二次阅读Nacos源码——Nacos自动服务注册架构设计原理

1 问题背景

第一次阅读Nacos源码是从源码启动单机运行nacos开始。时隔1年再次Nacos源码，会有更深刻的感受。写下此文章前，笔者阅读了Nacos官方发布的《Nacos 架构与原理》。

2 前言（强烈推荐看此小节）

1. 如从未阅读过Nacos源码，推荐从源码启动单机运行nacos开始阅读，该文章所在的专栏也会进一步介绍。
2. 如果阅读过Nacos源码，推荐再阅读Nacos官方发布的《Nacos 架构与原理》，可以从架构层面认识Nacos是怎样设计的。
3. 本博客主要记录笔者二次阅读研究到的东西，或者说是理顺了某些逻辑。因此部分地方可能写得比较简略，部分地方写得比较详细。本博客在行文构思处还有待提高，看不懂本文或有疑惑的小伙伴可留言。
4. 笔者以思维导图的方式从宏观角度归纳总结了关于Nacos服务注册Distro协议的设计机制思维导图，如果看不懂则可以先看Nacos辅服务注册总结思维导图。强烈建议先看前面2篇的思维导图，再回来看博客的源码级别讲解。

3 自动服务注册总体设计

• 参与的角色：Nacos客户端（即服务提供者）、Nacos服务端（即Nacos集群）
• 客户端的核心操作：服务注册、心跳上报
• 服务端的核心操作：服务注册、健康检查
• 路由选择：客户端随机选择服务端发送请求，服务端接收到“写”请求（服务注册、心跳上报）会判断自己是否负责处理该写请求
• 服务端集群的一致性算法：Distro算法（网上很多人说Raft算法，但没说场景。Nacos确实有用Raft算法，但是在服务注册方面，临时服务基本都是采用Distro算法，Distro算法遵循AP，最终一致性，非强一致性）

4 哪里体现自动？

客户端启动后，会发布一个WebServerInitializedEvent。spring cloud的服务发现组件AbstractAutoServiceRegistration会监听该事件，底层会调用将客户端注册到Nacos服务端的逻辑。

5 客户端服务注册

底层实际是封装好一个客户端实例的数据发送HTTP请求给Nacos服务端

6 服务端服务注册

服务端处理服务注册的核心入口在com.alibaba.nacos.naming.controllers.InstanceController#register，其实还有其他入口，比如服务端集群做一致性，此处仅从最平常的入口切入研究

1. parseInstance()：从请求参数中解析出一个实例instance，其中有一个操作是instance.setLastBeat(System.currentTimeMillis());，服务端做健康检查的时候，会用当前时间戳-instance.getLastBeat判断实例是否健康
2. serviceManager.registerInstance()：注册服务的核心操作。ServiceManager更加关心Service服务层面，比如注册服务、注销服务；Service更加关心 Instance实例层面，比如更新实例。

6.1 serviceManager.registerInstance()

1. createEmptyService()：如果当前Nacos服务端没有当前要注册的服务，则创建一个服务。存储服务的容器是Map> serviceMap，他的key-value分别是Map(namespace, Map(groupName@@serviceName, Service))，第一个key对应的value是ConcurrentSkipListMap类型。
   1.1 创建完服务后会把Service服务放入serviceMap容器。
   1.2 健康检查 。启动一个带延迟事件的调度循环执行（线程池的应用），每5000毫秒检查客户端有无上报心跳。超过15秒没有上报，则标记客户端为不健康，再过15秒（即超过30秒）没有上报，则剔除该客户端。
   1.3 服务端一致性监听。把Service放入Map> listeners监听器。此处放了2次，临时实例、永久实例各放了一次，由key做区分。此处监听器涉及了观察者设计模式，降低一致性算法的耦合性，将服务端做一致性协议的能力下沉到Nacos内核模块，更加通用，更加低耦合。前面提到服务注册的入口不只在controller有，服务端集群做一致性的地方也会有，这就是一致性算法下沉到内核模块的作用。

2. addInstance()：添加实例到服务里面。
   2.1 KeyBuilder.buildInstanceListKey：构建一个Service的全局唯一标识，基本上所有地方都是靠这个key做逻辑处理。
   2.2 addIpAddresses()：拿到Service下的所有实例，初始化clusterMap
   2.3 consistencyService.put()：处理数据一致性。这个很核心，下面单独拿出来讲。

6.2 consistencyService.put()

put()方法有2个核心操作，一个是onPut()，更新自身服务端节点的实例数据，推送实例数据给Nacos客户端们。一个是distroProtocol.sync()，做Nacos服务端集群的数据一致性。

1. onPut()：有两个核心操作（1）更新当前Nacos服务端的Cluster中的临时实例Set集合的数据；（2）把Service服务最新的Instances实例数据推送给订阅了该服务的Nacos客户端。
   1.1填充datastore。
   1.2notifier.addTask(key, DataOperation.CHANGE)发布change事件。notifier是一个Runable实现类，该类是DistroConsistencyServiceImpl的内部类，而DistroConsistencyServiceImpl有一个带有@PostConstruct注解的方法，说明Nacos服务端启动完成后，会回调该注解标注的方法，该方法会用线程池执行notifier任务。notifier任务实际就是调用监听器listener的onChange方法listener.onChange()。onChange()方法实际上是将实例添加到Cluster中的Set ephemeralInstances临时实例Set集合。
   1.3 getPushService().serviceChanged(this)广播Service 被改变的消息，实际是封装UDP报文，发给订阅了该服务的Nacos客户端（客户端获取某个服务的所有实例时，该客户端被添加到订阅容器里面）。

总结：用了一个队列做解耦，并配合观察者设计模式，底层实际是把instance实例数据都存储到Cluster中的临时实例Set集合中。

2. distroProtocol.sync()：当前Nacos服务端节点上注册了一个服务实例，将最新的数据同步给Nacos服务端集群的其他节点。
   2.1 构建DistroKey：含有目标Nacos服务端节点的地址。
   2.2 构建DistroDelayTask：含有DistroKey。
   2.3 distroTaskEngineHolder.getDelayTaskExecuteEngine().addTask(distroKeyWithTarget, distroDelayTask)：将key和task添加到一个类型是ConcurrentHashMap tasks的Map中。
   2.4 distroTaskEngineHolder.getDelayTaskExecuteEngine()：返回一个Engine，该Engine实例化时，会用Executors.newScheduledThreadPool的线程池执行一个ProcessRunnable任务，该任务会拿到类型是ConcurrentHashMap tasks的Map中所有的key，然后根据key获取对应的Processor（此处拿到的时候DistroDelayTaskProcessor，该processor在delayTaskExecuteEngine实例化的时候就被set进去了），然后执行process()方法。此处用了策略模式。processor()方法底层是构建了DistroSyncChangeTask。
   2.5 构建DistroSyncChangeTask。他是一个Runnable实现类。实际是将数据发送给Nacos服务端集群的其他节点。待发送的Service数据是Datum结构的二进制序列化。

6.3 DistroProtocol实例化

DistroConsistencyServiceImpl实例化的时候，会注入DistroProtocol，在DistroProtocol实例化的时候，会启动一个线程去拉取Nacos服务端集群其他节点上的服务数据。

1. DistroProtocol构造器会调用一个startDistroTask()，底层会用线程池执行一个DistroLoadDataTask任务，该任务底层是加载Nacos服务端集群的其他节点的数据，核心方法是load()

2. load()：
   2.1 如果只有自己一个服务端节点，那么就休眠1s，一直while循环扫描发现其他服务端节点。
   2.2 循坏等待distroComponentHolder.getDataStorageTypes()不为空（此处代码给出的日志打印是distro data storage register），果有数据则退出while循坏，否则休眠1s。distroComponentHolder.getDataStorageTypes()该值是在com.alibaba.nacos.naming.consistency.ephemeral.distro.DistroHttpRegistry#doRegister用@PostConstruct注入的。
   2.3 loadAllDataSnapshotFromRemote()：发送http请求，拿到远程服务器的所有数据（这些数据是二进制的数据，DistroData）

7 Distro一致性算法

Nacos在服务注册方面采用了遵循AP定理的自研Distro一致性算法。该算法并不是由单独一处逻实现的，而是由8大机制实现的。详情可见Nacos Distro协议的设计机制

笔者总结Distro协议有8大机制：

• 平等机制
• 路由转发机制
• 客服端心跳上报机制
• 服务端健康检查机制
• 本地读机制
• 寻址机制
• 新节点同步机制
• 异步复制机制