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Spring Cloud Gateway 的核心功能与配置详解
2024/12/20JAVA, Spring

Spring Cloud Gateway 的核心功能与配置详解

Spring Cloud Gateway 是 Spring Cloud 生态系统中的一个核心组件，专为现代微服务架构设计的 API 网关解决方案。它以 Spring Framework 和 Spring Boot 为基础，旨在为开发者提供一个高性能、易扩展、简单易用的网关工具，用于管理微服务流量，执行安全验证，提供动态路由和过滤功能。

4,111次点击13分钟阅读

写这篇博客的起因是在昨天的面试中，面试官问我项目中使用的Spring Cloud Gateway能否在tomcat服务器上使用，我却一时半会儿答不出来，感到很惭愧。

正确的答案是不能。因为Spring Cloud Gateway需要由Spring Boot和Spring Webflux提供的Netty运行时，它不适用于传统的Servlet容器，例如Tomcat、Jetty、Undertow等。传统的Servlet应用通常会以WAR包的形式部署到应用服务器，但 Spring Cloud Gateway 依赖的是 Netty，而不是 Servlet 容器，因此它无法以 WAR 包部署。

什么是Netty？

Netty 是一个由 Java 编写的异步事件驱动的网络应用框架，专为快速开发高性能、高可扩展性的网络应用而设计。它是一个开源项目，提供了对网络协议（如 TCP/IP、HTTP、WebSocket 等）的抽象封装，使得开发者可以专注于业务逻辑，而无需深入了解底层网络通信的复杂细节。

Netty之所以能够支持快速开发高性能、高扩展性的网络应用，其原因主要有如下几点：

  • 使用非阻塞I/O：Netty基于Java NIO，使用多路复用技术，一个线程可以同时处理多个连接的I/O操作。当某个连接没有可用数据时，线程不会阻塞，而是继续处理其他的任务，这种模型通过减少线程数量和阻塞等待，提高了并发处理能力。而传统的Servlet容器，则使用阻塞I/O，每个客户端连接由一个独立的线程处理，当线程阻塞（等待数据读取或者写入）的时候，它无法执行其他任务，需要为每个连接分配一个线程，随着连接数的增加，线程的数量也增加，线程的上下文切换和资源占用也就成为了性能的瓶颈。
  • 使用线程池模型：Netty使用EventLoop的线程池机制，通常只需要少量的I/O线程就能够处理大量的连接，I/O操作和业务逻辑分开执行，不同阶段的任务被分配到了不同的线程池当中，可以最大化CPU和资源的利用率。而传统的Servlet容器使用的是per-request模型，每个请求都占用一个线程，在请求数量增加的时候会导致大量的线程创建和销毁，增加线程的上下文切换。
  • 异步数据处理：Netty的数据读取写入是异步的，操作完成以后通过回调通知处理，即使数据传输耗时较长，Netty也不会阻塞线程，而是允许其他任务继续执行。而Servlet的数据读取和写入时同步的，服务器必须等待数据完全就绪以后再进行处理，在此期间线程会被阻塞。

因为Netty的高性能、异步非阻塞架构和强大的扩展性，能够很好地满足现代微服务网关Spring Cloud Gateway的高并发、低延迟和动态路由等需求。

Spring Cloud Gateway工作原理

Spring Cloud Gateway工作原理

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客户端向Spring Cloud Gateway发出请求，如果Gateway Handler Mapping确定请求与路由匹配，则会将其发送到Gateway Web Handler。该处理程序通过特定于请求的过滤器链运行请求。过滤器可以在发送请求之前和之后运行逻辑。首先会执行所有的“前置（pre）”过滤器逻辑，然后发起代理请求。在代理请求完成后，再执行“后置（post）”过滤器逻辑。

配置Route Predicate Factories与GatewayFilter Factories

Spring Cloud Gateway支持Route Predicate Factories和GatewayFilter Factories。这两种方式都支持快捷方式配置以及使用完全扩展的参数。

快捷方式配置由过滤器名称识别，其后跟上等号以及使用逗号分隔的参数值，示例如下。

使用两个参数定义Cookie路由谓词工厂：cookie 名称mycookie和匹配mycookievalue值：

而使用参数则更像是标准的yaml配置，通常会有一个name键和args键，args键用于配置谓词或者过滤器的键值对的映射：

Route Predicate Factories

Route Predicate Factories

按照核心功能及其应用场景，可以大致将Route Predicate Factories分为以上几类。

具体的功能如下：

  • After：匹配指定时间之后的请求。
  • Before：匹配指定时间之前的请求。
  • Between：匹配指定时间范围内的请求。
  • Cookie：匹配指定名称和值的 Cookie。
  • Header：匹配指定 Header 和正则表达式。
  • Host：匹配 Host 名称（支持 Ant 风格模式）。
  • Method：匹配 HTTP 请求方法（如 GET、POST）。
  • Path：匹配请求路径（支持 URI 模板变量）。
  • Query：匹配请求中的查询参数及其值。
  • RemoteAddr：基于 CIDR 格式匹配远程地址。
  • XForwardedRemoteAddr：基于 X-Forwarded-For Header 匹配远程地址。
  • Weight：按照组的权重比例分配流量。

使用的样例可以参考：Route Predicate Factories。

GatewayFilter Factories

GatewayFilters

其对应的功能如下：

  • 修改请求头:
    • AddRequestHeader：添加请求头。
    • AddRequestHeadersIfNotPresent：如果请求头不存在，则添加。
    • SetRequestHeader：设置请求头（替换已有的）。
    • RemoveRequestHeader：移除指定请求头。
    • MapRequestHeader：从一个请求头映射到另一个请求头。
    • SetRequestHostHeader：设置请求的 Host 头。
  • 修改请求参数:
    • AddRequestParameter：添加请求参数。
    • RemoveRequestParameter：移除请求参数。
    • RewriteRequestParameter：重写请求参数。
  • 修改请求路径:
    • PrefixPath：为路径添加前缀。
    • SetPath：设置请求路径。
    • StripPrefix：移除路径前缀。
    • RewritePath：使用正则表达式重写路径。
  • 修改请求体:
    • CacheRequestBody：缓存请求体。
    • ModifyRequestBody：修改请求体内容。
  • 修改响应头:
    • AddResponseHeader：添加响应头。
    • SetResponseHeader：设置响应头（替换已有的）。
    • RemoveResponseHeader：移除指定响应头。
    • RewriteResponseHeader：使用正则表达式重写响应头。
    • DedupeResponseHeader：去重响应头。
  • 修改响应体:
    • ModifyResponseBody：修改响应体内容。
    • RemoveJsonAttributesResponseBody：从 JSON 响应体中移除指定属性。
  • 限流:
    • RequestRateLimiter：基于 Redis 的请求限流。
    • RequestHeaderSize：限制请求头大小。
    • RequestSize：限制请求体大小。
  • 熔断:
    • CircuitBreaker：使用熔断器保护路由。
    • FallbackHeaders：在熔断回退中添加异常信息到请求头。
  • 重试:
    • Retry：失败后重试请求。
  • 安全增强:
    • SecureHeaders：添加安全相关的响应头。
    • SaveSession：在转发请求之前保存会话状态。
  • OAuth2 支持:
    • TokenRelay：转发 OAuth2 令牌到下游服务。
  • 重定向:
    • RedirectTo：重定向到指定 URL。
  • 路径调整:
    • RewriteLocationResponseHeader：调整响应中 Location 头的值。

具体的使用案例依然可以参考：GatewayFilter Factories。

用好以上过滤器，就能够获得一个功能及其强大的网关。

Spring Cloud Gateway动态路由

在微服务成为流行的当下，一个服务常常会有多个实例，这个时候就需要使用动态路由，此处以Nacos注册中心为例说明。

Nacos 作为服务注册和配置中心，存储路由配置信息。网关从 Nacos 中获取最新的路由配置。Spring Cloud Gateway通过监听Nacos配置变更事件，在路由配置更新实时刷新网关的路由信息，在应用启动的时候，网关从Nacos加载路由规则。

先引入以下依赖：

而后在application.yml中配置Nacos的连接信息：

在Nacos配置中心中创建一个配置文件，例如gateway-routes.yaml，并在其中定义路由规则。确保该配置的Data ID与应用名称和配置文件名称匹配。

而后在启动类上加上@EnableDiscoveryClient注解，启用Nacos配置和发现功能，最后还需要再在application.yml中加上网关发现功能：

Spring Cloud Gateway负载均衡

Spring Cloud Gateway的负载均衡主要依赖于Spring Cloud LoadBalancer，引入以下依赖：

在相应的网关服务的application.yml中写入以下配置：

lb://example-service就是对example-service使用了负载均衡的意思，使用负载均衡之后，请求会被均衡负载到多个实例当中。默认的负载均衡策略为轮询，目前Spring Cloud Loadbalancer内置了两种负载均衡策略：

  • 轮询（Round Robin）：按照顺序依次选择每个服务实例，简单易用，负载均匀，适合服务实例性能相近且流量需求较为平均的场景。
  • 随机（Random）：随机选择一个服务实例，实现比较简单，适用于小规模系统，但是不能够考虑实例的实际负载。

需要切换的时候，只需要在配置文件中更改：

此外，还有其他的负载均衡策略，但是需要自己去实现：

  • 加权轮询（Weighted Round Robin）：给每一个实例分配权重，权重高的实例会分配更多请求。适用于后端服务实例配置不同、需要优先将更多流量引导到特定服务实例、蓝绿部署的场景。
  • 最小连接数（Least Connections）：选择当前活跃连接数最少的实例，适用于连接数较长或有显著差异的服务，确保流量分配更加均衡。适用于流媒体服务、后端服务处理时间或连接特性差异明显的场景。
  • 基于哈希（Hash-Based）：根据请求的特定属性计算哈希值，将请求始终分配到固定的实例，常用的有IP哈希以及用户哈希。使用的场景为状态敏感的系统（如用户购物车、用户认证）、适用于一致性哈希的缓存系统以及需要基于用户地理位置的系统。
  • ...

Spring Cloud Gateway 是现代微服务架构中强大的网关解决方案，凭借灵活的路由规则、多样化的负载均衡策略和高性能的 Netty 支持，能够满足多种复杂场景需求。通过合理配置和实践应用，可以充分发挥其能力，为系统的高效稳定运行提供坚实保障。

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yaml
spring:
  cloud:
    gateway:
      routes:
      - id: after_route
        uri: https://example.org
        predicates:
        - Cookie=mycookie,mycookievalue
yaml
spring:
  cloud:
    gateway:
      routes:
      - id: after_route
        uri: https://example.org
        predicates:
        - name: Cookie
          args:
            name: mycookie
            regexp: mycookievalue
text
implementation 'org.springframework.cloud:spring-cloud-starter-gateway'
implementation 'com.alibaba.cloud:spring-cloud-starter-alibaba-nacos-discovery'
implementation 'com.alibaba.cloud:spring-cloud-starter-alibaba-nacos-config'
yaml
spring:
  application:
    name: gateway-service
  cloud:
    nacos:
      discovery:
        server-addr: 127.0.0.1:8848
      config:
        server-addr: 127.0.0.1:8848
        file-extension: yaml
yaml
spring:
  cloud:
    gateway:
      routes:
        - id: user-service
          uri: lb://user-service
          predicates:
            - Path=/user/**
          filters:
            - StripPrefix=1
        - id: order-service
          uri: lb://order-service
          predicates:
            - Path=/order/**
          filters:
            - StripPrefix=1
yaml
spring:
  cloud:
    gateway:
      discovery:
        locator:
          enabled: true
          lower-case-service-id: true
text
implementation 'org.springframework.cloud:spring-cloud-starter-loadbalancer'
yaml
spring:
  cloud:
    gateway:
      routes:
        - id: service-route
          uri: lb://example-service
          predicates:
            - Path=/api/** # 匹配 /api/ 开头的路径
yaml
spring:
  cloud:
    loadbalancer:
      configurations:
        example-service: # 这里是服务名称
          hint: random # 或者round-robin