采用断路器设计模式来保护软件

 程序员的人生就像在一个快车道上行驶。几周甚至几小时完成某些特性编码，打包测试没有问题，盖上QA认证，代码部署到生产环境。然而最坏的事情发生了，你所部署的软件在运行中挂掉了。用墨菲法则来说，就是“会出错的，终将出错”。但是，如果我们在写代码时就能考虑到这些问题会怎样？

那么我们该如何应对，将不好的事情转变为好的事情呢？

电子技术拯救了我们

至今记得我和哥哥因为电涌不得不更换家里的保险丝情景，那时我对事件的严重程度一无所知，而他却已经是电力方面的小能手了。保险丝完全烧坏了，但它却保护了我家的电视机。在电子工程领域，保险丝和断路器用（Circuit Breaker）来处理这样的问题，即超大功率可能带来一些严重的破坏，譬如毁坏电子设备甚至烧掉整个屋子。保险丝包含一个小电线丝，电量过大时就会融化，就像烧掉的电灯泡，阻止危险的电流，保护了电器和房屋。

保险丝演变成断路器，通常利用电磁铁就可以断开电路，而不用烧掉它，这样断路器就可以重置反复地用。不过，它们的功能都是一样的，检测负载，接着迅速停止工作，保全其它部分不受破坏。

回过头再想，这是一个多么神奇的概念。仅仅坏掉某个控件——保险丝彻底坏掉，就可以避免了整个系统的严重损坏。多亏电涌后保险丝自熔，保住了电视机。那么我们可不可在软件中做同样的事情？坏事发生后，软件中的某个控件会迅速停止工作。模仿现实生活中的场景，由此我们创造了断路器设计模式。

在分布式系统中，某些故障是短暂的，通过快速连续重试就可以解决问题；但在某些场景中，关键依赖的连接丢失了，短时间无法恢复。比如，某个应用失去了与云中的持续化存储连接。在这样的场景中，关闭服务就可以避免错误的数据处理过程、甚至数据丢失或者级联故障，进而防止对系统其它部分的进一步损坏。

借助于迅速停止工作(failing fast)，运维系统就可以容易地进行监控和响应。在它们重视起来之前，那些徒劳尝试重新连接的服务看起来仍然是正常的，因为本应该拉响的警报没有响起。倘若某个服务在恰当的时候彻底失效，警告灯熄灭了，运维人员就会知晓问题所在，并及时做出响应。

断路器设计模式

在系统中可重用基础架构实现断路器设计模式是很容易实现的，它是这么发挥作用的：

1 定义一个可重用的CircuitBreaker类，包含Trip和Reset方法，以及断路器跳闸就可以调用的action
2 利用CircuitBreaker去监控系统依赖。针对每个单一的故障，断路器跳闸就会将其设置在一种布防状态，就像电涌出现时那样。
3 倘若接下来在特定的时间窗口内尝试成功，那么就重置此断路器，一切恢复正常。
4 倘若断路器没有在特定的时间重置，异常会持续发生，此时断路器就会调用你提供的action。你可以在断路器跳闸时选择快速停止工作（终止进程）或者其他action。

应用案例

本例中ExternalServiceAdapter类帮助系统与外部依赖建立连接。或许有个网络程序产生请求频繁地执行DoStuff操作。一旦执行，若此时GetConnection执行出错，异常就会发生，断路器就会被跳闸。倘若连接重新建立起来，断路器就会被重置。不过连接异常持续发生时，断路器就会跳闸，特定的跳闸action就会执行，在本例中将会迅速停止工作。

public class ExternalServiceAdapter  {      private CircuitBreaker circuitBreaker;        public ExternalServiceAdapter()      {          circuitBreaker = new CircuitBreaker("CheckConnection", /*断路器名称 */              exception => /* 一旦断路器跳闸此action就会被调用 */              {                  Console.WriteLine("Circuit breaker tripped! Fail fast!");                  //终止进程，略过接下来的任何try/finally块或者finalizers                  Environment.FailFast(exception.Message);              },          3, /* 断路器跳闸前的最大阈值*/          TimeSpan.FromSeconds(2)); /* Time to wait between each try before attempting to trip the circuit breaker */      }        public void DoStuff()      {          var externalService = GetConnection();          externalService.DoStuff();      }        ConnectionDependency GetConnection()      {          try          {              var newConnection = new ConnectionDependency();              circuitBreaker.Reset();              return newConnection;          }          catch (Exception exception)          {              circuitBreaker.Trip(exception);              throw;          }      }  }

断路器模式简单实现

using System;  using System.Threading;    public class CircuitBreaker   {      public CircuitBreaker(string name, /*操作名称*/          Action<Exception> tripAction, /* 一旦断路器跳闸action就会被调用*/          int maxTimesToRetry, /* 断路器跳闸前重试的时间*/          TimeSpan delayBetweenRetries /*每一次重试的时间间隔*/)       {          this.name = name;          this.tripAction = tripAction;          this.maxTimesToRetry = maxTimesToRetry;          this.delayBetweenRetries = delayBetweenRetries;            // 一旦用户迫使断路器跳闸，计时器就会开启          timer = new Timer(CircuitBreakerTripped, null, Timeout.Infinite, (int)delayBetweenRetries.TotalMilliseconds);      }        public void Reset()      {          var oldValue = Interlocked.Exchange(ref failureCount, 0);          timer.Change(Timeout.Infinite, Timeout.Infinite);          Console.WriteLine("The circuit breaker for {0} is now disarmed", name);        }        public void Trip(Exception ex)      {          lastException = ex;          var newValue = Interlocked.Increment(ref failureCount);            if (newValue == 1)          {              // 开启重试计时器.               timer.Change(delayBetweenRetries, TimeSpan.FromMilliseconds(-1));                // 记录已触发的断路器.              Console.WriteLine("The circuit breaker for {0} is now in the armed state", name);          }      }        void CircuitBreakerTripped(object state)      {          Console.WriteLine("Check to see if we need to trip the circuit breaker. Retry:{0}", failureCount);          if (Interlocked.Increment(ref failureCount) > maxTimesToRetry)          {              Console.WriteLine("The circuit breaker for {0} is now tripped. Calling specified action", name);              tripAction(lastException);              return;          }          timer.Change(delayBetweenRetries, TimeSpan.FromMilliseconds(-1));              }        readonly string name;      readonly int maxTimesToRetry;      long failureCount;      readonly Action<Exception> tripAction;      Exception lastException;      readonly TimeSpan delayBetweenRetries;      readonly Timer timer;  }

断路器单元测试

[TestFixture]  public class CircuitBreakerTests  {      [Test]      public void When_the_circuit_breaker_is_tripped_the_trip_action_is_called_after_reaching_max_threshold()      {          bool circuitBreakerTripActionCalled = false;          var connectionException = new Exception("Something bad happened.");            var  circuitBreaker = new CircuitBreaker("CheckServiceConnection", exception =>          {              Console.WriteLine("Circuit breaker tripped - fail fast");              circuitBreakerTripActionCalled = true;              // You would normally fail fast here in the action to faciliate the process shutdown by calling:              // Environment.FailFast(connectionException.Message);          }, 3, TimeSpan.FromSeconds(1));            circuitBreaker.Trip(connectionException);          System.Threading.Thread.Sleep(5000);           Assert.IsTrue(circuitBreakerTripActionCalled);       }        [Test]      public void When_the_circuit_breaker_is_reset_the_trip_action_is_not_called()      {          bool circuitBreakerTripActionCalled = false;          var connectionException = new Exception("Something bad happened.");            var circuitBreaker = new CircuitBreaker("CheckServiceConnection", exception =>          {              Console.WriteLine("Circuit breaker tripped - fail fast");              circuitBreakerTripActionCalled = true;              // You would normally fail fast here in the action to faciliate the process shutdown by calling:              // Environment.FailFast(connectionException.Message);          }, 3, TimeSpan.FromSeconds(2));            circuitBreaker.Trip(connectionException);          System.Threading.Thread.Sleep(1000);           circuitBreaker.Reset();          Assert.False(circuitBreakerTripActionCalled);      }  }

上面代码案例采用Console.WriteLine，你可以选择自己喜欢的logger。

最后结语

断路器是现代社会重要的组成部分，可以说是最重要的安全设备之一。不论是一个熔化的保险丝，或者是跳闸的断路器，它们的存在背后都有其充足的理由。

监控重要的资源，一旦它们无法响应，断路器就迅速停止工作，进而确保整个运维团队做出正确的响应。

如果你想进一步了解这些设计模式，请看Michael T. Nygard 的《Release It》，这是一本相当不错的读物。