الگوی مدارشکن: یک الگوی مستحکم تحمل خطا برای اپلیکیشن‌های مدرن

در دنیای توسعه نرم‌افزار، به ویژه در معماری‌های میکروسرویس و سیستم‌های توزیع‌شده، تضمین تاب‌آوری اپلیکیشن از اهمیت بالایی برخوردار است. هنگامی که اجزا از کار می‌افتند، جلوگیری از خرابی‌های زنجیره‌ای و حفظ یک تجربه کاربری پایدار و پاسخگو حیاتی است. الگوی مدارشکن به عنوان یک راه‌حل قدرتمند برای دستیابی به تحمل خطا و افت کیفیت کنترل‌شده (graceful degradation) در چنین سناریوهایی ظهور می‌کند.

الگوی مدارشکن چیست؟

الگوی مدارشکن از مدارشکن‌های الکتریکی الهام گرفته شده است که مدارها را از آسیب ناشی از جریان بیش از حد محافظت می‌کنند. در نرم‌افزار، این الگو به عنوان یک پروکسی برای عملیاتی که ممکن است با شکست مواجه شوند عمل می‌کند و از تلاش مکرر اپلیکیشن برای اجرای عملیاتی که احتمالاً شکست می‌خورد، جلوگیری می‌کند. این رویکرد پیشگیرانه از هدر رفتن منابع جلوگیری کرده، تأخیر را کاهش می‌دهد و در نهایت پایداری سیستم را افزایش می‌دهد.

ایده اصلی این است که وقتی یک سرویس به طور مداوم پاسخ نمی‌دهد، مدارشکن «باز» می‌شود و از ارسال درخواست‌های بیشتر به آن سرویس جلوگیری می‌کند. پس از یک دوره زمانی مشخص، مدارشکن وارد حالت «نیمه‌باز» می‌شود و به تعداد محدودی از درخواست‌های آزمایشی اجازه عبور می‌دهد. اگر این درخواست‌ها موفقیت‌آمیز باشند، مدارشکن «بسته» شده و عملکرد عادی از سر گرفته می‌شود. اگر شکست بخورند، مدارشکن باز باقی می‌ماند و این چرخه تکرار می‌شود.

حالت‌های مدارشکن

مدارشکن در سه حالت مجزا عمل می‌کند:

• بسته (Closed): این حالت عملیاتی عادی است. درخواست‌ها مستقیماً به سرویس ارسال می‌شوند. مدارشکن نرخ موفقیت و شکست این درخواست‌ها را نظارت می‌کند. اگر نرخ شکست از یک آستانه از پیش تعریف‌شده فراتر رود، مدارشکن به حالت باز منتقل می‌شود.
• باز (Open): در این حالت، مدارشکن تمام درخواست‌ها را اتصال کوتاه می‌کند و بلافاصله یک خطا یا یک پاسخ جایگزین (fallback) برمی‌گرداند. این کار از تحت فشار قرار گرفتن سرویس در حال خرابی با تلاش‌های مجدد جلوگیری می‌کند و به سرویس زمان می‌دهد تا بازیابی شود.
• نیمه‌باز (Half-Open): پس از یک دوره زمانی مشخص در حالت باز، مدارشکن به حالت نیمه‌باز منتقل می‌شود. در این حالت، به تعداد محدودی از درخواست‌های آزمایشی اجازه می‌دهد تا به سرویس ارسال شوند. اگر این درخواست‌ها موفقیت‌آمیز باشند، مدارشکن به حالت بسته بازمی‌گردد. اگر هر یک از درخواست‌های آزمایشی با شکست مواجه شود، مدارشکن به حالت باز برمی‌گردد.

مزایای استفاده از الگوی مدارشکن

پیاده‌سازی الگوی مدارشکن چندین مزیت کلیدی را به همراه دارد:

• بهبود تاب‌آوری: با جلوگیری از ارسال درخواست به سرویس‌های خراب، از خرابی‌های زنجیره‌ای جلوگیری کرده و در دسترس بودن اپلیکیشن را حفظ می‌کند.
• افزایش پایداری: با جلوگیری از تلاش‌های مکرر برای دسترسی به سرویس‌های خراب، از تحت فشار قرار گرفتن اپلیکیشن محافظت کرده، منابع را حفظ می‌کند و پایداری کلی را بهبود می‌بخشد.
• کاهش تأخیر: با جلوگیری از تأخیرهای غیرضروری ناشی از انتظار برای پاسخ سرویس‌های خراب، زمان پاسخگویی سریع‌تری را برای کاربران به ارمغان می‌آورد.
• افت کیفیت کنترل‌شده: به اپلیکیشن اجازه می‌دهد تا در صورت عدم دسترسی به سرویس‌ها، عملکرد خود را به صورت کنترل‌شده کاهش دهد و تجربه کاربری قابل قبول‌تری نسبت به یک خرابی کامل ارائه دهد.
• بازیابی خودکار: بازیابی خودکار را هنگامی که سرویس‌های خراب دوباره در دسترس قرار می‌گیرند، ممکن می‌سازد و زمان قطعی را به حداقل می‌رساند.
• جداسازی خطا: خطاها را در سیستم جدا می‌کند و از گسترش آنها به سایر اجزا جلوگیری می‌کند.

ملاحظات پیاده‌سازی

پیاده‌سازی مؤثر الگوی مدارشکن نیازمند بررسی دقیق چندین عامل است:

• آستانه شکست: آستانه‌ای برای تعیین زمان باز شدن مدارشکن. این مقدار باید بر اساس الزامات خاص سرویس و اپلیکیشن با دقت تنظیم شود. آستانه پایین ممکن است منجر به باز شدن زودهنگام مدار شود، در حالی که آستانه بالا ممکن است حفاظت کافی را فراهم نکند.
• مدت زمان وقفه (Timeout): مدت زمانی که مدارشکن در حالت باز باقی می‌ماند قبل از اینکه به حالت نیمه‌باز منتقل شود. این مدت باید به اندازه‌ای طولانی باشد که سرویس خراب بتواند بازیابی شود، اما به اندازه‌ای کوتاه باشد که زمان قطعی به حداقل برسد.
• درخواست‌های آزمایشی در حالت نیمه‌باز: تعداد درخواست‌های آزمایشی که در حالت نیمه‌باز مجاز به عبور هستند. این تعداد باید به اندازه‌ای کم باشد که خطر تحت فشار قرار دادن سرویس در حال بازیابی را به حداقل برساند، اما به اندازه‌ای بزرگ باشد که نشانگر قابل اعتمادی از وضعیت سلامت آن باشد.
• مکانیسم جایگزین (Fallback): مکانیزمی برای ارائه یک پاسخ یا عملکرد جایگزین هنگامی که مدارشکن باز است. این می‌تواند شامل بازگرداندن داده‌های کش‌شده، نمایش یک پیام خطای کاربرپسند، یا هدایت کاربر به یک سرویس جایگزین باشد.
• نظارت و ثبت وقایع (Monitoring and Logging): نظارت و ثبت وقایع جامع برای ردیابی وضعیت مدارشکن، تعداد خرابی‌ها و نرخ موفقیت درخواست‌ها. این اطلاعات برای درک رفتار سیستم و برای تشخیص و حل مشکلات حیاتی است.
• پیکربندی: پارامترهای پیکربندی (آستانه شکست، مدت زمان وقفه، درخواست‌های آزمایشی نیمه‌باز) را بیرونی کنید تا امکان تنظیم پویا بدون نیاز به تغییر کد فراهم شود.

نمونه‌های پیاده‌سازی

الگوی مدارشکن را می‌توان با استفاده از زبان‌های برنامه‌نویسی و فریمورک‌های مختلف پیاده‌سازی کرد. در اینجا چند نمونه آورده شده است:

جاوا با Resilience4j

Resilience4j یک کتابخانه محبوب جاوا است که مجموعه جامعی از ابزارهای تحمل خطا، از جمله مدارشکن، تلاش مجدد (Retry)، محدودکننده نرخ (Rate Limiter) و Bulkhead را ارائه می‌دهد. در اینجا یک مثال ساده آورده شده است:

CircuitBreakerConfig circuitBreakerConfig = CircuitBreakerConfig.custom()
    .failureRateThreshold(50)
    .waitDurationInOpenState(Duration.ofMillis(1000))
    .permittedNumberOfCallsInHalfOpenState(2)
    .slidingWindowSize(10)
    .build();

CircuitBreaker circuitBreaker = CircuitBreaker.of("myService", circuitBreakerConfig);

Supplier<String> decoratedSupplier = CircuitBreaker
    .decorateSupplier(circuitBreaker, () -> myRemoteService.getData());

try {
    String result = decoratedSupplier.get();
    // Process the result
} catch (RequestNotPermitted e) {
    // Handle the open circuit
    System.err.println("Circuit is open: " + e.getMessage());
}

پایتون با Pybreaker

Pybreaker یک کتابخانه پایتون است که یک پیاده‌سازی ساده و آسان از مدارشکن را ارائه می‌دهد.

import pybreaker

breaker = pybreaker.CircuitBreaker(fail_max=3, reset_timeout=10)

@breaker
def unreliable_function():
    # Your unreliable function call here
    pass

try:
    unreliable_function()
except pybreaker.CircuitBreakerError:
    print("Circuit Breaker is open!")

دات‌نت با Polly

Polly یک کتابخانه دات‌نت برای تاب‌آوری و مدیریت خطاهای گذرا است که به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا سیاست‌هایی مانند تلاش مجدد، مدارشکن، وقفه زمانی و Bulkhead را به صورت روان و ترکیبی بیان کنند.

var circuitBreakerPolicy = Policy
    .Handle<Exception>()
    .CircuitBreakerAsync(
        exceptionsAllowedBeforeBreaking: 3,
        durationOfBreak: TimeSpan.FromSeconds(10),
        onBreak: (exception, timespan) =>
        {
            Console.WriteLine("Circuit Breaker opened: " + exception.Message);
        },
        onReset: () =>
        {
            Console.WriteLine("Circuit Breaker reset.");
        },
        onHalfOpen: () =>
        {
            Console.WriteLine("Circuit Breaker half-opened.");
        });


try
{
    await circuitBreakerPolicy.ExecuteAsync(async () =>
    {
        // Your unreliable operation here
        await MyRemoteService.GetDataAsync();
    });
}
catch (Exception ex)
{
    Console.WriteLine("Handled exception: " + ex.Message);
}

مثال‌های واقعی

الگوی مدارشکن به طور گسترده در صنایع و اپلیکیشن‌های مختلف استفاده می‌شود:

• تجارت الکترونیک: جلوگیری از خرابی‌های زنجیره‌ای هنگامی که یک درگاه پرداخت در دسترس نیست، و اطمینان از اینکه سبد خرید و فرآیند پرداخت همچنان کار می‌کنند. به عنوان مثال: اگر یک ارائه‌دهنده پرداخت خاص در یک پلتفرم تجارت الکترونیک جهانی در یک منطقه (مثلاً جنوب شرقی آسیا) دچار قطعی شود، مدارشکن باز می‌شود و تراکنش‌ها به ارائه‌دهندگان جایگزین در آن منطقه هدایت می‌شوند یا سیستم می‌تواند روش‌های پرداخت جایگزین را به کاربران ارائه دهد.
• خدمات مالی: جداسازی خرابی‌ها در سیستم‌های معاملاتی، جلوگیری از تراکنش‌های نادرست یا ناقص. به عنوان مثال: در ساعات اوج معاملات، سرویس اجرای سفارش یک شرکت کارگزاری ممکن است با خرابی‌های متناوب مواجه شود. یک مدارشکن می‌تواند از تلاش‌های مکرر برای ثبت سفارش از طریق آن سرویس جلوگیری کند و از سیستم در برابر بار اضافی و زیان‌های مالی احتمالی محافظت کند.
• رایانش ابری: مدیریت قطعی‌های موقت سرویس‌های ابری، و اطمینان از اینکه اپلیکیشن‌ها در دسترس و پاسخگو باقی می‌مانند. به عنوان مثال: اگر یک سرویس پردازش تصویر مبتنی بر ابر که توسط یک پلتفرم بازاریابی جهانی استفاده می‌شود در یک مرکز داده خاص در دسترس نباشد، مدارشکن باز می‌شود و درخواست‌ها را به یک مرکز داده دیگر هدایت می‌کند یا از یک سرویس جایگزین استفاده می‌کند و اختلال را برای کاربران پلتفرم به حداقل می‌رساند.
• اینترنت اشیاء (IoT): مدیریت مشکلات اتصال با دستگاه‌های IoT، و جلوگیری از تحت فشار قرار گرفتن سیستم توسط دستگاه‌های خراب. به عنوان مثال: در یک سیستم خانه هوشمند با دستگاه‌های متصل متعدد در مکان‌های جغرافیایی مختلف، اگر نوع خاصی از سنسور در یک منطقه خاص (مثلاً اروپا) شروع به گزارش داده‌های نادرست کند یا پاسخگو نباشد، مدارشکن می‌تواند آن سنسورها را جدا کرده و از تأثیر آنها بر عملکرد کلی سیستم جلوگیری کند.
• رسانه‌های اجتماعی: مدیریت خرابی‌های موقت در یکپارچه‌سازی با APIهای شخص ثالث، و اطمینان از اینکه پلتفرم رسانه اجتماعی همچنان کار می‌کند. به عنوان مثال: اگر یک پلتفرم رسانه اجتماعی برای نمایش محتوای خارجی به یک API شخص ثالث متکی باشد و آن API دچار قطعی شود، مدارشکن می‌تواند از درخواست‌های مکرر به API جلوگیری کند و داده‌های کش‌شده یا یک پیام پیش‌فرض را به کاربران نمایش دهد و تأثیر خرابی را به حداقل برساند.

مقایسه الگوی مدارشکن و الگوی تلاش مجدد (Retry)

در حالی که هر دو الگوی مدارشکن و تلاش مجدد برای تحمل خطا استفاده می‌شوند، اهداف متفاوتی را دنبال می‌کنند.

• الگوی تلاش مجدد (Retry): به طور خودکار یک عملیات ناموفق را دوباره امتحان می‌کند، با این فرض که خرابی گذرا است و عملیات ممکن است در تلاش بعدی موفق شود. برای مشکلات شبکه‌ای متناوب یا کمبود موقت منابع مفید است. اگر سرویس زیربنایی واقعاً از کار افتاده باشد، می‌تواند مشکلات را تشدید کند.
• الگوی مدارشکن: از تلاش‌های مکرر برای اجرای یک عملیات ناموفق جلوگیری می‌کند، با این فرض که خرابی پایدار است. برای جلوگیری از خرابی‌های زنجیره‌ای و دادن زمان به سرویس خراب برای بازیابی مفید است.

در برخی موارد، این الگوها می‌توانند با هم استفاده شوند. به عنوان مثال، ممکن است یک الگوی تلاش مجدد را در داخل یک مدارشکن پیاده‌سازی کنید. مدارشکن از تلاش‌های مجدد بیش از حد در صورت خرابی مداوم سرویس جلوگیری می‌کند، در حالی که الگوی تلاش مجدد خطاهای گذرا را قبل از فعال شدن مدارشکن مدیریت می‌کند.

ضدالگوهایی که باید از آنها اجتناب کرد

در حالی که مدارشکن یک ابزار قدرتمند است، آگاهی از ضدالگوهای احتمالی مهم است:

• پیکربندی نادرست: تنظیم آستانه شکست یا مدت زمان وقفه به صورت خیلی بالا یا خیلی پایین می‌تواند منجر به باز شدن زودهنگام مدار یا حفاظت ناکافی شود.
• فقدان نظارت: عدم نظارت بر وضعیت مدارشکن می‌تواند شما را از شناسایی و حل مشکلات اساسی باز دارد.
• نادیده گرفتن جایگزین (Fallback): عدم ارائه یک مکانیسم جایگزین می‌تواند منجر به تجربه کاربری ضعیف در هنگام باز بودن مدارشکن شود.
• اتکای بیش از حد: استفاده از مدارشکن به عنوان جایگزینی برای حل مشکلات اساسی قابلیت اطمینان در سرویس‌هایتان. مدارشکن یک محافظ است، نه یک راه‌حل.
• در نظر نگرفتن وابستگی‌های پایین‌دستی: مدارشکن از فراخواننده فوری محافظت می‌کند. اطمینان حاصل کنید که سرویس‌های پایین‌دستی نیز مدارشکن‌های مناسبی برای جلوگیری از انتشار خرابی‌ها دارند.

مفاهیم پیشرفته

• آستانه‌های تطبیقی: تنظیم پویای آستانه شکست بر اساس داده‌های عملکرد تاریخی.
• پنجره‌های غلتان: استفاده از یک پنجره غلتان برای محاسبه نرخ شکست، که نمایش دقیق‌تری از عملکرد اخیر ارائه می‌دهد.
• مدارشکن‌های متنی: ایجاد مدارشکن‌های مختلف برای انواع مختلف درخواست‌ها یا کاربران، که امکان کنترل دقیق‌تری را فراهم می‌کند.
• مدارشکن‌های توزیع‌شده: پیاده‌سازی مدارشکن‌ها در چندین گره در یک سیستم توزیع‌شده، برای اطمینان از اینکه خرابی‌ها جدا و مهار می‌شوند.

نتیجه‌گیری

الگوی مدارشکن یک ابزار ضروری برای ساخت اپلیکیشن‌های تاب‌آور و مقاوم در برابر خطا است، به ویژه در معماری‌های میکروسرویس و سیستم‌های توزیع‌شده. با جلوگیری از خرابی‌های زنجیره‌ای، کاهش تأخیر و فراهم کردن افت کیفیت کنترل‌شده، پایداری اپلیکیشن را افزایش داده و تجربه کاربری را بهبود می‌بخشد. با در نظر گرفتن دقیق جزئیات پیاده‌سازی و اجتناب از ضدالگوهای رایج، می‌توانید به طور مؤثر از الگوی مدارشکن برای ایجاد سیستم‌های نرم‌افزاری مستحکم‌تر و قابل اطمینان‌تر استفاده کنید. کاربرد جهانی آن، آن را به یک ملاحظه حیاتی برای هر اپلیکیشنی که برای یک پایگاه کاربری متنوع و بین‌المللی طراحی شده است، تبدیل می‌کند. درک و پیاده‌سازی الگوی مدارشکن برای شیوه‌های مهندسی نرم‌افزار مدرن حیاتی است. با پرداختن پیشگیرانه به خرابی‌های بالقوه، توسعه‌دهندگان می‌توانند سیستم‌هایی بسازند که برای مقابله با چالش‌های اجتناب‌ناپذیر محاسبات توزیع‌شده مجهزتر هستند.