面试篇-Nacos源码分析

1. 下载Nacos源码并运行

要研究Nacos源码自然不能用打包好的Nacos服务端jar包来运行，需要下载源码自己编译来运行。

1.1 下载Nacos源码

Nacos的GitHub地址：https://github.com/alibaba/nacos

课前资料中已经提供了下载好的1.4.2版本的Nacos源码：

如果需要研究其他版本的同学，也可以自行下载：

大家找到其release页面：https://github.com/alibaba/nacos/tags，找到其中的1.4.2.版本：

点击进入后，下载Source code(zip)：

1.2 导入Demo工程

我们的课前资料提供了一个微服务Demo，包含了服务注册、发现等业务。

导入该项目后，查看其项目结构：

结构说明：

cloud-source-demo：项目父目录
- cloud-demo：微服务的父工程，管理微服务依赖
  - order-service：订单微服务，业务中需要访问user-service，是一个服务消费者
  - user-service：用户微服务，对外暴露根据id查询用户的接口，是一个服务提供者

1.3 导入Nacos源码

将之前下载好的Nacos源码解压到cloud-source-demo项目目录中：

然后，使用IDEA将其作为一个module来导入：

1）选择项目结构选项：

然后点击导入module：

在弹出窗口中，选择nacos源码目录：

然后选择maven模块，finish：

最后，点击OK即可：

导入后的项目结构：

1.4 proto编译

Nacos底层的数据通信会基于protobuf对数据做序列化和反序列化。并将对应的proto文件定义在了consistency这个子模块中：

我们需要先将proto文件编译为对应的Java代码。

1.4.1 什么是protobuf

protobuf的全称是Protocol Buffer，是Google提供的一种数据序列化协议，这是Google官方的定义：

Protocol Buffers 是一种轻便高效的结构化数据存储格式，可以用于结构化数据序列化，很适合做数据存储或 RPC 数据交换格式。它可用于通讯协议、数据存储等领域的语言无关、平台无关、可扩展的序列化结构数据格式。

可以简单理解为，是一种跨语言、跨平台的数据传输格式。与json的功能类似，但是无论是性能，还是数据大小都比json要好很多。

protobuf的之所以可以跨语言，就是因为数据定义的格式为.proto格式，需要基于protoc编译为对应的语言。

1.4.2 安装protoc

Protobuf的GitHub地址：https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases

我们可以下载windows版本的来使用：

另外，课前资料也提供了下载好的安装包：

解压到任意非中文目录下，其中的bin目录中的protoc.exe可以帮助我们编译：

然后将这个bin目录配置到你的环境变量path中，可以参考JDK的配置方式：

1.4.3 编译proto

进入nacos-1.4.2的consistency模块下的src/main目录下：

然后打开cmd窗口，运行下面的两个命令：

protoc --java_out=./java ./proto/consistency.proto
protoc --java_out=./java ./proto/Data.proto

如图：

会在nacos的consistency模块中编译出这些java代码：

1.5 运行

nacos服务端的入口是在console模块中的Nacos类：

我们需要让它单机启动：

然后新建一个SpringBootApplication：

然后填写应用信息：

然后运行Nacos这个main函数：

将order-service和user-service服务启动后，可以查看nacos控制台：

2. 服务注册

服务注册到Nacos以后，会保存在一个本地注册表中，其结构如下：

首先最外层是一个Map，结构为：Map<String, Map<String, Service>>：

key：是namespace_id，起到环境隔离的作用。namespace下可以有多个group
value：又是一个Map<String, Service>，代表分组及组内的服务。一个组内可以有多个服务
- key：代表group分组，不过作为key时格式是group_name:service_name
- value：分组下的某一个服务，例如userservice，用户服务。类型为Service，内部也包含一个Map<String,Cluster>，一个服务下可以有多个集群
  - key：集群名称
  - value：Cluster类型，包含集群的具体信息。一个集群中可能包含多个实例，也就是具体的节点信息，其中包含一个Set<Instance>，就是该集群下的实例的集合
    Instance：实例信息，包含实例的IP、Port、健康状态、权重等等信息

每一个服务去注册到Nacos时，就会把信息组织并存入这个Map中。

2.1 服务注册接口

Nacos提供了服务注册的API接口，客户端只需要向该接口发送请求，即可实现服务注册。

接口说明： 注册一个实例到Nacos服务。

请求类型：POST

请求路径：/nacos/v1/ns/instance

请求参数：

名称

类型

是否必选

描述

字符串

是

服务实例IP

port

int

是

服务实例port

namespaceId

字符串

否

命名空间ID

weight

double

否

权重

enabled

boolean

否

是否上线

healthy

boolean

否

是否健康

metadata

字符串

否

扩展信息

clusterName

字符串

否

集群名

serviceName

字符串

是

服务名

groupName

字符串

否

分组名

ephemeral

boolean

否

是否临时实例

错误编码：

错误代码

描述

语义

400

Bad Request

客户端请求中的语法错误

403

Forbidden

没有权限

404

Not Found

无法找到资源

500

Internal Server Error

服务器内部错误

200

正常

2.2 客户端

首先，我们需要找到服务注册的入口。

2.2.1 NacosServiceRegistryAutoConfiguration

因为Nacos的客户端是基于SpringBoot的自动装配实现的，我们可以在nacos-discovery依赖：

spring-cloud-starter-alibaba-nacos-discovery-2.2.6.RELEASE.jar

这个包中找到Nacos自动装配信息：

可以看到，有很多个自动配置类被加载了，其中跟服务注册有关的就是NacosServiceRegistryAutoConfiguration这个类，我们跟入其中。

可以看到，在NacosServiceRegistryAutoConfiguration这个类中，包含一个跟自动注册有关的Bean：

2.2.2 NacosAutoServiceRegistration

NacosAutoServiceRegistration源码如图：

可以看到在初始化时，其父类AbstractAutoServiceRegistration也被初始化了。

AbstractAutoServiceRegistration如图：

可以看到它实现了ApplicationListener接口，监听Spring容器启动过程中的事件。

在监听到WebServerInitializedEvent（web服务初始化完成）的事件后，执行了bind 方法。

其中的bind方法如下：

public void bind(WebServerInitializedEvent event) {
    // 获取 ApplicationContext
    ApplicationContext context = event.getApplicationContext();
    // 判断服务的 namespace,一般都是null
    if (context instanceof ConfigurableWebServerApplicationContext) {
        if ("management".equals(((ConfigurableWebServerApplicationContext) context)
                                .getServerNamespace())) {
            return;
        }
    }
    // 记录当前 web 服务的端口
    this.port.compareAndSet(0, event.getWebServer().getPort());
    // 启动当前服务注册流程
    this.start();
}

其中的start方法流程：

public void start() {
		if (!isEnabled()) {
			if (logger.isDebugEnabled()) {
				logger.debug("Discovery Lifecycle disabled. Not starting");
			}
			return;
		}

		// 当前服务处于未运行状态时，才进行初始化
		if (!this.running.get()) {
            // 发布服务开始注册的事件
			this.context.publishEvent(
					new InstancePreRegisteredEvent(this, getRegistration()));
            // ☆☆☆☆开始注册☆☆☆☆
			register();
			if (shouldRegisterManagement()) {
				registerManagement();
			}
            // 发布注册完成事件
			this.context.publishEvent(
					new InstanceRegisteredEvent<>(this, getConfiguration()));
            // 服务状态设置为运行状态，基于AtomicBoolean
			this.running.compareAndSet(false, true);
		}

	}

其中最关键的register()方法就是完成服务注册的关键，代码如下：

protected void register() {
    this.serviceRegistry.register(getRegistration());
}

此处的this.serviceRegistry就是NacosServiceRegistry：

2.2.3 NacosServiceRegistry

NacosServiceRegistry是Spring的ServiceRegistry接口的实现类，而ServiceRegistry接口是服务注册、发现的规约接口，定义了register、deregister等方法的声明。

而NacosServiceRegistry对register的实现如下：

@Override
public void register(Registration registration) {
	// 判断serviceId是否为空，也就是spring.application.name不能为空
    if (StringUtils.isEmpty(registration.getServiceId())) {
        log.warn("No service to register for nacos client...");
        return;
    }
    // 获取Nacos的命名服务，其实就是注册中心服务
    NamingService namingService = namingService();
    // 获取 serviceId 和 Group
    String serviceId = registration.getServiceId();
    String group = nacosDiscoveryProperties.getGroup();
	// 封装服务实例的基本信息，如 cluster-name、是否为临时实例、权重、IP、端口等
    Instance instance = getNacosInstanceFromRegistration(registration);

    try {
        // 开始注册服务
        namingService.registerInstance(serviceId, group, instance);
        log.info("nacos registry, {} {} {}:{} register finished", group, serviceId,
                 instance.getIp(), instance.getPort());
    }
    catch (Exception e) {
        if (nacosDiscoveryProperties.isFailFast()) {
            log.error("nacos registry, {} register failed...{},", serviceId,
                      registration.toString(), e);
            rethrowRuntimeException(e);
        }
        else {
            log.warn("Failfast is false. {} register failed...{},", serviceId,
                     registration.toString(), e);
        }
    }
}

可以看到方法中最终是调用NamingService的registerInstance方法实现注册的。

而NamingService接口的默认实现就是NacosNamingService。

2.2.4 NacosNamingService

NacosNamingService提供了服务注册、订阅等功能。

其中registerInstance就是注册服务实例，源码如下：

@Override
public void registerInstance(String serviceName, String groupName, Instance instance) throws NacosException {
    // 检查超时参数是否异常。心跳超时时间(默认15秒)必须大于心跳周期(默认5秒)
    NamingUtils.checkInstanceIsLegal(instance);
    // 拼接得到新的服务名，格式为：groupName@@serviceId
    String groupedServiceName = NamingUtils.getGroupedName(serviceName, groupName);
    // 判断是否为临时实例，默认为 true。
    if (instance.isEphemeral()) {
        // 如果是临时实例，需要定时向 Nacos 服务发送心跳
        BeatInfo beatInfo = beatReactor.buildBeatInfo(groupedServiceName, instance);
        beatReactor.addBeatInfo(groupedServiceName, beatInfo);
    }
    // 发送注册服务实例的请求
    serverProxy.registerService(groupedServiceName, groupName, instance);
}

最终，由NacosProxy的registerService方法，完成服务注册。

代码如下：

public void registerService(String serviceName, String groupName, Instance instance) throws NacosException {

    NAMING_LOGGER.info("[REGISTER-SERVICE] {} registering service {} with instance: {}", namespaceId, serviceName,
                       instance);
	// 组织请求参数
    final Map<String, String> params = new HashMap<String, String>(16);
    params.put(CommonParams.NAMESPACE_ID, namespaceId);
    params.put(CommonParams.SERVICE_NAME, serviceName);
    params.put(CommonParams.GROUP_NAME, groupName);
    params.put(CommonParams.CLUSTER_NAME, instance.getClusterName());
    params.put("ip", instance.getIp());
    params.put("port", String.valueOf(instance.getPort()));
    params.put("weight", String.valueOf(instance.getWeight()));
    params.put("enable", String.valueOf(instance.isEnabled()));
    params.put("healthy", String.valueOf(instance.isHealthy()));
    params.put("ephemeral", String.valueOf(instance.isEphemeral()));
    params.put("metadata", JacksonUtils.toJson(instance.getMetadata()));
	// 通过POST请求将上述参数，发送到 /nacos/v1/ns/instance
    reqApi(UtilAndComs.nacosUrlInstance, params, HttpMethod.POST);

}

这里提交的信息就是Nacos服务注册接口需要的完整参数，核心参数有：

namespace_id：环境
service_name：服务名称
group_name：组名称
cluster_name：集群名称
ip: 当前实例的ip地址
port: 当前实例的端口

而在NacosNamingService的registerInstance方法中，有一段是与服务心跳有关的代码，我们在后续会继续学习。

2.2.5 客户端注册的流程图

如图：

2.3 服务端

在nacos-console的模块中，会引入nacos-naming这个模块：

模块结构如下：

其中的com.alibaba.nacos.naming.controllers包下就有服务注册、发现等相关的各种接口，其中的服务注册是在InstanceController类中：

2.3.1 InstanceController

进入InstanceController类，可以看到一个register方法，就是服务注册的方法了：

@CanDistro
@PostMapping
@Secured(parser = NamingResourceParser.class, action = ActionTypes.WRITE)
public String register(HttpServletRequest request) throws Exception {
	// 尝试获取namespaceId
    final String namespaceId = WebUtils
        .optional(request, CommonParams.NAMESPACE_ID, Constants.DEFAULT_NAMESPACE_ID);
    // 尝试获取serviceName，其格式为 group_name@@service_name
    final String serviceName = WebUtils.required(request, CommonParams.SERVICE_NAME);
    NamingUtils.checkServiceNameFormat(serviceName);
	// 解析出实例信息，封装为Instance对象
    final Instance instance = parseInstance(request);
	// 注册实例
    serviceManager.registerInstance(namespaceId, serviceName, instance);
    return "ok";
}

这里，进入到了serviceManager.registerInstance()方法中。

2.3.2 ServiceManager

ServiceManager就是Nacos中管理服务、实例信息的核心API，其中就包含Nacos的服务注册表：

而其中的registerInstance方法就是注册服务实例的方法：

/**
     * Register an instance to a service in AP mode.
     *
     * <p>This method creates service or cluster silently if they don't exist.
     *
     * @param namespaceId id of namespace
     * @param serviceName service name
     * @param instance    instance to register
     * @throws Exception any error occurred in the process
     */
public void registerInstance(String namespaceId, String serviceName, Instance instance) throws NacosException {
	// 创建一个空的service（如果是第一次来注册实例，要先创建一个空service出来，放入注册表）
    // 此时不包含实例信息
    createEmptyService(namespaceId, serviceName, instance.isEphemeral());
    // 拿到创建好的service
    Service service = getService(namespaceId, serviceName);
    // 拿不到则抛异常
    if (service == null) {
        throw new NacosException(NacosException.INVALID_PARAM,
                                 "service not found, namespace: " + namespaceId + ", service: " + serviceName);
    }
    // 添加要注册的实例到service中
    addInstance(namespaceId, serviceName, instance.isEphemeral(), instance);
}

创建好了服务，接下来就要添加实例到服务中：

/**
     * Add instance to service.
     *
     * @param namespaceId namespace
     * @param serviceName service name
     * @param ephemeral   whether instance is ephemeral
     * @param ips         instances
     * @throws NacosException nacos exception
     */
public void addInstance(String namespaceId, String serviceName, boolean ephemeral, Instance... ips)
    throws NacosException {
	// 监听服务列表用到的key，服务唯一标识，例如：com.alibaba.nacos.naming.iplist.ephemeral.public##DEFAULT_GROUP@@order-service
    String key = KeyBuilder.buildInstanceListKey(namespaceId, serviceName, ephemeral);
    // 获取服务
    Service service = getService(namespaceId, serviceName);
    // 同步锁，避免并发修改的安全问题
    synchronized (service) {
        // 1）获取要更新的实例列表
        List<Instance> instanceList = addIpAddresses(service, ephemeral, ips);
		// 2）封装实例列表到Instances对象
        Instances instances = new Instances();
        instances.setInstanceList(instanceList);
		// 3）完成 注册表更新 以及 Nacos集群的数据同步
        consistencyService.put(key, instances);
    }
}

该方法中对修改服务列表的动作加锁处理，确保线程安全。而在同步代码块中，包含下面几步：

1）先获取要更新的实例列表，addIpAddresses(service, ephemeral, ips);
2）然后将更新后的数据封装到Instances对象中，后面更新注册表时使用
3）最后，调用consistencyService.put()方法完成Nacos集群的数据同步，保证集群一致性。

注意：在第1步的addIPAddress中，会拷贝旧的实例列表，添加新实例到列表中。在第3步中，完成对实例状态更新后，则会用新列表直接覆盖旧实例列表。而在更新过程中，旧实例列表不受影响，用户依然可以读取。
这样在更新列表状态过程中，无需阻塞用户的读操作，也不会导致用户读取到脏数据，性能比较好。这种方案称为CopyOnWrite方案。

2.3.2.1 更服务列表

我们来看看实例列表的更新，对应的方法是addIpAddresses(service, ephemeral, ips);：

private List<Instance> addIpAddresses(Service service, boolean ephemeral, Instance... ips) throws NacosException {
    return updateIpAddresses(service, UtilsAndCommons.UPDATE_INSTANCE_ACTION_ADD, ephemeral, ips);
}

继续进入updateIpAddresses方法：

public List<Instance> updateIpAddresses(Service service, String action, boolean ephemeral, Instance... ips)
    throws NacosException {
	// 根据namespaceId、serviceName获取当前服务的实例列表，返回值是Datum
    // 第一次来，肯定是null
    Datum datum = consistencyService
        .get(KeyBuilder.buildInstanceListKey(service.getNamespaceId(), service.getName(), ephemeral));
	// 得到服务中现有的实例列表
    List<Instance> currentIPs = service.allIPs(ephemeral);
    // 创建map，保存实例列表，key为ip地址，value是Instance对象
    Map<String, Instance> currentInstances = new HashMap<>(currentIPs.size());
    // 创建Set集合，保存实例的instanceId
    Set<String> currentInstanceIds = Sets.newHashSet();
	// 遍历要现有的实例列表
    for (Instance instance : currentIPs) {
        // 添加到map中
        currentInstances.put(instance.toIpAddr(), instance);
        // 添加instanceId到set中
        currentInstanceIds.add(instance.getInstanceId());
    }
	
    // 创建map，用来保存更新后的实例列表
    Map<String, Instance> instanceMap;
    if (datum != null && null != datum.value) {
        // 如果服务中已经有旧的数据，则先保存旧的实例列表
        instanceMap = setValid(((Instances) datum.value).getInstanceList(), currentInstances);
    } else {
        // 如果没有旧数据，则直接创建新的map
        instanceMap = new HashMap<>(ips.length);
    }
	// 遍历实例列表
    for (Instance instance : ips) {
        // 判断服务中是否包含要注册的实例的cluster信息
        if (!service.getClusterMap().containsKey(instance.getClusterName())) {
            // 如果不包含，创建新的cluster
            Cluster cluster = new Cluster(instance.getClusterName(), service);
            cluster.init();
            // 将集群放入service的注册表
            service.getClusterMap().put(instance.getClusterName(), cluster);
            Loggers.SRV_LOG
                .warn("cluster: {} not found, ip: {}, will create new cluster with default configuration.",
                      instance.getClusterName(), instance.toJson());
        }
		// 删除实例 or 新增实例 ？
        if (UtilsAndCommons.UPDATE_INSTANCE_ACTION_REMOVE.equals(action)) {
            instanceMap.remove(instance.getDatumKey());
        } else {
            // 新增实例，instance生成全新的instanceId
            Instance oldInstance = instanceMap.get(instance.getDatumKey());
            if (oldInstance != null) {
                instance.setInstanceId(oldInstance.getInstanceId());
            } else {
                instance.setInstanceId(instance.generateInstanceId(currentInstanceIds));
            }
            // 放入instance列表
            instanceMap.put(instance.getDatumKey(), instance);
        }

    }

    if (instanceMap.size() <= 0 && UtilsAndCommons.UPDATE_INSTANCE_ACTION_ADD.equals(action)) {
        throw new IllegalArgumentException(
            "ip list can not be empty, service: " + service.getName() + ", ip list: " + JacksonUtils
            .toJson(instanceMap.values()));
    }
	// 将instanceMap中的所有实例转为List返回
    return new ArrayList<>(instanceMap.values());
}

简单来讲，就是先获取旧的实例列表，然后把新的实例信息与旧的做对比，新的实例就添加，老的实例同步ID。然后返回最新的实例列表。

2.3.5.2 Nacos集群一致性

在完成本地服务列表更新后，Nacos又实现了集群一致性更新，调用的是:

consistencyService.put(key, instances);

这里的ConsistencyService接口，代表集群一致性的接口，有很多中不同实现：

我们进入DelegateConsistencyServiceImpl来看：

@Override
public void put(String key, Record value) throws NacosException {
    // 根据实例是否是临时实例，判断委托对象
    mapConsistencyService(key).put(key, value);
}

其中的mapConsistencyService(key)方法就是选择委托方式的：

private ConsistencyService mapConsistencyService(String key) {
    // 判断是否是临时实例：
    // 是，选择 ephemeralConsistencyService，也就是 DistroConsistencyServiceImpl类
    // 否，选择 persistentConsistencyService，也就是PersistentConsistencyServiceDelegateImpl
    return KeyBuilder.matchEphemeralKey(key) ? ephemeralConsistencyService : persistentConsistencyService;
}

默认情况下，所有实例都是临时实例，我们关注DistroConsistencyServiceImpl即可。

2.3.4 DistroConsistencyServiceImpl

我们来看临时实例的一致性实现：DistroConsistencyServiceImpl类的put方法：

public void put(String key, Record value) throws NacosException {
    // 先将要更新的实例信息写入本地实例列表
    onPut(key, value);
    // 开始集群同步
    distroProtocol.sync(new DistroKey(key, KeyBuilder.INSTANCE_LIST_KEY_PREFIX), DataOperation.CHANGE,
                        globalConfig.getTaskDispatchPeriod() / 2);
}

这里方法只有两行：

onPut(key, value)：其中value就是Instances，要更新的服务信息。这行主要是基于线程池方式，异步的将Service信息写入注册表中(就是那个多重Map)
distroProtocol.sync()：就是通过Distro协议将数据同步给集群中的其它Nacos节点

我们先看onPut方法

2.3.4.1 更新本地实例列表

1）放入阻塞队列

onPut方法如下：

public void onPut(String key, Record value) {
	// 判断是否是临时实例
    if (KeyBuilder.matchEphemeralInstanceListKey(key)) {
        // 封装 Instances 信息到 数据集：Datum
        Datum<Instances> datum = new Datum<>();
        datum.value = (Instances) value;
        datum.key = key;
        datum.timestamp.incrementAndGet();
        // 放入DataStore
        dataStore.put(key, datum);
    }

    if (!listeners.containsKey(key)) {
        return;
    }
	// 放入阻塞队列，这里的 notifier维护了一个阻塞队列，并且基于线程池异步执行队列中的任务
    notifier.addTask(key, DataOperation.CHANGE);
}

notifier的类型就是DistroConsistencyServiceImpl.Notifier，内部维护了一个阻塞队列，存放服务列表变更的事件：

addTask时，将任务加入该阻塞队列：

// DistroConsistencyServiceImpl.Notifier类的 addTask 方法：
public void addTask(String datumKey, DataOperation action) {

    if (services.containsKey(datumKey) && action == DataOperation.CHANGE) {
        return;
    }
    if (action == DataOperation.CHANGE) {
        services.put(datumKey, StringUtils.EMPTY);
    }
    // 任务放入阻塞队列
    tasks.offer(Pair.with(datumKey, action));
}

2）Notifier异步更新

同时，notifier还是一个Runnable，通过一个单线程的线程池来不断从阻塞队列中获取任务，执行服务列表的更新。来看下其中的run方法：

// DistroConsistencyServiceImpl.Notifier类的run方法：
@Override
public void run() {
    Loggers.DISTRO.info("distro notifier started");
	// 死循环，不断执行任务。因为是阻塞队列，不会导致CPU负载过高
    for (; ; ) {
        try {
            // 从阻塞队列中获取任务
            Pair<String, DataOperation> pair = tasks.take();
            // 处理任务，更新服务列表
            handle(pair);
        } catch (Throwable e) {
            Loggers.DISTRO.error("[NACOS-DISTRO] Error while handling notifying task", e);
        }
    }
}

来看看handle方法：

// DistroConsistencyServiceImpl.Notifier类的 handle 方法：
private void handle(Pair<String, DataOperation> pair) {
    try {
        String datumKey = pair.getValue0();
        DataOperation action = pair.getValue1();

        services.remove(datumKey);

        int count = 0;

        if (!listeners.containsKey(datumKey)) {
            return;
        }
		// 遍历，找到变化的service，这里的 RecordListener就是 Service
        for (RecordListener listener : listeners.get(datumKey)) {

            count++;

            try {
                // 服务的实例列表CHANGE事件
                if (action == DataOperation.CHANGE) {
                    // 更新服务列表
                    listener.onChange(datumKey, dataStore.get(datumKey).value);
                    continue;
                }
				// 服务的实例列表 DELETE 事件
                if (action == DataOperation.DELETE) {
                    listener.onDelete(datumKey);
                    continue;
                }
            } catch (Throwable e) {
                Loggers.DISTRO.error("[NACOS-DISTRO] error while notifying listener of key: {}", datumKey, e);
            }
        }

        if (Loggers.DISTRO.isDebugEnabled()) {
            Loggers.DISTRO
                .debug("[NACOS-DISTRO] datum change notified, key: {}, listener count: {}, action: {}",
                       datumKey, count, action.name());
        }
    } catch (Throwable e) {
        Loggers.DISTRO.error("[NACOS-DISTRO] Error while handling notifying task", e);
    }
}

3）覆盖实例列表

而在Service的onChange方法中，就可以看到更新实例列表的逻辑了：

@Override
public void onChange(String key, Instances value) throws Exception {

    Loggers.SRV_LOG.info("[NACOS-RAFT] datum is changed, key: {}, value: {}", key, value);

	// 更新实例列表
    updateIPs(value.getInstanceList(), KeyBuilder.matchEphemeralInstanceListKey(key));

    recalculateChecksum();
}

updateIPs方法：

public void updateIPs(Collection<Instance> instances, boolean ephemeral) {
    // 准备一个Map，key是cluster，值是集群下的Instance集合
    Map<String, List<Instance>> ipMap = new HashMap<>(clusterMap.size());
    // 获取服务的所有cluster名称
    for (String clusterName : clusterMap.keySet()) {
        ipMap.put(clusterName, new ArrayList<>());
    }
    // 遍历要更新的实例
    for (Instance instance : instances) {
        try {
            if (instance == null) {
                Loggers.SRV_LOG.error("[NACOS-DOM] received malformed ip: null");
                continue;
            }
			// 判断实例是否包含clusterName，没有的话用默认cluster
            if (StringUtils.isEmpty(instance.getClusterName())) {
                instance.setClusterName(UtilsAndCommons.DEFAULT_CLUSTER_NAME);
            }
			// 判断cluster是否存在，不存在则创建新的cluster
            if (!clusterMap.containsKey(instance.getClusterName())) {
                Loggers.SRV_LOG
                    .warn("cluster: {} not found, ip: {}, will create new cluster with default configuration.",
                          instance.getClusterName(), instance.toJson());
                Cluster cluster = new Cluster(instance.getClusterName(), this);
                cluster.init();
                getClusterMap().put(instance.getClusterName(), cluster);
            }
			// 获取当前cluster实例的集合，不存在则创建新的
            List<Instance> clusterIPs = ipMap.get(instance.getClusterName());
            if (clusterIPs == null) {
                clusterIPs = new LinkedList<>();
                ipMap.put(instance.getClusterName(), clusterIPs);
            }
			// 添加新的实例到 Instance 集合
            clusterIPs.add(instance);
        } catch (Exception e) {
            Loggers.SRV_LOG.error("[NACOS-DOM] failed to process ip: " + instance, e);
        }
    }

    for (Map.Entry<String, List<Instance>> entry : ipMap.entrySet()) {
        //make every ip mine
        List<Instance> entryIPs = entry.getValue();
        // 将实例集合更新到 clusterMap（注册表）
        clusterMap.get(entry.getKey()).updateIps(entryIPs, ephemeral);
    }

    setLastModifiedMillis(System.currentTimeMillis());
    // 发布服务变更的通知消息
    getPushService().serviceChanged(this);
    StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();

    for (Instance instance : allIPs()) {
        stringBuilder.append(instance.toIpAddr()).append("_").append(instance.isHealthy()).append(",");
    }

    Loggers.EVT_LOG.info("[IP-UPDATED] namespace: {}, service: {}, ips: {}", getNamespaceId(), getName(),
                         stringBuilder.toString());

}

在第45行的代码中：clusterMap.get(entry.getKey()).updateIps(entryIPs, ephemeral);

就是在更新注册表：

public void updateIps(List<Instance> ips, boolean ephemeral) {
    // 获取旧实例列表
    Set<Instance> toUpdateInstances = ephemeral ? ephemeralInstances : persistentInstances;

    HashMap<String, Instance> oldIpMap = new HashMap<>(toUpdateInstances.size());

    for (Instance ip : toUpdateInstances) {
        oldIpMap.put(ip.getDatumKey(), ip);
    }

	// 检查新加入实例的状态
    List<Instance> newIPs = subtract(ips, oldIpMap.values());
    if (newIPs.size() > 0) {
        Loggers.EVT_LOG
            .info("{} {SYNC} {IP-NEW} cluster: {}, new ips size: {}, content: {}", getService().getName(),
                  getName(), newIPs.size(), newIPs.toString());

        for (Instance ip : newIPs) {
            HealthCheckStatus.reset(ip);
        }
    }
	// 移除要删除的实例
    List<Instance> deadIPs = subtract(oldIpMap.values(), ips);

    if (deadIPs.size() > 0) {
        Loggers.EVT_LOG
            .info("{} {SYNC} {IP-DEAD} cluster: {}, dead ips size: {}, content: {}", getService().getName(),
                  getName(), deadIPs.size(), deadIPs.toString());

        for (Instance ip : deadIPs) {
            HealthCheckStatus.remv(ip);
        }
    }

    toUpdateInstances = new HashSet<>(ips);
	// 直接覆盖旧实例列表
    if (ephemeral) {
        ephemeralInstances = toUpdateInstances;
    } else {
        persistentInstances = toUpdateInstances;
    }
}

2.3.4.2 集群数据同步

在DistroConsistencyServiceImpl的put方法中分为两步：

其中的onPut方法已经分析过了。

下面的distroProtocol.sync()就是集群同步的逻辑了。

DistroProtocol类的sync方法如下：

public void sync(DistroKey distroKey, DataOperation action, long delay) {
    // 遍历 Nacos 集群中除自己以外的其它节点
    for (Member each : memberManager.allMembersWithoutSelf()) {
        DistroKey distroKeyWithTarget = new DistroKey(distroKey.getResourceKey(), distroKey.getResourceType(),
                                                      each.getAddress());
        // 定义一个Distro的同步任务
        DistroDelayTask distroDelayTask = new DistroDelayTask(distroKeyWithTarget, action, delay);
        // 交给线程池去执行
        distroTaskEngineHolder.getDelayTaskExecuteEngine().addTask(distroKeyWithTarget, distroDelayTask);
        if (Loggers.DISTRO.isDebugEnabled()) {
            Loggers.DISTRO.debug("[DISTRO-SCHEDULE] {} to {}", distroKey, each.getAddress());
        }
    }
}

其中同步的任务封装为一个DistroDelayTask对象。

交给了distroTaskEngineHolder.getDelayTaskExecuteEngine()执行，这行代码的返回值是：

NacosDelayTaskExecuteEngine，这个类维护了一个线程池，并且接收任务，执行任务。

执行任务的方法为processTasks()方法：

protected void processTasks() {
    Collection<Object> keys = getAllTaskKeys();
    for (Object taskKey : keys) {
        AbstractDelayTask task = removeTask(taskKey);
        if (null == task) {
            continue;
        }
        NacosTaskProcessor processor = getProcessor(taskKey);
        if (null == processor) {
            getEngineLog().error("processor not found for task, so discarded. " + task);
            continue;
        }
        try {
            // 尝试执行同步任务，如果失败会重试
            if (!processor.process(task)) {
                retryFailedTask(taskKey, task);
            }
        } catch (Throwable e) {
            getEngineLog().error("Nacos task execute error : " + e.toString(), e);
            retryFailedTask(taskKey, task);
        }
    }
}

可以看出来基于Distro模式的同步是异步进行的，并且失败时会将任务重新入队并充实，因此不保证同步结果的强一致性，属于AP模式的一致性策略。

2.3.5 服务端流程图

2.4 总结

Nacos的注册表结构是什么样的？
- 答：Nacos是多级存储模型，最外层通过namespace来实现环境隔离，然后是group分组，分组下就是服务，一个服务有可以分为不同的集群，集群中包含多个实例。因此其注册表结构为一个Map，类型是：
  Map<String, Map<String, Service>>，
  外层key是namespace_id，内层key是group+serviceName.
  Service内部维护一个Map，结构是：Map<String,Cluster>，key是clusterName，值是集群信息
  Cluster内部维护一个Set集合，元素是Instance类型，代表集群中的多个实例。
Nacos如何保证并发写的安全性？
- 答：首先，在注册实例时，会对service加锁，不同service之间本身就不存在并发写问题，互不影响。相同service时通过锁来互斥。并且，在更新实例列表时，是基于异步的线程池来完成，而线程池的线程数量为1.
Nacos如何避免并发读写的冲突？
- 答：Nacos在更新实例列表时，会采用CopyOnWrite技术，首先将Old实例列表拷贝一份，然后更新拷贝的实例列表，再用更新后的实例列表来覆盖旧的实例列表。
Nacos如何应对阿里内部数十万服务的并发写请求？
- 答：Nacos内部会将服务注册的任务放入阻塞队列，采用线程池异步来完成实例更新，从而提高并发写能力。

3. 服务心跳

Nacos的实例分为临时实例和永久实例两种，可以通过在yaml 文件配置：

spring:
  application:
    name: order-service
  cloud:
    nacos:
      discovery:
        ephemeral: false # 设置实例为永久实例。true：临时; false：永久
      server-addr: 192.168.150.1:8845

临时实例基于心跳方式做健康检测，而永久实例则是由Nacos主动探测实例状态。

其中Nacos提供的心跳的API接口为：

接口描述：发送某个实例的心跳

请求类型：PUT

请求路径：

/nacos/v1/ns/instance/beat

请求参数：

名称

类型

是否必选

描述

serviceName

字符串

是

服务名

groupName

字符串

否

分组名

ephemeral

boolean

否

是否临时实例

beat

JSON格式字符串

是

实例心跳内容

错误编码：

错误代码

描述

语义

400

Bad Request

客户端请求中的语法错误

403

Forbidden

没有权限

404

Not Found

无法找到资源

500

Internal Server Error

服务器内部错误

200

正常

3.1 客户端

在2.2.4.服务注册这一节中，我们说过NacosNamingService这个类实现了服务的注册，同时也实现了服务心跳：

@Override
public void registerInstance(String serviceName, String groupName, Instance instance) throws NacosException {
    NamingUtils.checkInstanceIsLegal(instance);
    String groupedServiceName = NamingUtils.getGroupedName(serviceName, groupName);
    // 判断是否是临时实例。
    if (instance.isEphemeral()) {
        // 如果是临时实例，则构建心跳信息BeatInfo
        BeatInfo beatInfo = beatReactor.buildBeatInfo(groupedServiceName, instance);
        // 添加心跳任务
        beatReactor.addBeatInfo(groupedServiceName, beatInfo);
    }
    serverProxy.registerService(groupedServiceName, groupName, instance);
}

3.1.1 BeatInfo

这里的BeanInfo就包含心跳需要的各种信息：

3.1.2 BeatReactor

而BeatReactor这个类则维护了一个线程池：

当调用BeatReactor的.addBeatInfo(groupedServiceName, beatInfo)方法时，就会执行心跳：

public void addBeatInfo(String serviceName, BeatInfo beatInfo) {
    NAMING_LOGGER.info("[BEAT] adding beat: {} to beat map.", beatInfo);
    String key = buildKey(serviceName, beatInfo.getIp(), beatInfo.getPort());
    BeatInfo existBeat = null;
    //fix #1733
    if ((existBeat = dom2Beat.remove(key)) != null) {
        existBeat.setStopped(true);
    }
    dom2Beat.put(key, beatInfo);
    // 利用线程池，定期执行心跳任务，周期为 beatInfo.getPeriod()
    executorService.schedule(new BeatTask(beatInfo), beatInfo.getPeriod(), TimeUnit.MILLISECONDS);
    MetricsMonitor.getDom2BeatSizeMonitor().set(dom2Beat.size());
}

心跳周期的默认值在com.alibaba.nacos.api.common.Constants类中：

可以看到是5秒，默认5秒一次心跳。

3.1.3 BeatTask

心跳的任务封装在BeatTask这个类中，是一个Runnable，其run方法如下：

@Override
public void run() {
    if (beatInfo.isStopped()) {
        return;
    }
    // 获取心跳周期
    long nextTime = beatInfo.getPeriod();
    try {
        // 发送心跳
        JsonNode result = serverProxy.sendBeat(beatInfo, BeatReactor.this.lightBeatEnabled);
        long interval = result.get("clientBeatInterval").asLong();
        boolean lightBeatEnabled = false;
        if (result.has(CommonParams.LIGHT_BEAT_ENABLED)) {
            lightBeatEnabled = result.get(CommonParams.LIGHT_BEAT_ENABLED).asBoolean();
        }
        BeatReactor.this.lightBeatEnabled = lightBeatEnabled;
        if (interval > 0) {
            nextTime = interval;
        }
        // 判断心跳结果
        int code = NamingResponseCode.OK;
        if (result.has(CommonParams.CODE)) {
            code = result.get(CommonParams.CODE).asInt();
        }
        if (code == NamingResponseCode.RESOURCE_NOT_FOUND) {
            // 如果失败，则需要 重新注册实例
            Instance instance = new Instance();
            instance.setPort(beatInfo.getPort());
            instance.setIp(beatInfo.getIp());
            instance.setWeight(beatInfo.getWeight());
            instance.setMetadata(beatInfo.getMetadata());
            instance.setClusterName(beatInfo.getCluster());
            instance.setServiceName(beatInfo.getServiceName());
            instance.setInstanceId(instance.getInstanceId());
            instance.setEphemeral(true);
            try {
                serverProxy.registerService(beatInfo.getServiceName(),
                                            NamingUtils.getGroupName(beatInfo.getServiceName()), instance);
            } catch (Exception ignore) {
            }
        }
    } catch (NacosException ex) {
        NAMING_LOGGER.error("[CLIENT-BEAT] failed to send beat: {}, code: {}, msg: {}",
                            JacksonUtils.toJson(beatInfo), ex.getErrCode(), ex.getErrMsg());

    } catch (Exception unknownEx) {
        NAMING_LOGGER.error("[CLIENT-BEAT] failed to send beat: {}, unknown exception msg: {}",
                            JacksonUtils.toJson(beatInfo), unknownEx.getMessage(), unknownEx);
    } finally {
        executorService.schedule(new BeatTask(beatInfo), nextTime, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }
}

3.1.5 发送心跳

最终心跳的发送还是通过NamingProxy的sendBeat方法来实现：

public JsonNode sendBeat(BeatInfo beatInfo, boolean lightBeatEnabled) throws NacosException {

    if (NAMING_LOGGER.isDebugEnabled()) {
        NAMING_LOGGER.debug("[BEAT] {} sending beat to server: {}", namespaceId, beatInfo.toString());
    }
    // 组织请求参数
    Map<String, String> params = new HashMap<String, String>(8);
    Map<String, String> bodyMap = new HashMap<String, String>(2);
    if (!lightBeatEnabled) {
        bodyMap.put("beat", JacksonUtils.toJson(beatInfo));
    }
    params.put(CommonParams.NAMESPACE_ID, namespaceId);
    params.put(CommonParams.SERVICE_NAME, beatInfo.getServiceName());
    params.put(CommonParams.CLUSTER_NAME, beatInfo.getCluster());
    params.put("ip", beatInfo.getIp());
    params.put("port", String.valueOf(beatInfo.getPort()));
    // 发送请求，这个地址就是：/v1/ns/instance/beat
    String result = reqApi(UtilAndComs.nacosUrlBase + "/instance/beat", params, bodyMap, HttpMethod.PUT);
    return JacksonUtils.toObj(result);
}

3.2 服务端

对于临时实例，服务端代码分两部分：

1）InstanceController提供了一个接口，处理客户端的心跳请求
2）定时检测实例心跳是否按期执行

3.2.1 InstanceController

与服务注册时一样，在nacos-naming模块中的InstanceController类中，定义了一个方法用来处理心跳请求：

@CanDistro
@PutMapping("/beat")
@Secured(parser = NamingResourceParser.class, action = ActionTypes.WRITE)
public ObjectNode beat(HttpServletRequest request) throws Exception {
	// 解析心跳的请求参数
    ObjectNode result = JacksonUtils.createEmptyJsonNode();
    result.put(SwitchEntry.CLIENT_BEAT_INTERVAL, switchDomain.getClientBeatInterval());

    String beat = WebUtils.optional(request, "beat", StringUtils.EMPTY);
    RsInfo clientBeat = null;
    if (StringUtils.isNotBlank(beat)) {
        clientBeat = JacksonUtils.toObj(beat, RsInfo.class);
    }
    String clusterName = WebUtils
        .optional(request, CommonParams.CLUSTER_NAME, UtilsAndCommons.DEFAULT_CLUSTER_NAME);
    String ip = WebUtils.optional(request, "ip", StringUtils.EMPTY);
    int port = Integer.parseInt(WebUtils.optional(request, "port", "0"));
    if (clientBeat != null) {
        if (StringUtils.isNotBlank(clientBeat.getCluster())) {
            clusterName = clientBeat.getCluster();
        } else {
            // fix #2533
            clientBeat.setCluster(clusterName);
        }
        ip = clientBeat.getIp();
        port = clientBeat.getPort();
    }
    String namespaceId = WebUtils.optional(request, CommonParams.NAMESPACE_ID, Constants.DEFAULT_NAMESPACE_ID);
    String serviceName = WebUtils.required(request, CommonParams.SERVICE_NAME);
    NamingUtils.checkServiceNameFormat(serviceName);
    Loggers.SRV_LOG.debug("[CLIENT-BEAT] full arguments: beat: {}, serviceName: {}", clientBeat, serviceName);
    // 尝试根据参数中的namespaceId、serviceName、clusterName、ip、port等信息
    // 从Nacos的注册表中 获取实例
    Instance instance = serviceManager.getInstance(namespaceId, serviceName, clusterName, ip, port);
	// 如果获取失败，说明心跳失败，实例尚未注册
    if (instance == null) {
        if (clientBeat == null) {
            result.put(CommonParams.CODE, NamingResponseCode.RESOURCE_NOT_FOUND);
            return result;
        }

        Loggers.SRV_LOG.warn("[CLIENT-BEAT] The instance has been removed for health mechanism, "
                             + "perform data compensation operations, beat: {}, serviceName: {}", clientBeat, serviceName);
		// 这里重新注册一个实例
        instance = new Instance();
        instance.setPort(clientBeat.getPort());
        instance.setIp(clientBeat.getIp());
        instance.setWeight(clientBeat.getWeight());
        instance.setMetadata(clientBeat.getMetadata());
        instance.setClusterName(clusterName);
        instance.setServiceName(serviceName);
        instance.setInstanceId(instance.getInstanceId());
        instance.setEphemeral(clientBeat.isEphemeral());

        serviceManager.registerInstance(namespaceId, serviceName, instance);
    }
	// 尝试基于namespaceId和serviceName从 注册表中获取Service服务
    Service service = serviceManager.getService(namespaceId, serviceName);
	// 如果不存在，说明服务不存在，返回404
    if (service == null) {
        throw new NacosException(NacosException.SERVER_ERROR,
                                 "service not found: " + serviceName + "@" + namespaceId);
    }
    if (clientBeat == null) {
        clientBeat = new RsInfo();
        clientBeat.setIp(ip);
        clientBeat.setPort(port);
        clientBeat.setCluster(clusterName);
    }
    // 如果心跳没问题，开始处理心跳结果
    service.processClientBeat(clientBeat);

    result.put(CommonParams.CODE, NamingResponseCode.OK);
    if (instance.containsMetadata(PreservedMetadataKeys.HEART_BEAT_INTERVAL)) {
        result.put(SwitchEntry.CLIENT_BEAT_INTERVAL, instance.getInstanceHeartBeatInterval());
    }
    result.put(SwitchEntry.LIGHT_BEAT_ENABLED, switchDomain.isLightBeatEnabled());
    return result;
}

最终，在确认心跳请求对应的服务、实例都在的情况下，开始交给Service类处理这次心跳请求。调用了Service的processClientBeat方法

3.2.2 处理心跳请求

查看Service的service.processClientBeat(clientBeat);方法：

public void processClientBeat(final RsInfo rsInfo) {
    ClientBeatProcessor clientBeatProcessor = new ClientBeatProcessor();
    clientBeatProcessor.setService(this);
    clientBeatProcessor.setRsInfo(rsInfo);
    HealthCheckReactor.scheduleNow(clientBeatProcessor);
}

可以看到心跳信息被封装到了 ClientBeatProcessor类中，交给了HealthCheckReactor处理，HealthCheckReactor就是对线程池的封装，不用过多查看。

关键的业务逻辑都在ClientBeatProcessor这个类中，它是一个Runnable，其中的run方法如下：

@Override
public void run() {
    Service service = this.service;
    if (Loggers.EVT_LOG.isDebugEnabled()) {
        Loggers.EVT_LOG.debug("[CLIENT-BEAT] processing beat: {}", rsInfo.toString());
    }

    String ip = rsInfo.getIp();
    String clusterName = rsInfo.getCluster();
    int port = rsInfo.getPort();
    // 获取集群信息
    Cluster cluster = service.getClusterMap().get(clusterName);
    // 获取集群中的所有实例信息
    List<Instance> instances = cluster.allIPs(true);

    for (Instance instance : instances) {
        // 找到心跳的这个实例
        if (instance.getIp().equals(ip) && instance.getPort() == port) {
            if (Loggers.EVT_LOG.isDebugEnabled()) {
                Loggers.EVT_LOG.debug("[CLIENT-BEAT] refresh beat: {}", rsInfo.toString());
            }
            // 更新实例的最后一次心跳时间 lastBeat
            instance.setLastBeat(System.currentTimeMillis());
            if (!instance.isMarked()) {
                if (!instance.isHealthy()) {
                    instance.setHealthy(true);
                    Loggers.EVT_LOG
                        .info("service: {} {POS} {IP-ENABLED} valid: {}:{}@{}, region: {}, msg: client beat ok",
                              cluster.getService().getName(), ip, port, cluster.getName(),
                              UtilsAndCommons.LOCALHOST_SITE);
                    getPushService().serviceChanged(service);
                }
            }
        }
    }
}

处理心跳请求的核心就是更新心跳实例的最后一次心跳时间，lastBeat，这个会成为判断实例心跳是否过期的关键指标！

3.3.3 心跳异常检测

在服务注册时，一定会创建一个Service对象，而Service中有一个init方法，会在注册时被调用：

public void init() {
    // 开启心跳检测的任务
    HealthCheckReactor.scheduleCheck(clientBeatCheckTask);
    for (Map.Entry<String, Cluster> entry : clusterMap.entrySet()) {
        entry.getValue().setService(this);
        entry.getValue().init();
    }
}

其中HealthCheckReactor.scheduleCheck就是执行心跳检测的定时任务：

可以看到，该任务是5000ms执行一次，也就是5秒对实例的心跳状态做一次检测。

此处的ClientBeatCheckTask同样是一个Runnable，其中的run方法为：

@Override
public void run() {
    try {
        // 找到所有临时实例的列表
        List<Instance> instances = service.allIPs(true);

        // first set health status of instances:
        for (Instance instance : instances) {
            // 判断 心跳间隔（当前时间 - 最后一次心跳时间） 是否大于 心跳超时时间，默认15秒
            if (System.currentTimeMillis() - instance.getLastBeat() > instance.getInstanceHeartBeatTimeOut()) {
                if (!instance.isMarked()) {
                    if (instance.isHealthy()) {
                        // 如果超时，标记实例为不健康 healthy = false
                        instance.setHealthy(false);
 
                        // 发布实例状态变更的事件
                        getPushService().serviceChanged(service);
                        ApplicationUtils.publishEvent(new InstanceHeartbeatTimeoutEvent(this, instance));
                    }
                }
            }
        }

        if (!getGlobalConfig().isExpireInstance()) {
            return;
        }

        // then remove obsolete instances:
        for (Instance instance : instances) {

            if (instance.isMarked()) {
                continue;
            }
           // 判断心跳间隔（当前时间 - 最后一次心跳时间）是否大于 实例被删除的最长超时时间，默认30秒
            if (System.currentTimeMillis() - instance.getLastBeat() > instance.getIpDeleteTimeout()) {
                // 如果是超过了30秒，则删除实例
                Loggers.SRV_LOG.info("[AUTO-DELETE-IP] service: {}, ip: {}", service.getName(),
                                     JacksonUtils.toJson(instance));
                deleteIp(instance);
            }
        }

    } catch (Exception e) {
        Loggers.SRV_LOG.warn("Exception while processing client beat time out.", e);
    }

}

其中的超时时间同样是在com.alibaba.nacos.api.common.Constants这个类中：

3.3.4 主动健康检测

对于非临时实例（ephemeral=false)，Nacos会采用主动的健康检测，定时向实例发送请求，根据响应来判断实例健康状态。

入口在2.3.2小节的ServiceManager类中的registerInstance方法：

创建空服务时：

public void createEmptyService(String namespaceId, String serviceName, boolean local) throws NacosException {
    // 如果服务不存在，创建新的服务
    createServiceIfAbsent(namespaceId, serviceName, local, null);
}

创建服务流程：

public void createServiceIfAbsent(String namespaceId, String serviceName, boolean local, Cluster cluster)
    throws NacosException {
    // 尝试获取服务
    Service service = getService(namespaceId, serviceName);
    if (service == null) {
		// 发现服务不存在，开始创建新服务
        Loggers.SRV_LOG.info("creating empty service {}:{}", namespaceId, serviceName);
        service = new Service();
        service.setName(serviceName);
        service.setNamespaceId(namespaceId);
        service.setGroupName(NamingUtils.getGroupName(serviceName));
        // now validate the service. if failed, exception will be thrown
        service.setLastModifiedMillis(System.currentTimeMillis());
        service.recalculateChecksum();
        if (cluster != null) {
            cluster.setService(service);
            service.getClusterMap().put(cluster.getName(), cluster);
        }
        service.validate();
		// ** 写入注册表并初始化 **
        putServiceAndInit(service);
        if (!local) {
            addOrReplaceService(service);
        }
    }
}

关键在putServiceAndInit(service)方法中：

private void putServiceAndInit(Service service) throws NacosException {
    // 将服务写入注册表
    putService(service);
    service = getService(service.getNamespaceId(), service.getName());
    // 完成服务的初始化
    service.init();
    consistencyService
        .listen(KeyBuilder.buildInstanceListKey(service.getNamespaceId(), service.getName(), true), service);
    consistencyService
        .listen(KeyBuilder.buildInstanceListKey(service.getNamespaceId(), service.getName(), false), service);
    Loggers.SRV_LOG.info("[NEW-SERVICE] {}", service.toJson());
}

进入初始化逻辑：service.init()，这个会进入Service类中：

/**
     * Init service.
     */
public void init() {
    // 开启临时实例的心跳监测任务
    HealthCheckReactor.scheduleCheck(clientBeatCheckTask);
    // 遍历注册表中的集群
    for (Map.Entry<String, Cluster> entry : clusterMap.entrySet()) {
        entry.getValue().setService(this);
        // 完成集群初识化
        entry.getValue().init();
    }
}

这里集群的初始化 entry.getValue().init();会进入Cluster类型的init()方法：

/**
     * Init cluster.
     */
public void init() {
    if (inited) {
        return;
    }
    // 创建健康检测的任务
    checkTask = new HealthCheckTask(this);
	// 这里会开启对 非临时实例的 定时健康检测
    HealthCheckReactor.scheduleCheck(checkTask);
    inited = true;
}

这里的HealthCheckReactor.scheduleCheck(checkTask);会开启定时任务，对非临时实例做健康检测。检测逻辑定义在HealthCheckTask这个类中，是一个Runnable，其中的run方法：

public void run() {

    try {
        if (distroMapper.responsible(cluster.getService().getName()) && switchDomain
            .isHealthCheckEnabled(cluster.getService().getName())) {
            // 开始健康检测
            healthCheckProcessor.process(this);
			// 记录日志 。。。
        }
    } catch (Throwable e) {
       // 记录日志 。。。
    } finally {
        if (!cancelled) {
            // 结束后，再次进行任务调度，一定延迟后执行
            HealthCheckReactor.scheduleCheck(this);
            
            // 。。。
        }
    }
}

健康检测逻辑定义在healthCheckProcessor.process(this);方法中，在HealthCheckProcessor接口中，这个接口也有很多实现，默认是TcpSuperSenseProcessor：

进入TcpSuperSenseProcessor的process方法：

@Override
public void process(HealthCheckTask task) {
    // 获取所有 非临时实例的 集合
    List<Instance> ips = task.getCluster().allIPs(false);

    if (CollectionUtils.isEmpty(ips)) {
        return;
    }

    for (Instance ip : ips) {
		// 封装健康检测信息到 Beat
        Beat beat = new Beat(ip, task);
        // 放入一个阻塞队列中
        taskQueue.add(beat);
        MetricsMonitor.getTcpHealthCheckMonitor().incrementAndGet();
    }
}

可以看到，所有的健康检测任务都被放入一个阻塞队列，而不是立即执行了。这里又采用了异步执行的策略，可以看到Nacos中大量这样的设计。

而TcpSuperSenseProcessor本身就是一个Runnable，在它的构造函数中会把自己放入线程池中去执行，其run方法如下：

public void run() {
    while (true) {
        try {
            // 处理任务
            processTask();
            // ...
        } catch (Throwable e) {
            SRV_LOG.error("[HEALTH-CHECK] error while processing NIO task", e);
        }
    }
}

通过processTask来处理健康检测的任务：

private void processTask() throws Exception {
    // 将任务封装为一个 TaskProcessor，并放入集合
    Collection<Callable<Void>> tasks = new LinkedList<>();
    do {
        Beat beat = taskQueue.poll(CONNECT_TIMEOUT_MS / 2, TimeUnit.MILLISECONDS);
        if (beat == null) {
            return;
        }

        tasks.add(new TaskProcessor(beat));
    } while (taskQueue.size() > 0 && tasks.size() < NIO_THREAD_COUNT * 64);
	// 批量处理集合中的任务
    for (Future<?> f : GlobalExecutor.invokeAllTcpSuperSenseTask(tasks)) {
        f.get();
    }
}

任务被封装到了TaskProcessor中去执行了，TaskProcessor是一个Callable，其中的call方法：

@Override
public Void call() {
    // 获取检测任务已经等待的时长
    long waited = System.currentTimeMillis() - beat.getStartTime();
    if (waited > MAX_WAIT_TIME_MILLISECONDS) {
        Loggers.SRV_LOG.warn("beat task waited too long: " + waited + "ms");
    }
	
    SocketChannel channel = null;
    try {
        // 获取实例信息
        Instance instance = beat.getIp();
		// 通过NIO建立TCP连接
        channel = SocketChannel.open();
        channel.configureBlocking(false);
        // only by setting this can we make the socket close event asynchronous
        channel.socket().setSoLinger(false, -1);
        channel.socket().setReuseAddress(true);
        channel.socket().setKeepAlive(true);
        channel.socket().setTcpNoDelay(true);

        Cluster cluster = beat.getTask().getCluster();
        int port = cluster.isUseIPPort4Check() ? instance.getPort() : cluster.getDefCkport();
        channel.connect(new InetSocketAddress(instance.getIp(), port));
		// 注册连接、读取事件
        SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ);
        key.attach(beat);
        keyMap.put(beat.toString(), new BeatKey(key));

        beat.setStartTime(System.currentTimeMillis());

        GlobalExecutor
            .scheduleTcpSuperSenseTask(new TimeOutTask(key), CONNECT_TIMEOUT_MS, TimeUnit.MILLISECONDS);
    } catch (Exception e) {
        beat.finishCheck(false, false, switchDomain.getTcpHealthParams().getMax(),
                         "tcp:error:" + e.getMessage());

        if (channel != null) {
            try {
                channel.close();
            } catch (Exception ignore) {
            }
        }
    }

    return null;
}

3.3 总结

Nacos的健康检测有两种模式：

临时实例：
- 采用客户端心跳检测模式，心跳周期5秒
- 心跳间隔超过15秒则标记为不健康
- 心跳间隔超过30秒则从服务列表删除
永久实例：
- 采用服务端主动健康检测方式
- 周期为2000 + 5000毫秒内的随机数
- 检测异常只会标记为不健康，不会删除

那么为什么Nacos有临时和永久两种实例呢？

以淘宝为例，双十一大促期间，流量会比平常高出很多，此时服务肯定需要增加更多实例来应对高并发，而这些实例在双十一之后就无需继续使用了，采用临时实例比较合适。而对于服务的一些常备实例，则使用永久实例更合适。

与eureka相比，Nacos与Eureka在临时实例上都是基于心跳模式实现，差别不大，主要是心跳周期不同，eureka是30秒，Nacos是5秒。

另外，Nacos支持永久实例，而Eureka不支持，Eureka只提供了心跳模式的健康监测，而没有主动检测功能。

4. 服务发现

Nacos提供了一个根据serviceId查询实例列表的接口：

接口描述：查询服务下的实例列表

请求类型：GET

请求路径：

/nacos/v1/ns/instance/list

请求参数：

名称

类型

是否必选

描述

serviceName

字符串

是

服务名

groupName

字符串

否

分组名

namespaceId

字符串

否

命名空间ID

clusters

字符串，多个集群用逗号分隔

否

集群名称

healthyOnly

boolean

否，默认为false

是否只返回健康实例

错误编码：

错误代码

描述

语义

400

Bad Request

客户端请求中的语法错误

403

Forbidden

没有权限

404

Not Found

无法找到资源

500

Internal Server Error

服务器内部错误

200

正常

4.1 客户端

4.1.1 定时更新服务列表

4.1.1.1 NacosNamingService

在2.2.4小节中，我们讲到一个类NacosNamingService，这个类不仅仅提供了服务注册功能，同样提供了服务发现的功能。

多个重载的方法最终都会进入一个方法：

@Override
public List<Instance> getAllInstances(String serviceName, String groupName, List<String> clusters,
                                      boolean subscribe) throws NacosException {

    ServiceInfo serviceInfo;
    // 1.判断是否需要订阅服务信息（默认为 true）
    if (subscribe) {
        // 1.1.订阅服务信息
        serviceInfo = hostReactor.getServiceInfo(NamingUtils.getGroupedName(serviceName, groupName),
                                                 StringUtils.join(clusters, ","));
    } else {
        // 1.2.直接去nacos拉取服务信息
        serviceInfo = hostReactor
            .getServiceInfoDirectlyFromServer(NamingUtils.getGroupedName(serviceName, groupName),
                                              StringUtils.join(clusters, ","));
    }
    // 2.从服务信息中获取实例列表并返回
    List<Instance> list;
    if (serviceInfo == null || CollectionUtils.isEmpty(list = serviceInfo.getHosts())) {
        return new ArrayList<Instance>();
    }
    return list;
}

4.1.1.2 HostReactor

进入1.1.订阅服务消息，这里是由HostReactor类的getServiceInfo()方法来实现的：

public ServiceInfo getServiceInfo(final String serviceName, final String clusters) {

    NAMING_LOGGER.debug("failover-mode: " + failoverReactor.isFailoverSwitch());
    // 由 服务名@@集群名拼接 key
    String key = ServiceInfo.getKey(serviceName, clusters);
    if (failoverReactor.isFailoverSwitch()) {
        return failoverReactor.getService(key);
    }
    // 读取本地服务列表的缓存，缓存是一个Map，格式：Map<String, ServiceInfo>
    ServiceInfo serviceObj = getServiceInfo0(serviceName, clusters);
    // 判断缓存是否存在
    if (null == serviceObj) {
        // 不存在，创建空ServiceInfo
        serviceObj = new ServiceInfo(serviceName, clusters);
        // 放入缓存
        serviceInfoMap.put(serviceObj.getKey(), serviceObj);
        // 放入待更新的服务列表（updatingMap）中
        updatingMap.put(serviceName, new Object());
        // 立即更新服务列表
        updateServiceNow(serviceName, clusters);
        // 从待更新列表中移除
        updatingMap.remove(serviceName);

    } else if (updatingMap.containsKey(serviceName)) {
        // 缓存中有，但是需要更新
        if (UPDATE_HOLD_INTERVAL > 0) {
            // hold a moment waiting for update finish 等待5秒中，待更新完成
            synchronized (serviceObj) {
                try {
                    serviceObj.wait(UPDATE_HOLD_INTERVAL);
                } catch (InterruptedException e) {
                    NAMING_LOGGER
                        .error("[getServiceInfo] serviceName:" + serviceName + ", clusters:" + clusters, e);
                }
            }
        }
    }
    // 开启定时更新服务列表的功能
    scheduleUpdateIfAbsent(serviceName, clusters);
    // 返回缓存中的服务信息
    return serviceInfoMap.get(serviceObj.getKey());
}

基本逻辑就是先从本地缓存读，根据结果来选择：

如果本地缓存没有，立即去nacos读取，updateServiceNow(serviceName, clusters)
image-20210923161528710
如果本地缓存有，则开启定时更新功能，并返回缓存结果：
- scheduleUpdateIfAbsent(serviceName, clusters)
image-20210923161630575
在UpdateTask中，最终还是调用updateService方法：
image-20210923161752521

不管是立即更新服务列表，还是定时更新服务列表，最终都会执行HostReactor中的updateService()方法：

public void updateService(String serviceName, String clusters) throws NacosException {
    ServiceInfo oldService = getServiceInfo0(serviceName, clusters);
    try {
		// 基于ServerProxy发起远程调用，查询服务列表
        String result = serverProxy.queryList(serviceName, clusters, pushReceiver.getUdpPort(), false);

        if (StringUtils.isNotEmpty(result)) {
            // 处理查询结果
            processServiceJson(result);
        }
    } finally {
        if (oldService != null) {
            synchronized (oldService) {
                oldService.notifyAll();
            }
        }
    }
}

4.1.1.3 ServerProxy

而ServerProxy的queryList方法如下：

public String queryList(String serviceName, String clusters, int udpPort, boolean healthyOnly)
    throws NacosException {
	// 准备请求参数
    final Map<String, String> params = new HashMap<String, String>(8);
    params.put(CommonParams.NAMESPACE_ID, namespaceId);
    params.put(CommonParams.SERVICE_NAME, serviceName);
    params.put("clusters", clusters);
    params.put("udpPort", String.valueOf(udpPort));
    params.put("clientIP", NetUtils.localIP());
    params.put("healthyOnly", String.valueOf(healthyOnly));
	// 发起请求，地址与API接口一致
    return reqApi(UtilAndComs.nacosUrlBase + "/instance/list", params, HttpMethod.GET);
}

4.1.2 处理服务变更通知

除了定时更新服务列表的功能外，Nacos还支持服务列表变更时的主动推送功能。

在HostReactor类的构造函数中，有非常重要的几个步骤：

基本思路是：

通过PushReceiver监听服务端推送的变更数据
解析数据后，通过NotifyCenter发布服务变更的事件
InstanceChangeNotifier监听变更事件，完成对服务列表的更新

4.1.2.1 PushReceiver

我们先看PushReceiver，这个类会以UDP方式接收Nacos服务端推送的服务变更数据。

先看构造函数：

public PushReceiver(HostReactor hostReactor) {
    try {
        this.hostReactor = hostReactor;
        // 创建 UDP客户端
        String udpPort = getPushReceiverUdpPort();
        if (StringUtils.isEmpty(udpPort)) {
            this.udpSocket = new DatagramSocket();
        } else {
            this.udpSocket = new DatagramSocket(new InetSocketAddress(Integer.parseInt(udpPort)));
        }
        // 准备线程池
        this.executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(1, new ThreadFactory() {
            @Override
            public Thread newThread(Runnable r) {
                Thread thread = new Thread(r);
                thread.setDaemon(true);
                thread.setName("com.alibaba.nacos.naming.push.receiver");
                return thread;
            }
        });
		// 开启线程任务，准备接收变更数据
        this.executorService.execute(this);
    } catch (Exception e) {
        NAMING_LOGGER.error("[NA] init udp socket failed", e);
    }
}

PushReceiver构造函数中基于线程池来运行任务。这是因为PushReceiver本身也是一个Runnable，其中的run方法业务逻辑如下：

@Override
public void run() {
    while (!closed) {
        try {
            // byte[] is initialized with 0 full filled by default
            byte[] buffer = new byte[UDP_MSS];
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
			// 接收推送数据
            udpSocket.receive(packet);
			// 解析为json字符串
            String json = new String(IoUtils.tryDecompress(packet.getData()), UTF_8).trim();
            NAMING_LOGGER.info("received push data: " + json + " from " + packet.getAddress().toString());
			// 反序列化为对象
            PushPacket pushPacket = JacksonUtils.toObj(json, PushPacket.class);
            String ack;
            if ("dom".equals(pushPacket.type) || "service".equals(pushPacket.type)) {
                // 交给 HostReactor去处理
                hostReactor.processServiceJson(pushPacket.data);

                // send ack to server 发送ACK回执，略。。
        } catch (Exception e) {
            if (closed) {
                return;
            }
            NAMING_LOGGER.error("[NA] error while receiving push data", e);
        }
    }
}

4.1.2.2 HostReactor

通知数据的处理由交给了HostReactor的processServiceJson方法：

public ServiceInfo processServiceJson(String json) {
    // 解析出ServiceInfo信息
    ServiceInfo serviceInfo = JacksonUtils.toObj(json, ServiceInfo.class);
    String serviceKey = serviceInfo.getKey();
    if (serviceKey == null) {
        return null;
    }
    // 查询缓存中的 ServiceInfo
    ServiceInfo oldService = serviceInfoMap.get(serviceKey);

    // 如果缓存存在，则需要校验哪些数据要更新
    boolean changed = false;
    if (oldService != null) {
		// 拉取的数据是否已经过期
        if (oldService.getLastRefTime() > serviceInfo.getLastRefTime()) {
            NAMING_LOGGER.warn("out of date data received, old-t: " + oldService.getLastRefTime() + ", new-t: "
                               + serviceInfo.getLastRefTime());
        }
        // 放入缓存
        serviceInfoMap.put(serviceInfo.getKey(), serviceInfo);
		
        // 中间是缓存与新数据的对比，得到newHosts：新增的实例；remvHosts：待移除的实例;
        // modHosts：需要修改的实例
        if (newHosts.size() > 0 || remvHosts.size() > 0 || modHosts.size() > 0) {
            // 发布实例变更的事件
            NotifyCenter.publishEvent(new InstancesChangeEvent(
                serviceInfo.getName(), serviceInfo.getGroupName(),
                serviceInfo.getClusters(), serviceInfo.getHosts()));
            DiskCache.write(serviceInfo, cacheDir);
        }

    } else {
        // 本地缓存不存在
        changed = true;
        // 放入缓存
        serviceInfoMap.put(serviceInfo.getKey(), serviceInfo);
        // 直接发布实例变更的事件
        NotifyCenter.publishEvent(new InstancesChangeEvent(
            serviceInfo.getName(), serviceInfo.getGroupName(),
            serviceInfo.getClusters(), serviceInfo.getHosts()));
        serviceInfo.setJsonFromServer(json);
        DiskCache.write(serviceInfo, cacheDir);
    }
	// 。。。
    return serviceInfo;
}

4.2 服务端

4.2.1 拉取服务列表接口

在2.3.1小节介绍的InstanceController中，提供了拉取服务列表的接口：

/**
     * Get all instance of input service.
     *
     * @param request http request
     * @return list of instance
     * @throws Exception any error during list
     */
@GetMapping("/list")
@Secured(parser = NamingResourceParser.class, action = ActionTypes.READ)
public ObjectNode list(HttpServletRequest request) throws Exception {
    // 从request中获取namespaceId和serviceName
    String namespaceId = WebUtils.optional(request, CommonParams.NAMESPACE_ID, Constants.DEFAULT_NAMESPACE_ID);
    String serviceName = WebUtils.required(request, CommonParams.SERVICE_NAME);
    NamingUtils.checkServiceNameFormat(serviceName);

    String agent = WebUtils.getUserAgent(request);
    String clusters = WebUtils.optional(request, "clusters", StringUtils.EMPTY);
    String clientIP = WebUtils.optional(request, "clientIP", StringUtils.EMPTY);
    // 获取客户端的 UDP端口
    int udpPort = Integer.parseInt(WebUtils.optional(request, "udpPort", "0"));
    String env = WebUtils.optional(request, "env", StringUtils.EMPTY);
    boolean isCheck = Boolean.parseBoolean(WebUtils.optional(request, "isCheck", "false"));

    String app = WebUtils.optional(request, "app", StringUtils.EMPTY);

    String tenant = WebUtils.optional(request, "tid", StringUtils.EMPTY);

    boolean healthyOnly = Boolean.parseBoolean(WebUtils.optional(request, "healthyOnly", "false"));

    // 获取服务列表
    return doSrvIpxt(namespaceId, serviceName, agent, clusters, clientIP, udpPort, env, isCheck, app, tenant,
                     healthyOnly);
}

进入doSrvIpxt()方法来获取服务列表：

public ObjectNode doSrvIpxt(String namespaceId, String serviceName, String agent,
                            String clusters, String clientIP,
                            int udpPort, String env, boolean isCheck,
                            String app, String tid, boolean healthyOnly) throws Exception {
    ClientInfo clientInfo = new ClientInfo(agent);
    ObjectNode result = JacksonUtils.createEmptyJsonNode();
    // 获取服务列表信息
    Service service = serviceManager.getService(namespaceId, serviceName);
    long cacheMillis = switchDomain.getDefaultCacheMillis();

    // now try to enable the push
    try {
        if (udpPort > 0 && pushService.canEnablePush(agent)) {
			// 添加当前客户端 IP、UDP端口到 PushService 中
            pushService
                .addClient(namespaceId, serviceName, clusters, agent, new InetSocketAddress(clientIP, udpPort),
                           pushDataSource, tid, app);
            cacheMillis = switchDomain.getPushCacheMillis(serviceName);
        }
    } catch (Exception e) {
        Loggers.SRV_LOG
            .error("[NACOS-API] failed to added push client {}, {}:{}", clientInfo, clientIP, udpPort, e);
        cacheMillis = switchDomain.getDefaultCacheMillis();
    }

    if (service == null) {
        // 如果没找到，返回空
        if (Loggers.SRV_LOG.isDebugEnabled()) {
            Loggers.SRV_LOG.debug("no instance to serve for service: {}", serviceName);
        }
        result.put("name", serviceName);
        result.put("clusters", clusters);
        result.put("cacheMillis", cacheMillis);
        result.replace("hosts", JacksonUtils.createEmptyArrayNode());
        return result;
    }
	// 结果的检测，异常实例的剔除等逻辑省略
    // 最终封装结果并返回 。。。

    result.replace("hosts", hosts);
    if (clientInfo.type == ClientInfo.ClientType.JAVA
        && clientInfo.version.compareTo(VersionUtil.parseVersion("1.0.0")) >= 0) {
        result.put("dom", serviceName);
    } else {
        result.put("dom", NamingUtils.getServiceName(serviceName));
    }
    result.put("name", serviceName);
    result.put("cacheMillis", cacheMillis);
    result.put("lastRefTime", System.currentTimeMillis());
    result.put("checksum", service.getChecksum());
    result.put("useSpecifiedURL", false);
    result.put("clusters", clusters);
    result.put("env", env);
    result.replace("metadata", JacksonUtils.transferToJsonNode(service.getMetadata()));
    return result;
}

4.2.2 发布服务变更的UDP通知

在上一节中，InstanceController中的doSrvIpxt()方法中，有这样一行代码：

pushService.addClient(namespaceId, serviceName, clusters, agent,
                      new InetSocketAddress(clientIP, udpPort),
                           pushDataSource, tid, app);

其实是把消费者的UDP端口、IP等信息封装为一个PushClient对象，存储PushService中。方便以后服务变更后推送消息。

PushService类本身实现了ApplicationListener接口：

这个是事件监听器接口，监听的是ServiceChangeEvent（服务变更事件）。

当服务列表变化时，就会通知我们：

4.3 总结

Nacos的服务发现分为两种模式：

模式一：主动拉取模式，消费者定期主动从Nacos拉取服务列表并缓存起来，再服务调用时优先读取本地缓存中的服务列表。
模式二：订阅模式，消费者订阅Nacos中的服务列表，并基于UDP协议来接收服务变更通知。当Nacos中的服务列表更新时，会发送UDP广播给所有订阅者。

与Eureka相比，Nacos的订阅模式服务状态更新更及时，消费者更容易及时发现服务列表的变化，剔除故障服务。

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