本系列是 我TM人傻了 系列第五期[捂臉]，往期精彩回顧：
本篇文章涉及底層設計以及原理，以及問題定位和可能的問題點，非常深入，篇幅較長，所以拆分成上中下三篇：
- 上：問題簡單描述以及 Spring Cloud Gateway 基本結構和流程以及底層原理
- 中：Spring Cloud Sleuth 如何在 Spring Cloud Gateway 加入的鏈路追蹤以及為何會出現這個問題
- 下：現有 Spring Cloud Sleuth 的非侵入設計帶來的性能問題，其他可能的問題點，以及如何解決
我們的網關使用的是 Spring Cloud Gateway，並且加入了 spring-cloud-sleuth 的依賴，用於鏈路追蹤。並且通過 log4j2 的配置，將鏈路信息輸出到日志中，相關的占位符是：
%X{traceId},%X{spanId}
但是最近發現，日志中鏈路信息出現丟失的情況，這是怎么回事呢？
Spring Cloud Gateway 的基本流程與實現
首先簡單介紹一下 Spring Cloud Gateway 的基本結構，以及 Spring Cloud Sleuth 是如何在其中嵌入鏈路追蹤相關代碼的。加入 Spring Cloud Sleuth 以及 Prometheus 相關依賴之后， Spring Cloud Gateway 的處理流程如下所示：
Spring Cloud Gateway 是基於 Spring WebFlux 開發的異步響應式網關，異步響應式代碼比較難以理解和閱讀，我這里給大家分享一種方法去理解，通過這個流程來理解 Spring Cloud Gateway 的工作流程以及底層原理。其實可以理解為，上圖這個流程，就是拼出來一個完整的 Mono（或者 Flux）流，最后 subscribe 執行。
當收到一個請求的時候，會經過 org.springframework.web.server.handler.DefaultWebFilterChain，這是 WebFilter 的調用鏈，這個鏈路包括三個 WebFilter：
org.springframework.boot.actuate.metrics.web.reactive.server.MetricsWebFilter：添加 Prometheus 相關依賴之后，會有這個 MetricsWebFilter，用於記錄請求處理耗時，采集相關指標。org.springframework.cloud.sleuth.instrument.web.TraceWebFilter：添加 Spring Cloud Sleuth 相關依賴之后，會有這個 TraceWebFilter。org.springframework.cloud.gateway.handler.predicate.WeightCalculatorWebFilter：Spring Cloud Gateway 路由權重相關配置功能相關實現類，這個我們這里不關心。
在這個 DefaultWebFilterChain 會形成這樣一個 Mono，我們依次將他們標記出來，首先是入口代碼 org.springframework.web.server.handler.DefaultWebFilterChain#filter：
public Mono<Void> filter(ServerWebExchange exchange) {
return Mono.defer(() ->
// this.currentFilter != null 代表 WebFilter 鏈還沒有結束
// this.chain != null 代表 WebFilter 鏈不為空
this.currentFilter != null && this.chain != null ?
//在 WebFilter 鏈沒有結束的情況下，調用 WebFilter
invokeFilter(this.currentFilter, this.chain, exchange) :
//在 WebFilter 結束的情況下，調用 handler
this.handler.handle(exchange));
}
對於我們這里的 WebFilter 鏈的第一個 MetricsWebFilter,假設啟用了對應的采集統計的話，這時候生成的 Mono 就是：
return Mono.defer(() ->
chain.filter(exchange).transformDeferred((call) -> {
long start = System.nanoTime();
return call
//成功時，記錄響應時間
.doOnSuccess((done) -> MetricsWebFilter.this.onSuccess(exchange, start))
//失敗時，記錄響應時間和異常
.doOnError((cause) -> MetricsWebFilter.this.onError(exchange, start, cause));
});
);
這里為了方便，我們對代碼做了簡化，由於我們要將整個鏈路的所有 Mono 和 Flux 拼接在一起行程完整鏈路，所以原本是 MetricsWebFilter中的 onSuccess(exchange, start)方法，被改成了 MetricsWebFilter.this.onSuccess(exchange, start) 這種偽代碼。
接着，根據DefaultWebFilterChain 的源碼分析，chain.filter(exchange) 會繼續 WebFilter 鏈路，到達下一個 WebFilter，即 TraceWebFilter。經過 TraceWebFilter，Mono 就會變成：
return Mono.defer(() ->
new MonoWebFilterTrace(source, chain.filter(exchange), TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
//MetricsWebFilter 相關的處理，在前面的代碼中給出了，這里省略
});
);
可以看出，在 TraceWebFilter 中，整個內部 Mono (chain.filter(exchange) 后續的結果)都被封裝成了一個 MonoWebFilterTrace，這也是保持鏈路追蹤信息的關鍵實現。
繼續 WebFilter 鏈路，經過最后一個 WebFilter WeightCalculatorWebFilter; 這個 WebFilter 我們不關心，里面對路由權重做了一些計算操作，我們這里直接忽略即可。這樣我們就走完了所有 WebFilter 鏈路，來到了最后的調用 DefaultWebFilterChain.this.handler，這個 handler 就是 org.springframework.web.reactive.DispatcherHandler。在 DispatcherHandler 中，我們會計算出路由並發送請求到符合條件的 GatewayFilter。經過 DispatcherHandler，Mono 會變成：
return Mono.defer(() ->
new MonoWebFilterTrace(source,
Flux.fromIterable(DispatcherHandler.this.handlerMappings) //讀取所有的 handlerMappings
.concatMap(mapping -> mapping.getHandler(exchange)) //按順序調用所有的 handlerMappings 的 getHandler 方法，如果有對應的 Handler 會返回，否則返回 Mono.empty();
.next() //找到第一個返回不是 Mono.empty() 的 Handler
.switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果沒有返回不為 Mono.empty() 的 handlerMapping，則直接返回 404
.flatMap(handler -> DispatcherHandler.this.invokeHandler(exchange, handler)) //調用對應的 Handler
.flatMap(result -> DispatcherHandler.this.handleResult(exchange, result)), //處理結果
TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
//MetricsWebFilter 相關的處理，在前面的代碼中給出了，這里省略
});
);
handlerMappings 包括：
org.springframework.boot.actuate.endpoint.web.reactive.WebFluxEndPointHandlerMapping：由於我們項目中添加了 Actuator 相關依賴，所以這里有這個 HandlerMapping。Actuator 相關路徑映射，不是我們這里關心的。但是可以看出，Actuator 相關路徑優先於 Spring Cloud Gateway 配置路由org.springframework.boot.actuate.endpoint.web.reactive.ControllerEndpointHandlerMapping：由於我們項目中添加了 Actuator 相關依賴，所以這里有這個 HandlerMapping。使用 @ControllerEndpoint 或者 @RestControllerEndpoint 注解標注的 Actuator 相關路徑映射，不是我們這里關心的。org.springframework.web.reactive.function.server.support.RouterFunctionMapping：在 Spring-WebFlux 中，你可以定義很多不同的 RouterFunction 來控制路徑路由，但這也不是我們這里關心的。但是可以看出，自定義的 RouterFunction 會優先於 Spring Cloud Gateway 配置路由org.springframework.web.reactive.result.method.annotation.RequestMappingHandlerMapping：針對 @RequestMapping 注解的路徑的 HandlerMapping，不是我們這里關心的。但是可以看出，如果你在 Spring Cloud Gateway 中指定 RequestMapping 路徑，會優先於 Spring Cloud Gateway 配置路由。org.springframework.cloud.gateway.handler.RoutePredicateHandlerMapping：這個是 Spring Cloud Gateway 的 HandlerMapping，會讀取 Spring Cloud Gateway 配置並生成路由。這個是我們這里要詳細分析的。
其實這些 handlerMappings，我們這里肯定走的是 RoutePredicateHandlerMapping 的相關邏輯，所以我們的 Mono 又可以簡化成：
return Mono.defer(() ->
new MonoWebFilterTrace(source,
RoutePredicateHandlerMapping.this.getHandler(exchange)
.switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果沒有返回不為 Mono.empty() 的 handlerMapping，則直接返回 404
.flatMap(handler -> DispatcherHandler.this.invokeHandler(exchange, handler)) //調用對應的 Handler
.flatMap(result -> DispatcherHandler.this.handleResult(exchange, result)), //處理結果
TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
//MetricsWebFilter 相關的處理，在前面的代碼中給出了，這里省略
});
);
我們來看 RoutePredicateHandlerMapping，首先這些 handlerMapping 都是繼承了抽象類 org.springframework.web.reactive.handler.AbstractHandlerMapping, 前面我們拼接的 Mono 里面的 getHandler 的實現其實就在這個抽象類中：
public Mono<Object> getHandler(ServerWebExchange exchange) {
//調用抽象方法 getHandlerInternal 獲取真正的 Handler
return getHandlerInternal(exchange).map(handler -> {
//這里針對 handler 做一些日志記錄
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug(exchange.getLogPrefix() + "Mapped to " + handler);
}
// 跨域處理
ServerHttpRequest request = exchange.getRequest();
if (hasCorsConfigurationSource(handler) || CorsUtils.isPreFlightRequest(request)) {
CorsConfiguration config = (this.corsConfigurationSource != null ?
this.corsConfigurationSource.getCorsConfiguration(exchange) : null);
CorsConfiguration handlerConfig = getCorsConfiguration(handler, exchange);
config = (config != null ? config.combine(handlerConfig) : handlerConfig);
if (config != null) {
config.validateAllowCredentials();
}
if (!this.corsProcessor.process(config, exchange) || CorsUtils.isPreFlightRequest(request)) {
return NO_OP_HANDLER;
}
}
return handler;
});
}
可以看出，其實核心就是每個實現類的 getHandlerInternal(exchange) 方法，所以在我們拼接的 Mono 中，我們會忽略抽象類中的針對 handler 之后的 map 處理。
return Mono.defer(() ->
new MonoWebFilterTrace(source,
RoutePredicateHandlerMapping.this.getHandlerInternal(exchange)
.switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果沒有返回不為 Mono.empty() 的 handlerMapping，則直接返回 404
.flatMap(handler -> DispatcherHandler.this.invokeHandler(exchange, handler)) //調用對應的 Handler
.flatMap(result -> DispatcherHandler.this.handleResult(exchange, result)), //處理結果
TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
//MetricsWebFilter 相關的處理，在前面的代碼中給出了，這里省略
});
);
接下來經過 RoutePredicateHandlerMapping 的 getHandlerInternal(exchange) 方法，我們的 Mono 變成了：
return Mono.defer(() ->
new MonoWebFilterTrace(source,
RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange) //根據請求尋找路由
.flatMap((Function<Route, Mono<?>>) r -> {
exchange.getAttributes().put(GATEWAY_ROUTE_ATTR, r); //將路由放入 Attributes 中，后面我們還會用到
return Mono.just(RoutePredicateHandlerMapping.this.webHandler); //返回 RoutePredicateHandlerMapping 的 FilteringWebHandler
}).switchIfEmpty( //如果為 Mono.empty()，也就是沒找到路由
Mono.empty() //返回 Mono.empty()
.then(Mono.fromRunnable(() -> { //返回 Mono.empty() 之后，記錄日志
if (logger.isTraceEnabled()) {
logger.trace("No RouteDefinition found for [" + getExchangeDesc(exchange) + "]");
}
})))
.switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果沒有返回不為 Mono.empty() 的 handlerMapping，則直接返回 404
.flatMap(handler -> DispatcherHandler.this.invokeHandler(exchange, handler)) //調用對應的 Handler
.flatMap(result -> DispatcherHandler.this.handleResult(exchange, result)), //處理結果
TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
//MetricsWebFilter 相關的處理，在前面的代碼中給出了，這里省略
});
);
RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange) 根據請求尋找路由，這個我們就不詳細展開了，其實就是根據你的 Spring Cloud Gateway 配置，找到合適的路由。接下來我們來看調用對應的 Handler，即 FilteringWebHandler。DispatcherHandler.this.invokeHandler(exchange, handler) 我們這里也不詳細展開，我們知道其實就是調用 Handler 的 handle 方法，即 FilteringWebHandler 的 handle 方法，所以 我們的 Mono 變成了：
return Mono.defer(() ->
new MonoWebFilterTrace(source,
RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange) //根據請求尋找路由
.flatMap((Function<Route, Mono<?>>) r -> {
exchange.getAttributes().put(GATEWAY_ROUTE_ATTR, r); //將路由放入 Attributes 中，后面我們還會用到
return Mono.just(RoutePredicateHandlerMapping.this.webHandler); //返回 RoutePredicateHandlerMapping 的 FilteringWebHandler
}).switchIfEmpty( //如果為 Mono.empty()，也就是沒找到路由
Mono.empty()
.then(Mono.fromRunnable(() -> { //返回 Mono.empty() 之后，記錄日志
if (logger.isTraceEnabled()) {
logger.trace("No RouteDefinition found for [" + getExchangeDesc(exchange) + "]");
}
})))
.switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果沒有返回不為 Mono.empty() 的 handlerMapping，則直接返回 404
.then(FilteringWebHandler.this.handle(exchange).then(Mono.empty())) //調用對應的 Handler
.flatMap(result -> DispatcherHandler.this.handleResult(exchange, result)), //處理結果
TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
//MetricsWebFilter 相關的處理，在前面的代碼中給出了，這里省略
});
);
由於調用對應的 Handler，最后返回的是 Mono.empty()，所以后面的 flatMap 其實不會執行了。所以我們可以將最后的處理結果這一步去掉。所以我們的 Mono 就變成了：
return Mono.defer(() ->
new MonoWebFilterTrace(source,
RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange) //根據請求尋找路由
.flatMap((Function<Route, Mono<?>>) r -> {
exchange.getAttributes().put(GATEWAY_ROUTE_ATTR, r); //將路由放入 Attributes 中，后面我們還會用到
return Mono.just(RoutePredicateHandlerMapping.this.webHandler); //返回 RoutePredicateHandlerMapping 的 FilteringWebHandler
}).switchIfEmpty( //如果為 Mono.empty()，也就是沒找到路由
Mono.empty()
.then(Mono.fromRunnable(() -> { //返回 Mono.empty() 之后，記錄日志
if (logger.isTraceEnabled()) {
logger.trace("No RouteDefinition found for [" + getExchangeDesc(exchange) + "]");
}
})))
.switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果沒有返回不為 Mono.empty() 的 handlerMapping，則直接返回 404
.then(FilteringWebHandler.this.handle(exchange).then(Mono.empty()))), //調用對應的 Handler
TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
//MetricsWebFilter 相關的處理，在前面的代碼中給出了，這里省略
});
);
FilteringWebHandler.this.handle(exchange) 其實就是從 Attributes 中取出路由，從路由中取出對應的 GatewayFilters，與全局 GatewayFilters 放到同一個 List 中，並按照這些 GatewayFilter 的順序排序（可以通過實現 org.springframework.core.Ordered 接口來制定順序），然后生成 DefaultGatewayFilterChain 即 GatewayFilter 鏈路。對應的源碼是：
public Mono<Void> handle(ServerWebExchange exchange) {
//從 Attributes 中取出路由，從路由中取出對應的 GatewayFilters
Route route = exchange.getRequiredAttribute(GATEWAY_ROUTE_ATTR);
List<GatewayFilter> gatewayFilters = route.getFilters();
//與全局 GatewayFilters 放到同一個 List 中
List<GatewayFilter> combined = new ArrayList<>(this.globalFilters);
combined.addAll(gatewayFilters);
//按照這些 GatewayFilter 的順序排序（可以通過實現 `org.springframework.core.Ordered` 接口來制定順序）
AnnotationAwareOrderComparator.sort(combined);
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Sorted gatewayFilterFactories: " + combined);
}
//生成調用鏈
return new DefaultGatewayFilterChain(combined).filter(exchange);
}
這個 GatewayFilter 調用鏈和 WebFilter 調用鏈類似，參考 DefaultGatewayFilterChain 的源碼：
public Mono<Void> filter(ServerWebExchange exchange) {
return Mono.defer(() -> {
//如果鏈路沒有結束，則繼續鏈路
if (this.index < filters.size()) {
GatewayFilter filter = filters.get(this.index);
//這里將 index + 1，也就是調用鏈路中的下一個 GatewayFilter
DefaultGatewayFilterChain chain = new DefaultGatewayFilterChain(this, this.index + 1);
//每個 filter 中如果想要繼續鏈路，則會調用 chain.filter(exchange)，這也是我們開發 GatewayFilter 的時候的使用方式
return filter.filter(exchange, chain);
}
else {
//到達末尾，鏈路結束
return Mono.empty(); // complete
}
});
}
所以，經過 DefaultGatewayFilterChain 后，我們的 Mono 就會變成：
return Mono.defer(() ->
new MonoWebFilterTrace(source,
RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange) //根據請求尋找路由
.flatMap((Function<Route, Mono<?>>) r -> {
exchange.getAttributes().put(GATEWAY_ROUTE_ATTR, r); //將路由放入 Attributes 中，后面我們還會用到
return Mono.just(RoutePredicateHandlerMapping.this.webHandler); //返回 RoutePredicateHandlerMapping 的 FilteringWebHandler
}).switchIfEmpty( //如果為 Mono.empty()，也就是沒找到路由
Mono.empty()
.then(Mono.fromRunnable(() -> { //返回 Mono.empty() 之后，記錄日志
if (logger.isTraceEnabled()) {
logger.trace("No RouteDefinition found for [" + getExchangeDesc(exchange) + "]");
}
})))
.switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果沒有返回不為 Mono.empty() 的 handlerMapping，則直接返回 404
.then(new DefaultGatewayFilterChain(combined).filter(exchange).then(Mono.empty()))), //調用對應的 Handler
TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
//MetricsWebFilter 相關的處理，在前面的代碼中給出了，這里省略
});
);
再繼續展開 DefaultGatewayFilterChain 的鏈路調用，可以得到：
return Mono.defer(() ->
new MonoWebFilterTrace(source,
RoutePredicateHandlerMapping.this.lookupRoute(exchange) //根據請求尋找路由
.flatMap((Function<Route, Mono<?>>) r -> {
exchange.getAttributes().put(GATEWAY_ROUTE_ATTR, r); //將路由放入 Attributes 中，后面我們還會用到
return Mono.just(RoutePredicateHandlerMapping.this.webHandler); //返回 RoutePredicateHandlerMapping 的 FilteringWebHandler
}).switchIfEmpty( //如果為 Mono.empty()，也就是沒找到路由
Mono.empty()
.then(Mono.fromRunnable(() -> { //返回 Mono.empty() 之后，記錄日志
if (logger.isTraceEnabled()) {
logger.trace("No RouteDefinition found for [" + getExchangeDesc(exchange) + "]");
}
})))
.switchIfEmpty(DispatcherHandler.this.createNotFoundError()) //如果沒有返回不為 Mono.empty() 的 handlerMapping，則直接返回 404
.then(
Mono.defer(() -> {
//如果鏈路沒有結束，則繼續鏈路
if (DefaultGatewayFilterChain.this.index < DefaultGatewayFilterChain.this.filters.size()) {
GatewayFilter filter = DefaultGatewayFilterChain.this.filters.get(DefaultGatewayFilterChain.this.index);
//這里將 index + 1，也就是調用鏈路中的下一個 GatewayFilter
DefaultGatewayFilterChain chain = new DefaultGatewayFilterChain(DefaultGatewayFilterChain.this, DefaultGatewayFilterChain.this.index + 1);
//每個 filter 中如果想要繼續鏈路，則會調用 chain.filter(exchange)，這也是我們開發 GatewayFilter 的時候的使用方式
return filter.filter(exchange, chain);
}
else {
return Mono.empty(); //鏈路完成
}
})
.then(Mono.empty()))
), //調用對應的 Handler
TraceWebFilter.this.isTracePresent(), TraceWebFilter.this, TraceWebFilter.this.spanFromContextRetriever()).transformDeferred((call) -> {
//MetricsWebFilter 相關的處理，在前面的代碼中給出了，這里省略
});
);
這樣，就形成了 Spring Cloud Gateway 針對路由請求的完整 Mono 調用鏈。
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