SpringCloud 應用在 Kubernetes 上的最佳實踐 — 線上釋出（優雅上下線）
作者 | 驕龍
導讀：本篇是《SpringCloud 應用在 Kubernetes 上的最佳實踐》系列文章的第八篇，主要介紹瞭如何做到流量的無損上/下線。更多相關文章閱讀可檢視文末。
前言
上篇我們講的是釋出回滾過程，尤其是在 Kubernetes 的回滾過程中，原生有提供 Rollout 到上一個版本的能力，能保證我們在釋出過程中遇到問題時快速回退的能力。然而在每一次上線的過程中，我們最難處理的就是正在執行中的流量，如何做到流量的無損上/下線，是一個系統能保證 SLA 的關鍵。
介紹
什麼是優雅上線？就如下面這個房子一樣，未建好的房子，人住進去會有危險，房子應該建好，裝修好，人才能住進去。
那麼如何做到優雅上線呢？我們先來看一個 WEB 應用的載入過程，就像上面造房子一樣，是個漫長的過程：
應用的載入是漫長的，在載入過程，服務是不可預期的；如過早地開啟 Socket 監聽，則客戶端可能感受到漫長的等待；如果資料庫、訊息佇列、REDIS 客戶端未完成初始化，則服務可能因缺少關鍵的底層服務而異常。
所以在應用準備完成後，才接入服務，即做到優雅上線。當然應用上線後，也可能因如資料庫斷連等情況引起服務不可用；或是準備完成了，但在上線前又發生資料庫斷連，導致服務異常。為了簡化問題，後面兩種情況作為一個應用自愈的問題來看待。
什麼是優雅下線？與建房子相反就像下面的危房一樣，人住在裡面很危險，人應該先從房子出來，然後推掉房子。
那麼如何做到優雅下線呢？我們先來看一個 WEB 應用的停止過程：
所以關閉服務接入（轉移服務接入），完成正在處理的服務，清理自身佔用的資源後退出即做到優雅下線。
如何實現優雅下線
從上面介紹看，似乎不難，但事實上，很少有系統真正實現了優雅上下線。因為軟體本身由無數各種各樣相互依賴的結構組成，每個結構都使用一些資源，汙染一些資源；通常在設計之初優雅上下線也不被作為優先考慮的需求，所以對於下線的過程，通常都沒被充分考慮，在設計上通常要求：
- 結構（元件）應形成層次關係；
- 使用者執行緒需能收到停止訊號並響應退出；否則使用 daemon 執行緒；
- 結構應按依賴關係自下向上構建：就像建房子一樣，自內向外構建而成；
- 結構應按依賴關係自上向下銷燬：就像拆房子一樣，自外向內拆解。
優雅下線實現路徑
大致分為一個完整的過程，需要經歷一下四個關鍵的節點，如下圖：
-
接收訊號：停止訊號可能從程序內部觸發（比如 Crash 場景），如果自退出的話基本上無法保證優雅下線；所以能保證優雅下線的前提就是需要正確處理來自程序外部的訊號；
-
停止流量接收：由於在停止之前，我們會有一些正在處理的請求，貿然退出會對這些請求產生損耗。但是在這段時間之內我們絕不能再接收新的業務請求，如果這是一個後臺任務型（訊息消費型或任務排程型）的程式，也要停止接收新的訊息和任務。對於一個普通的 WEB 場景，這一塊不同的場景實現的方式也會不一樣，下面的 Srping Cloud 應用的下線流程會詳細講解；
-
銷燬資源：常見的是一些系統資源，也包括一些快取、鎖的清理、同時也包括執行緒池、關閉阻塞中的的 IO 操作，等到我們這些伺服器資源銷燬之後，就可以通知主執行緒退出。
Spring Cloud 應用
一個 Spring boot 應用通常由應用本身和一系列的 Starter 組成，對於 Spring boot 體系，需要了解如下核心概念：
-
Starter：提供一系列的模組，由 Spring boot 核心通過 auto-configuration 機制載入；
-
Bean：一切皆 Bean，starter 模組的載入產生各種 Bean；
-
Context：Bean 的容器，容器擁有生命週期，Bean 需要感知生命週期事件；
-
LifeCycle：生命週期管理介面；
-
ApplicationEvent：模組之間，模組與容器之間，通過傳送或監聽事件來達到互相通訊的目的。
所以對於應用上下線這個主題，我們應儘可能利用其豐富的原生事件機制，Spring Cloud 中內建的 Starter 機制針對整個生命週期管理的過程有了很好的封裝。
Spring Cloud 應用的優雅上線
Spring Cloud 啟動過程觸發回撥及事件如下，詳細介紹見 application-events-and-listeners，簡單羅列如下：
Spring 自身及其元件大量基於這些事件構建，如響應 WebServerInitializedEvent 事件向服務註冊中心註冊服務，對於應用一般可利用：
-
InitializingBean or @PostConstruct：在 Bean 裝配完後，被回撥，如完成資料來源初始化連線；
-
ApplicationReadyEvent、ApplicationRunner、CommandLineRunner：如開始監聽訊息佇列，處理訊息；註冊到SLB等；先通過配置禁用服務的自動註冊，在這裡做手動服務註冊。
Spring Cloud 應用的優雅下線
Spring Cloud 本身可以作為一個應用單獨存在，也可以是依附在一個微服務叢集中，同時還能作為反向代理架構中的一個閘道器。不同的場景，需要用到的方法也不一樣，我們就常用的三種場景針對性的加以說明。
場景一：直接訪問 WEB 服務
客戶端直接訪問 WEB 應用，在這個用例下，優雅下線需要做的事情有：
- 正在處理的請求完成處理
- 應用自身完成安全下線並正常退出
- 客戶端感知到連線異常
Spring-boot 從 2.3 開始內建了 WEB 應用優雅下線的能力，需配置如下，具體介紹參見 graceful-shutdown。
server.shutdown=graceful
spring.lifecycle.timeout-per-shutdown-phase=20s
其實現方式：
-
首先關閉 socket 監聽，等待正在處理的所有請求完成：具體可見 WebServerGracefulShutdownLifecycle，通過 getPhase 返回最大值，達到早於 WEB 容器關閉執行的目的；
-
然後觸發 WEB 容器關閉：具體可見 WebServerStartStopLifecycle。
但其實，對於未被 WEB 容器完全接收的請求，客戶端仍會收到連線被重置的異常，只是這個時間視窗極小。該需求從提出到實現的時間跨度較長，感興趣的可參見 github 上的討論。
場景二：經由反向代理的服務優雅下線
因為例項前面還有反向代理，相比上個場景，需要新增“反向代理下線”這個處理流程。即若應用已經下線，但反向代理未摘除該應用例項時客戶端將感知到失敗。一般採取的策略有：
- 反向代理支援失敗轉移到其它應用例項；
- 在關閉應用前，如將健康探測介面返回不健康以及等待足夠的超時，讓反向代理感知並摘除例項的路由資訊。
對於仍在使用 2.3 以前版本的 Spring Cloud 應用，可參見一個方案，實現方式：
- 使用自身的 shutdownHook 替換 Spring 的 shutdownHook；
- 先改變 health 狀態，等待一段時間，讓反向代理感知並摘除例項的路由資訊。
場景三：在微服務叢集中下線單個服務
在優雅關閉 Spring Cloud 應用自身之前，我們除了完成場景一之中的目標之外，還需要將自身節點從註冊中心中下線。目前在 Spring Cloud 中針對註冊中心下線的場景暫未提供開箱即用的方法，下面介紹兩種可能的實現方案：
方案 1：先通過指令碼、或通過監聽 ContextClosedEvent 反註冊服務摘除流量；等待足夠時間，如使用 ribbon 負載均衡器，需要長於配置的重新整理時間；對於基於 HTTP 的服務，若 Spring Cloud 版本小於 2.3，則時間需加上預期的請求處理時間；
方案 2：客戶端支援連線感知重試，如重試，實現方案可參考Spring-retry，針對連線異常 RemoteConnectFailureException 做重試。
針對 Eureka 中的場景，有一個很好的參考的例子，請參見：https://home1-oss.github.io/home1-oss-gitbook/release/docs/oss-eureka/GRACEFUL_SHUTDOWN.html
Kubernetes 下的機制
Kubernetes 中針對應用的的管控提供了豐富的手段，正常的情況它提供了應用生命週期中的靈活擴充套件點，同時也支援自己擴充套件它的 Operator 自定義上下線的流程。
拋開實現成本，以下線的情況來說，一個 Kubernetes 應用例項下線之前，管控程式會向 POD 傳送一個 SIGTERM 的訊號，應用響應時除了額外響應這一個訊號之外，還能觸發一段自定義的 PreStop 的掛在指令碼，程式碼樣例如下：
yaml
lifecycle:
preStop:
exec:
command:
- sh
- -c
- "sleep 5"
上面的例子一點特殊說明：因服務控制面重新整理與 POD 收到 SIGTERM 同時發生，所以這裡通過 sleep 5 讓服務控制面先完成重新整理，應用程序再響應 SIGTERM 訊號。
Spring Cloud 與 Kubernetes 的結合
Kubernetes 會根據健康檢查的情況來更新服務(Service)列表，其中如果 Liveness 失敗，則會觸發容器重建，這是一個相對很重的操作；若 Readiness 失敗，則 Kubenetes 則預設不會將路由服務流量到相應的容器；基於這一機理，Spring Cloud 2.3 開始，也做了原生的的支援，具體參見 liveness-and-readiness-probes-with-Spring-boot，這些健康檢查端點可對接 Kubnetes 相應的 probe：
- /actuator/health/liveness
- /actuator/health/readiness
同時，Spring Boot 內建了相應的 API、事件、Health Check 監控，部分程式碼/配置片段如下：
java
// Available as a component in the application context
ApplicationAvailability availability;
LivenessState livenessState = availabilityProvider.getLivenessState();
ReadinessState readinessState = availabilityProvider.getReadinessState();
....
// 對於應用，也可以通過API，釋出相應的事件，來改變應用的狀態
AvailabilityChangeEvent.publish(this.eventPublisher, ex, LivenessState.BROKEN);
// 同時，應用監控也可影響這健康狀態，將監控與健康關聯，在K8S體系下，可以實現如離群摘除，應用自愈的能力
// application.properties
management.endpoint.health.group.liveness.include=livenessProbe,cacheCheck
回到 Spring Cloud 應用 在微服務叢集中下線單個服務 的章節中，我們的應用如果跑在 Kuberntes 中，如果我們使用了原生的 Kubernetes 機制去管理應用生命週期的話，只需要釋出一個應用事件 (LivenessState.BROKEN) 即可實現優雅下線的能力。
EDAS提供內建的優雅上下線能力
通過上面兩部分了解了 Spring Cloud 和 K8s 中的機制，EDAS 基於原生的機制，衍生出來了自己的方法，除了最大化利用這些能力：主動更新 Liveness、Readiness、Ribbon 服務列表之外，我們還提供了無程式碼侵入的開箱即用的能力，列舉如下：
後續
這一章節之後，和釋出相關的內容都已經更新完畢，下一章節我們要開始高可用部分的能力，高可用也是系統保障 SLA 的關鍵部分，簡單的理解是流量洪峰到來如何保證系統不會受到影響？當然我們還有一部分要達成的是洪峰退去之後資源是否存在浪費？敬請期待 ...
相關文章推薦：
“阿里巴巴雲原生關注微服務、Serverless、容器、Service Mesh 等技術領域、聚焦雲原生流行技術趨勢、雲原生大規模的落地實踐，做最懂雲原生開發者的公眾號。”