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熔断机制是什么意思（2016年股市熔断事件）

西安刑辩律师 • • 法律知识 • 阅读 155

熔断和降级都是系统自我保护的一种机制，但二者又有所不同，它们的区别主要体现在以下几点：

  1. 概念不同
  2. 触发条件不同
  3. 归属关系不同

1.概念不同

1.1 熔断概念

“熔断”一词早期来自股票市场。熔断（Circuit Breaker）也叫自动停盘机制，是指当股指波幅达到规定的熔断点时，交易所为控制风险采取的暂停交易措施。比如 2020 年 3 月 9 日，纽约股市开盘出现暴跌，随后跌幅达到 7% 上限，触发熔断机制，停止交易 15 分中，恢复交易后跌幅有所减缓。

而熔断在程序中，表示“断开”的意思。如发生了某事件，程序为了整体的稳定性，所以暂时（断开）停止服务一段时间，以保证程序可用时再被使用。

如果没有熔断机制的话，会导致联机故障和服务雪崩等问题，如下图所示：

熔断机制是什么意思（2016年股市熔断事件）

1.2 降级概念

降级（Degradation）降低级别的意思，它是指程序在出现问题时，仍能保证有限功能可用的一种机制。

比如电商交易系统在双 11 时，使用的人比较多，此时如果开放所有功能，可能会导致系统不可用，所以此时可以开启降级功能，优先保证支付功能可用，而其他非核心功能，如评论、物流、商品介绍等功能可以暂时关闭。

所以，从上述信息可以看出：降级是一种退而求其次的选择，而熔断却是整体不可用。

2.触发条件不同

不同框架的熔断和降级的触发条件是不同的，本文咱们以经典的 Spring Cloud 组件 Hystrix 为例，来说明触发条件的问题。

2.1 Hystrix 熔断触发条件

默认情况 hystrix 如果检测到 10 秒内请求的失败率超过 50%，就触发熔断机制。之后每隔 5 秒重新尝试请求微服务，如果微服务不能响应，继续走熔断机制。如果微服务可达，则关闭熔断机制，恢复正常请求。

熔断机制是什么意思（2016年股市熔断事件）

2.2 Hystrix 降级触发条件

默认情况下，hystrix 在以下 4 种条件下都会触发降级机制：

  1. 方法抛出 HystrixBadRequestException
  2. 方法调用超时
  3. 熔断器开启拦截调用
  4. 线程池或队列或信号量已满

虽然 hystrix 组件的触发机制，不能代表所有的熔断和降级机制，但足矣说明此问题。

3.归属关系不同

**熔断时可能会调用降级机制，而降级时通常不会调用熔断机制。**因为熔断是从全局出发，为了保证系统稳定性而停用服务，而降级是退而求其次，提供一种保底的解决方案，所以它们的归属关系是不同（熔断 > 降级）。

题外话

当然，某些框架如 Sentinel，它早期在 Dashboard 控制台中可能叫“降级”，但在新版中新版本又叫“熔断”，如下图所示：

熔断机制是什么意思（2016年股市熔断事件）

但在两个版本中都是通过同一个异常类型 DegradeException 来监听的，如下代码所示：

熔断机制是什么意思（2016年股市熔断事件）

所以，在 Sentinel 中，熔断和降级功能指的都是同一件事，也侧面证明了“熔断”和“降级”概念的相似性。但我们要知道它们本质上是不同的，就像两个双胞胎，不能因为他们长得像，就说他们是同一个人。

熔断机制是什么意思（2016年股市熔断事件）

当用户请求 A、P、H、I 四个服务获取数据时，在正常流量下系统稳定运行，如果某天系统进来大量流量，其中服务 I 出现 CPU、内存占用过高等问题，结果导致服务 I 出现延迟、响应过慢，随着请求的持续增加，服务 I 承受不住压力导致内部错误或资源耗尽，一直不响应，此时更糟糕的是其他服务对 I 有依赖，那么这些依赖 I 的服务一直等待 I 的响应，也会出现请求堆积、资源占用，慢慢扩散到所有微服务，引发雪崩效应。

基本的容错模式

常见的容错模式主要包含以下几种方式：

1.主动超时：Http请求主动设置一个超时时间，超时就直接返回，不会造成服务堆积

2.限流：限制最大并发数

3.熔断：当错误数超过阈值时快速失败，不调用后端服务，同时隔一定时间放几个请求去重试后端服务是否能正常调用，如果成功则关闭熔断状态，失败则继续快速失败，直接返回。（此处有个重试，重试就是弹性恢复的能力）

4.隔离：把每个依赖或调用的服务都隔离开来，防止级联失败引起整体服务不可用

5.降级：服务失败或异常后，返回指定的默认信息

熔断机制是什么意思（2016年股市熔断事件）

服务降级

由于爆炸性的流量冲击，对一些服务进行有策略的放弃，以此缓解系统压力，保证目前主要业务的正常运行。它主要是针对非正常情况下的应急服务措施：当此时一些业务服务无法执行时，给出一个统一的返回结果。

服务熔断

熔断这一概念来源于电子工程中的断路器（Circuit Breaker）。在互联网系统中，当下游服务因访问压力过大而响应变慢或失败，上游服务为了保护系统整体的可用性，可以暂时切断对下游服务的调用。

服务熔断与服务降级比较

服务熔断对服务提供了proxy，防止服务不可能时，出现串联故障（cascading failure），导致雪崩效应。

服务熔断一般是某个服务（下游服务）故障引起，而服务降级一般是从整体负荷考虑。

1.共性：

目的 -> 都是从可用性、可靠性出发，提高系统的容错能力。

最终表现->使某一些应用不可达或不可用，来保证整体系统稳定。

粒度 -> 一般都是服务级别，但也有细粒度的层面：如做到数据持久层、只许查询不许增删改等。

自治 -> 对其自治性要求很高。都要求具有较高的自动处理机制。

2.区别：

触发原因 -> 服务熔断通常是下级服务故障引起；服务降级通常为整体系统而考虑。

管理目标 -> 熔断是每个微服务都需要的，是一个框架级的处理；而服务降级一般是关注业务，对业务进行考虑，抓住业务的层级，从而决定在哪一层上进行处理：比如在IO层，业务逻辑层，还是在外围进行处理。

实现方式 -> 代码实现中的差异。

服务熔断恢复需注意的问题

如果服务是幂等性的，则恢复重试不会有问题；而如果服务是非幂等性的，则重试会导致数据出现问题。

Java 实现限流

1 滑动窗口

public class WindowLimiterComponent implements LimiterComponent {

/**
* 队列id和队列的映射关系，队列里面存储的是每一次通过时候的时间戳，这样可以使得程序里有多个限流队列
*/
private final Map<String, List> MAP = new ConcurrentHashMap();

/**
* 限制次数
*/
private final int count;

/**
* 时间窗口大小
*/
private final long timePeriod;

public WindowLimiterComponent(int count, long timePeriod) {
this.count = count;
this.timePeriod = timePeriod;
}

/**
* 滑动时间窗口限流算法
* 在指定时间窗口，指定限制次数内，是否允许通过
*
* @param id 队列id
* @return 是否被限流
*/
@Override
public synchronized boolean isLimited(String id) {
// 获取当前时间
long nowTime = System.currentTimeMillis();
// 根据队列id，取出对应的限流队列，若没有则创建
List list = MAP.computeIfAbsent(id, k -> new LinkedList());
// 如果队列还没满，则允许通过，并添加当前时间戳到队列开始位置
if (list.size() < count) {
list.add(0, nowTime);
return false;
}
// 队列已满（达到限制次数），则获取队列中最早添加的时间戳
Long lastTime = list.get(count - 1);
// 用当前时间戳 减去 最早添加的时间戳
if (nowTime - lastTime <= timePeriod) {
// 若结果小于等于timePeriod，则说明在timePeriod内，通过的次数大于count
// 不允许通过
return true;
} else {
// 若结果大于timePeriod，则说明在timePeriod内，通过的次数小于等于count
// 允许通过，并删除最早添加的时间戳，将当前时间添加到队列开始位置
list.remove(count - 1);
list.add(0, nowTime);
return false;
}
}

}
复制代码

@Test
public void test() throws InterruptedException {
// 任意10秒内，只允许2次通过
LimiterComponent component = new WindowLimiterComponent(2, 10000L);
while (true) {

System.out.println(LocalTime.now().toString() + component.isLimited("1"));
// 睡眠0-10秒
Thread.sleep(1000 * new Random().nextInt(10));
}
}
复制代码

2 redis zset

public class RedisZSetLimiterComponent implements LimiterComponent{

private final RedissonComponent redissonComponent;

/**
* 限制次数
*/
private final int count;

/**
* 时间窗口大小，单位毫秒
*/
private final long timePeriod;

public RedisZSetLimiterComponent(RedissonComponent component) {
this.redissonComponent = component;
this.count = 5;
this.timePeriod = 1000;
}

public RedisZSetLimiterComponent(RedissonComponent component, int count, long timePeriod) {
this.redissonComponent = component;
this.count = count;
this.timePeriod = timePeriod;
}

/**
* 基于 zset 的滑动时间窗口限流算法
* 在指定时间窗口，指定限制次数内，是否允许通过
*
* @param key 队列key
* @return 是否允许通过
*/
@Override
public synchronized boolean isLimited(String key) {
// 获取当前时间
long nowTime = System.currentTimeMillis();
RScoredSortedSet set = redissonComponent.getRScoredSortedSet(key);
// 移除一个时间段以前的
set.removeRangeByScore(0, true, (double) (nowTime - timePeriod), true);
// 获取集合内元素总数
int size = set.count((double) (nowTime - timePeriod), true, nowTime, true);
// 如果队列没满
if (size < count) {
// 当前时间加入集合
set.add((double) nowTime, String.valueOf(nowTime));
return false;
}
return true;
}

}
复制代码

@Test
public void test() throws InterruptedException {
// 任意10秒内，只允许2次通过
LimiterComponent component = new RedisZSetLimiterComponent(redissonComponent, 2, 10000L);
while (true) {

System.out.println(LocalTime.now().toString() + component.isLimited("1"));
// 睡眠0-10秒
Thread.sleep(1000 * new Random().nextInt(10));
}
}
复制代码

3 guava RateLimiter

@SuppressWarnings("UnstableApiUsage")
public class GuavaLimiterComponent implements LimiterComponent {

private final int count;

private final long timePeriod;

private final Map MAP = new ConcurrentHashMap();

public GuavaLimiterComponent(int count, long timePeriod) {
this.count = count;
this.timePeriod = timePeriod;
}

/**
* 令牌桶算法
*
* @param key 键值
* @return 是否被限流
*/
@Override
public synchronized boolean isLimited(String key) {
RateLimiter rateLimiter = MAP.computeIfAbsent(key, k -> RateLimiter.create(count, timePeriod, TimeUnit.MILLISECONDS));
return !rateLimiter.tryAcquire();
}

}
复制代码

@Test
public void test() throws InterruptedException {
// 任意10秒内，只允许2次通过
LimiterComponent component = new GuavaLimiterComponent(2, 10000L);
while (true) {
System.out.println(LocalTime.now().toString() + component.isLimited("1"));
// 睡眠0-10秒
Thread.sleep(1000 * new Random().nextInt(10));
}
}
复制代码

4 redisson RRateLimiter

public class RedisRateLimiterComponent implements LimiterComponent {

private final RedissonComponent redissonComponent;

/**
* 限制次数
*/
private final int count;

/**
* 时间窗口大小，单位毫秒
*/
private final long timePeriod;

public RedisRateLimiterComponent(RedissonComponent component) {
this.redissonComponent = component;
this.count = 5;
this.timePeriod = 1000;
}

public RedisRateLimiterComponent(RedissonComponent component, int count, long timePeriod) {
this.redissonComponent = component;
this.count = count;
this.timePeriod = timePeriod;
}

/**
* 基于 rateLimiter 的滑动时间窗口限流算法
* 在指定时间窗口，指定限制次数内，是否允许通过
*
* @param key 队列key
* @return 是否允许通过
*/
@Override
public synchronized boolean isLimited(String key) {
RRateLimiter rateLimiter = redissonComponent.getRateLimiter(key);
rateLimiter.trySetRate(RateType.PER_CLIENT, count, timePeriod, RateIntervalUnit.MILLISECONDS);
return !rateLimiter.tryAcquire();
}

}
复制代码

@Test
public void test() throws InterruptedException {
// 任意10秒内，只允许2次通过
LimiterComponent component = new RedisRateLimiterComponent(redissonComponent, 2, 10000L);
while (true) {

System.out.println(LocalTime.now().toString() + component.isLimited("1"));
// 睡眠0-10秒
Thread.sleep(1000 * new Random().nextInt(10));
}
}

总结

熔断和降级都是程序在我保护的一种机制，但二者在概念、触发条件、归属关系上都是不同的。熔断更偏向于全局视角的自我保护（机制），而降级则偏向于具体模块“退而请其次”的解决方案。

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上一篇 2023年5月27日 11:29:09
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