浅析 Dubbo 3.0 中接口级地址推送性能的优化

URL 简介

在阐述地址推送性能的具体优化之前，我们有必要先了解一下与之息息相关的内容 --- URL。

定义

在不谈及 dubbo 时，我们大多数人对 URL 这个概念并不会感到陌生。统一资源定位器 (RFC1738――Uniform Resource Locators (URL))应该是最广为人知的一个 RFC 规范，它的定义也非常简单。

因特网上的可用资源可以用简单字符串来表示，该文档就是描述了这种字符串的语法和语 义。而这些字符串则被称为：“统一资源定位器”（URL）

一个标准的 URL 格式至多可以包含如下的几个部分

protocol://username:password@host:port/path?key=value&key=value

一些典型 URL

http://www.facebook.com/friends?param1=value1&param2=value2
https://username:password@10.20.130.230:8080/list?version=1.0.0
ftp://username:password@192.168.1.7:21/1/read.txt

当然，也有一些不太符合常规的 URL，也被归类到了 URL 之中

192.168.1.3:20880
url protocol = null, url host = 192.168.1.3, port = 20880, url path = null

file:///home/user1/router.js?type=script
url protocol = file, url host = null, url path = home/user1/router.js

file://home/user1/router.js?type=script<br>
url protocol = file, url host = home, url path = user1/router.js

file:///D:/1/router.js?type=script
url protocol = file, url host = null, url path = D:/1/router.js

file:/D:/1/router.js?type=script
同上 file:///D:/1/router.js?type=script

/home/user1/router.js?type=script
url protocol = null, url host = null, url path = home/user1/router.js

home/user1/router.js?type=script
url protocol = null, url host = home, url path = user1/router.js

Dubbo 中的 URL

在 dubbo 中，也使用了类似的 URL，主要用于在各个扩展点之间传递数据，组成此 URL 对象的具体参数如下:

• protocol：一般是 dubbo 中的各种协议 如：dubbo thrift http zk

• username/password：用户名/密码

• host/port：主机/端口

• path：接口名称

• parameters：参数键值对

  一些典型的 Dubbo URL

dubbo://192.168.1.6:20880/moe.cnkirito.sample.HelloService?timeout=3000
描述一个 dubbo 协议的服务

zookeeper://127.0.0.1:2181/org.apache.dubbo.registry.RegistryService?application=demo-consumer&dubbo=2.0.2&interface=org.apache.dubbo.registry.RegistryService&pid=1214&qos.port=33333&timestamp=1545721981946
描述一个 zookeeper 注册中心

consumer://30.5.120.217/org.apache.dubbo.demo.DemoService?application=demo-consumer&category=consumers&check=false&dubbo=2.0.2&interface=org.apache.dubbo.demo.DemoService&methods=sayHello&pid=1209&qos.port=33333&side=consumer&timestamp=1545721827784
描述一个消费者

可以说，任意的一个领域中的一个实现都可以认为是一类 URL，dubbo 使用 URL 来统一描述了元数据，配置信息，贯穿在整个框架之中。

Dubbo 2.7

URL 结构

在 Dubbo 2.7 中，URL 的结构非常简单，一个类就涵盖了所有内容，如下图所示。

Dubbo2 URL类图.png

地址推送模型

接下来我们再来看看 Dubbo 2.7 中的地址推送模型方案，主要性能问题由下列过程引起。

Dubbo2 地址推送模型.png

上图中主要的流程为
1、用户新增/删除DemoService的某个具体Provider实例（常见于扩容缩容、网络波动等原因）
2、ZooKeeper将DemoService下所有实例推送给Consumer端
3、Consumer端根据Zookeeper推送的数据重新全量生成URL
根据该方案可以看出在Provider实例数量较小时，Consumer端的影响比较小，但当某个接口有大量Provider实例时，便会有大量不必要的URL创建过程。
而Dubbo 3.0中则主要针对上述推送流程进行了一系列的优化，接下来我们便对其进行具体的讲解。

Dubbo 3.0

URL 结构

当然，地址推送模型的优化依然离不开 URL 的优化，下图是Dubbo 3.0中优化地址推送模型的过程中使用的新的URL结构。

Dubbo3 URL类图.png

根据上图我们可以看出，在 Dubbo 2.7 的 URL 中的几个重要属性在 Dubbo 3.0 中已经不存在了，取而代之的是 URLAddress 和 URLParam 两个类。原来的 parameters 属性被移动到了 URLParam 中的 params，其他的属性则移动到了 URLAddress 及其子类中。
再来介绍 URL 新增的 3 个子类，其中 InstanceAddressURL 属于应用级接口地址，本篇章中不做介绍。
而 ServiceConfigURL 及 ServiceAddressURL 主要的差别就是，ServiceConfigURL 是程序读取配置文件时生成的 URL。而 ServiceAddressURL 则是注册中心推送一些信息（如 providers）过来时生成的 URL。
在这里我们顺便提一下为什么会有 DubboServiceAddressURL 这个子类，按照目前的结构来看，ServiceAddressURL 只有这一个子类，所以完全可以将他们两个的属性全都放到 ServiceAddressURL 中，那么为什么还要有这个子类呢？其实是 Dubbo 3.0 为了兼容 HSF 框架所设计的，抽象出了一个 ServiceAddressURL，而 HSF 框架则可以继承这个类，使用 HSFServiceAddressURL，当然，这个类目前没有体现出来，所以此处我们简单一提，不过多讲解。
那么，我们接下来就讨论一下 Dubbo 3.0 为什么要改为此种数据结构，并且该结构和地址推送模型的优化有何关联性吧！

地址推送模型的优化

URL 结构上的优化

我们在上小节中的类图里看到虽然原来的属性都被移到了 URLAddress 和 URLParam 里，但是 URL 的子类依然多了几个属性，这几个属性自然也是为了优化而新增的，那么这里就讲讲这几个属性的作用。
ServiceConfigURL：这个子类中新增了 attribute 这个属性，这个属性主要是针对 URLParam 的 params 做了冗余，仅仅只是将 value 的类型从 String 改为了 Object，减少了代码中每次获取 parameters 的格式转换消耗。
ServiceAddressURL：这个子类及其对应的其他子类中则新增了 overrideURL 和 consumerURL 属性。其中 consumerURL 是针对 consumer 端的配置信息，overrideURL 则是在 Dubbo Admin 上进行动态配置时写入的值，当我们调用 URL 的 getParameter() 方法时，优先级为 overrideURL > consumerURL > urlParam。在 Dubbo 2.7 时，动态配置属性会替换 URL 中的属性，及当你有大量 URL 时消耗也是不可忽视的，而此处的 overrideURL 则避免了这种消耗，因为所有 URL 都会共同使用同一个对象。

多级缓存

缓存是 Dubbo 3.0 在 URL 上做的优化的重点，同时这部分也是直接针对地址推送模型所做的优化，那么接下来我们就开始来介绍一下多级缓存的具体实现。
首先，多级缓存主要体现在 CacheableFailbackRegistry 这个类之中，它直接继承于 FailbackRegistry，以 Zookeeper 为例，我们看看 Dubbo 2.7 和 Dubbo 3.0 继承结构的区别。

Dubbo3 CacheableFailbackRegistry缓存.png

可以看到在 CacheableFailbackRegistry 缓存中，我们新增了 3 个缓存属性 stringAddress，stringParam 和 stringUrls。我们通过下图来描述这 3 个缓存的具体使用场景。

多级缓存.png

在该方案下，我们使用了 3 个纬度的缓存数据(URL 字符串缓存、URL 地址缓存、URL 参数缓存)，这样一来，在大部分情况下都能有效利用到缓存中的数据，减少了 Zookeeper 重复通知的消耗。

延迟通知

除了上面提到的优化之外，其实另外还有两个小小的优化。
第一个是解析 URL 时可以直接使用编码后的 URL 字符串字节进行解析，而在 Dubbo 2.7 中，所有编码后的 URL 字符串都需要经过解码才可以正常解析为 URL 对象。该方式也直接减少了 URL 解码过程的开销。
第二个则是 URL 变更后的通知机制增加了延迟，下图以Zookeeper为例讲解了实现细节。

延迟通知.png

在该方案中，当 Consumer 接收 Zookeeper 的变更通知后会主动休眠一段时间，而这段时间内的变更在休眠结束后只会保留最后一次变更，Consumer 便会使用最后一次变更来进行监听实例的更新，以此方法来减少大量 URL 的创建开销。

字符串重用

在旧版本实现中，不同的 URL 中属性相同的字符串会存储在堆内不同的地址中，如 protocol、path 等，当有大量 provider 的情况下，Consumer 端的堆内会存在大量的重复字符串，导致内存利用率低下，所以此处提供了另一个优化方式，即字符串重用。
而它的实现方式也非常的简单，让我们来看看对应的代码片段。

public class URLItemCache {
    private static final Map<String, String> PATH_CACHE = new LRUCache<>(10000);
    private static final Map<String, String> PROTOCOL_CACHE = new ConcurrentHashMap<>();

    // 省略无关代码片段

    public static String checkProtocol(String _protocol) {
        if (_protocol == null) {
            return _protocol;
        }
        String cachedProtocol = PROTOCOL_CACHE.putIfAbsent(_protocol, _protocol);
        if (cachedProtocol != null) {
            return cachedProtocol;
        }
        return _protocol;
    }

    public static String checkPath(String _path) {
        if (_path == null) {
            return _path;
        }
        String cachedPath = PATH_CACHE.putIfAbsent(_path, _path);
        if (cachedPath != null) {
            return cachedPath;
        }
        return _path;
    }
}

由如上代码片段可以得知，字符串重用即为简单地使用了 Map 来存储对应的缓存值，当你使用了相同的字符串时，便会从 Map 中获取早已存在的对象返回给调用方，由此便可以减少堆内存中重复的字符串数以达到优化的效果。

优化结果

这里优化结果我引用了《Dubbo 3.0 前瞻：服务发现支持百万集群，带来可伸缩微服务架构》这篇文章中的两副图来说明，下图模拟了在220万个 Provider 接口的情况下，接口数据不断变更导致的 Consumer 端的消耗，我们看到整个 Consumer 端几乎被 Full GC 占满了，严重影响了性能。

Dubbo2 接口级地址模型.png

那么我们再来看看 Dubbo 3.0 中对 URL 进行优化后同一个环境下的压测结果，如下图所示。

Dubbo3 接口级地址模型.png

我们明显可以看到 Full GC 的频率减少到了只有 3 次，大大提升了性能。当然，该文章中还有其他方面的对比，此处便不一一引用了，感兴趣的读者可以自行去阅读该文章。

欢迎在 https://github.com/apache/dubbo 给 Dubbo Star。