触发配置变更。
这几点便是配置中心实现长轮询的核心步骤，也是指导下面章节代码实现的关键。但在编码之前，仍有一些其他的注意点需要实现阐明。
配置中心往往是为分布式的集群提供服务的，而每个机器上部署的应用，又会有多个 dataId 需要监听，实例级别 * 配置数是一个不小的数字，配置中心服务端维护这些 dataId 的长轮询连接显然不能用线程一一对应，否则会导致服务端线程数爆炸式增长。一个 Tomcat 也就 200 个线程，长轮询也不应该阻塞 Tomcat 的业务线程，所以需要配置中心在实现长轮询时，往往采用异步响应的方式来实现。而比较方便实现异步 HTTP 的常见手段便是 Servlet3.0 提供的 AsyncContext 机制。
Servlet3.0 并不是一个特别新的规范，它跟 Java 6 是同一时期的产物。例如 SpringBoot 内嵌的 Tomcat 很早就支持了 Servlet3.0，你无需担心 AsyncContext 机制不起作用。
SpringMVC 实现了 DeferredResult 和 Servlet3.0 提供的 AsyncContext 其实没有多大区别，我并没有深入研究过两个实现背后的源码，但从使用层面上来看，AsyncContext 更加的灵活，例如其可以自定义响应码，而 DeferredResult 在上层做了封装，可以快速的帮助开发者实现一个异步响应，但没法细粒度地控制响应。所以下文的示例中，我选择了 AsyncContext。
五 配置中心长轮询实现
1 客户端实现
@Slf4j
public class ConfigClient {
private CloseableHttpClient httpClient;
private RequestConfig requestConfig;
public ConfigClient() {
// ① httpClient 客户端超时时间要大于长轮询约定的超时时间
this.requestConfig = RequestConfig.custom().setSocketTimeout(40000).build();
this.httpClient = HttpClientBuilder.create().setDefaultRequestConfig(this.requestConfig).build();
}
@SneakyThrows
public void longPolling(String url, String dataId) {
String endpoint = url + "?dataId=" + dataId;
HttpGet request = new HttpGet(endpoint);
CloseableHttpResponse response = httpClient.execute(request);
switch (response.getStatusLine().getStatusCode()) {
case 200: {
BufferedReader rd = new BufferedReader(new InputStreamReader(response.getEntity().getContent()));
StringBuilder result = new StringBuilder();
String line;
while ((line = rd.readLine()) != null) {
result.append(line);
}
response.close();
String configInfo = result.toString();
log.info("dataId: [{}] changed, receive configInfo: {}", dataId, configInfo);
longPolling(url, dataId);
break;
}
// ② 304 响应码标记配置未变更
case 304: {
log.info("longPolling dataId: [{}] once finished, configInfo is unchanged, longPolling again", dataId);
longPolling(url, dataId);
break;
}
default: {
throw new RuntimeException("unExcepted HTTP status code");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
// httpClient 会打印很多 debug 日志，关闭掉
Logger logger = (Logger) LoggerFactory.getLogger("org.apache.http");
logger.setLevel(Level.INFO);
logger.setAdditive(false);
ConfigClient configClient = new ConfigClient();
// ③ 对 dataId: user 进行配置监听
configClient.longPolling("http://127.0.0.1:8080/listener", "user");
}
}
主要有三个注意点：
- RequestConfig.custom().setSocketTimeout(40000).build() ：httpClient 客户端超时时间要大于长轮询约定的超时时间。很好理解，不然还没等服务端返回，客户端会自行断开 HTTP 连接。
- response.getStatusLine().getStatusCode() == 304 ：前文介绍过，约定使用 304 响应码来标识配置未发生变更，客户端继续发起长轮询。
- configClient.longPolling("http://127.0.0.1:8080/listener", "user")：在示例中，我们处于简单考虑，仅仅启动一个客户端，对单一的 dataId:user 进行监听（注意，需要先启动 server 端）。
2 服务端实现
@RestController
@Slf4j
@SpringBootApplication
public class ConfigServer {
@Data
private static class AsyncTask {
// 长轮询请求的上下文，包含请求和响应体
private AsyncContext asyncContext;
// 超时标记
private boolean timeout;
public AsyncTask(AsyncContext asyncContext, boolean timeout) {
this.asyncContext = asyncContext;
this.timeout = timeout;
}
}
// guava 提供的多值 Map，一个 key 可以对应多个 value
private Multimap dataIdContext = Multimaps.synchronizedSetMultimap(HashMultimap.create());
private ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("longPolling-timeout-checker-%d").build();
private ScheduledExecutorService timeoutChecker = new ScheduledThreadPoolExecutor(1, threadFactory);
// 配置监听接入点
@RequestMapping("/listener")
public void addListener(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
String dataId = request.getParameter("dataId");
// 开启异步
AsyncContext asyncContext = request.startAsync(request, response);
AsyncTask asyncTask = new AsyncTask(asyncContext, true);
// 维护 dataId 和异步请求上下文的关联
dataIdContext.put(dataId, asyncTask);
// 启动定时器，30s 后写入 304 响应
timeoutChecker.schedule(() -> {
if (asyncTask.isTimeout()) {
dataIdContext.remove(dataId, asyncTask);
response.setStatus(HttpServletResponse.SC_NOT_MODIFIED);
asyncContext.complete();
}
}, 30000, TimeUnit.MILLISECONDS);
}
// 配置发布接入点
@RequestMapping("/publishConfig")
@SneakyThrows
public String publishConfig(String dataId, String configInfo) {
log.info("publish configInfo dataId: [{}], configInfo: {}", dataId, configInfo);
Collection asyncTasks = dataIdContext.removeAll(dataId);
for (AsyncTask asyncTask : asyncTasks) {
asyncTask.setTimeout(false);
HttpServletResponse response = (HttpServletResponse) asyncTask.getAsyncContext().getResponse();
response.setStatus(HttpServletResponse.SC_OK);
response.getWriter().println(configInfo);
asyncTask.getAsyncContext().complete();
}
return "success";
}
public static void main(String[] args) {
SpringApplication.run(ConfigServer.class, args);
}
}
对上述实现的一些说明：
- @RequestMapping("/listener") ，配置监听接入点，也是长轮询的入口。在获取 dataId 之后，使用 request.startAsync 将请求设置为异步，这样在方法结束后，不会占用 Tomcat 的线程池。
- dataIdContext.put(dataId, asyncTask) 会将 dataId 和异步请求上下文给关联起来，方便配置发布时，拿到对应的上下文。注意这里使用了一个 guava 提供的数据结构 Multimap