SpringBoot编程基础教程：微服务架构入门

发布于：2023-10-25 ⋅ 阅读:(91) ⋅ 点赞:(0)

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.背景介绍

Spring Boot作为一个全新的Java开发框架，它提供了快速构建单个、微服务架构或者云native应用的能力。微服务架构是一个非常流行的架构模式，在开发中被广泛采用。但是，在实际开发过程中，我们面临很多技术上的挑战。比如配置管理、服务治理、服务发现、断路器、分布式跟踪等问题。如果想要利用Spring Boot快速搭建微服务架构应用，并能够解决这些技术难题，那么本文就是为您准备的！

2.核心概念与联系

2.1 Spring Boot概述

Spring Boot 是由Pivotal团队提供的全新框架，其设计目的是用来简化新Spring应用的初始设置以及开发过程。该项目是一个全新的开源框架，其设计理念是通过关注点分离（IoC）和依赖项注入（DI）来简化应用程序上下文的配置。Spring Boot 不是一个独立的产品，而是一个Spring 框架的集合体，所以需要结合其他模块来运行。

2.2 Spring Boot优点

（1）创建独立部署单元

Spring Boot将应用打包成可执行jar或war文件，无需容器就可以直接启动，并且可以独立部署到生产环境。

（2）内嵌Servlet容器

Spring Boot不需要额外的Web服务器，内置Tomcat或Jetty之类的Servlet容器，因此可以快速运行应用，无需考虑Servlet容器的问题。

（3）极速开发能力

Spring Boot可以自动配置一些常用功能，如数据源、事务管理、Spring Security、模板引擎、缓存等，开发者只需要关心自己的业务逻辑即可。

（4）响应式设计

Spring Boot采用了响应式设计理念，可以让应用随着环境变化自动调整，适应不同平台。

（5）生产就绪特性

Spring Boot可以通过Actuator监控应用运行状态，并提供健康检查，帮助定位生产中的问题。

（6）开箱即用的starter组件

Spring Boot对许多常用第三方库提供了starter组件，开发者只需引入相应的组件依赖即可快速集成相关功能。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

3.1 服务注册与发现

Spring Cloud Netflix Eureka是构建微服务架构中最知名的服务注册中心组件，其具有以下特点：

  1. 服务注册: 当Eureka server启动后会向其它节点注册自身，并且保持心跳不断保持与其它节点同步；
  2. 服务发现: 用户服务调用方可以根据服务名称或负载均衡策略访问对应的服务节点，不需要知道每个服务节点的地址信息；
  3. 高可用性: 任何时候都能保证服务可用，在出现故障时立即进行切换。

3.2 服务网关Zuul

Spring Cloud Netflix Zuul是一个基于JVM路由和服务端请求过滤器的边缘服务网关。Zuul 提供了一种简单且有效的方式来网关所有服务的请求，它作为一个七层代理服务器，由Amazon开发并开源。Zuul 将请求路由到后端的服务上，从而实现服务的聚合和过滤。

  1. 请求路由: 可以将请求路由到后端集群中的具体服务节点上，包括简单 URL 的路由规则和正则表达式的动态路由；
  2. 熔断机制: 当后端服务发生故障时，Zuul 会停止向该服务节点发送请求，避免请求积压造成整个系统的瘫痪；
  3. 限流: 通过对服务节点的调用频率进行限制，防止因某个节点超负荷导致整体服务的不可用。

3.3 分布式配置中心Config Server

Spring Cloud Config是一个分布式系统的外部配置管理工具，支持集中存储配置文件，将配置管理从应用中剥离出来。它具备以下特征：

  1. 配置集中化: 配置文件统一保存于一个中心仓库，各个节点可以根据配置中心上的最新配置实时更新本地配置，实现配置的集中管理；
  2. 推送通知: 配置文件在修改时，Config Server 会实时将变更的内容推送到各个节点，实现配置的动态刷新；
  3. 客户端获取配置: 各个节点可以根据自己的应用需求从Config Server上拉取最新配置。

3.4 服务追踪Sleuth + Zipkin

Spring Cloud Sleuth是Spring Cloud生态系统中的一个轻量级分布式链路跟踪系统。它能够将客户端发送过来的HTTP请求信息收集起来，然后按照一定的规则进行去重、路由、采样等处理，最终生成一个有用的Trace信息，提供给开发者分析系统瓶颈或故障的原因。

Zipkin 是一款开源的分布式跟踪系统，它提供了一个 Web UI 来查看收集到的跟踪信息。当系统中的某个服务出错时，可以直观地看到各服务间的调用关系、延迟情况等，并且可以快速定位到产生错误的地方。

  1. 监控和日志聚合: Sleuth可以在服务之间加入分布式的日志记录框架（例如logback）来实现日志的聚合，并且把收集到的日志信息以HTTP的方式发送到Zipkin，用于监控和分析；
  2. 显示调用链: Sleuth可以自动收集系统调用的信息，并生成一个调用链路图，帮助开发者定位问题；
  3. 客户端埋点: Sleuth还提供了一个注解方式的客户端埋点API，方便用户自定义埋点信息，用于统计各个接口的调用次数、响应时间、错误次数等。

4.具体代码实例和详细解释说明

我将用Spring Boot搭建一个简单的微服务架构应用。这个架构中包含如下几个模块：

  • discovery：服务注册与发现模块，基于Netflix Eureka实现
  • gateway：服务网关模块，基于Netflix Zuul实现
  • config：配置中心模块，基于Spring Cloud Config实现
  • serviceA：服务A模块，作为演示微服务，包含了REST API接口
  • serviceB：服务B模块，作为演示微服务，包含了REST API接口
  • zipkin：分布式链路跟踪模块，基于Spring Cloud Sleuth + Zipkin实现

首先创建一个Maven项目，并添加如下依赖：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>

<!-- 添加eureka server的依赖 -->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-netflix-eureka-server</artifactId>
</dependency>

<!-- 添加zuul的依赖 -->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-netflix-zuul</artifactId>
</dependency>

<!-- 添加config server的依赖 -->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-config-server</artifactId>
</dependency>

<!-- 添加sleuth的依赖 -->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-sleuth</artifactId>
</dependency>

<!-- 添加zipkin的依赖 -->
<dependency>
    <groupId>io.zipkin.java</groupId>
    <artifactId>zipkin-server</artifactId>
    <version>${zipkin.version}</version>
</dependency>

接下来，我们定义服务注册与发现的配置，配置中心的配置，服务网关的配置，三个模块之间的调用关系，以及端口的映射。

Discovery Server

创建DiscoveryServerApplication，内容如下：

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.cloud.netflix.eureka.server.EnableEurekaServer;

@SpringBootApplication
@EnableEurekaServer
public class DiscoveryServerApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DiscoveryServerApplication.class, args);
    }
}

配置清单文件，增加以下配置：

spring:
  application:
    name: eureka-server # 服务名
  profiles:
    active: dev   # 指定当前使用的profile
---
spring:
  profiles: dev    # profile dev的配置
  cloud:
    config:
      server:
        git:
          uri: https://github.com/username/discovery-server-configs.git # 配置仓库的URI
          search-paths: ${spring.application.name}                                  # 配置文件的路径
          username: xxx                                                         # Git用户名
          password: yyy                                                         # Git密码

这里注意一下Git配置，因为我们用到了配置文件，所以要用到配置中心，配置中心可以配置远程Git仓库，这样我们的配置就可以推送到远程仓库，而不需要自己管理。

Gateway Server

创建GatewayServerApplication，内容如下：

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.cloud.netflix.zuul.EnableZuulProxy;

@SpringBootApplication
@EnableZuulProxy
public class GatewayServerApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(GatewayServerApplication.class, args);
    }
}

配置清单文件，增加以下配置：

spring:
  application:
    name: zuul-gateway # 服务名
  profiles:
    active: prod      # 指定当前使用的profile
---
spring:
  profiles: prod     # profile prod的配置
  cloud:
    config:
      label: master   # 使用master分支的配置
      name: zuul-gateway-service  # 配置文件名
      profile: prod                 # 使用prod环境的配置
      uri: http://localhost:8888    # config server的URL

Configuration Server

创建ConfigurationServerApplication，内容如下：

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.cloud.config.server.EnableConfigServer;

@SpringBootApplication
@EnableConfigServer
public class ConfigurationServerApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(ConfigurationServerApplication.class, args);
    }
}

配置清单文件，增加以下配置：

spring:
  application:
    name: configuration-server # 服务名
  profiles:
    active: dev               # 指定当前使用的profile
---
spring:
  profiles: dev              # profile dev的配置
  cloud:
    config:
      server:
        git:
          uri: https://github.com/username/configuration-server-configs.git # 配置仓库的URI
          search-paths: ${spring.application.name}                                       # 配置文件的路径
          username: xxx                                                            # Git用户名
          password: yyy                                                            # Git密码

注意：在配置仓库中，需要创建如下两个配置文件：

  • bootstrap.yml：是启动配置，主要用于指定应用的一些属性，例如端口号，日志级别等；
  • application-{label}.yml：配置中心中的配置文件，主要用于配置微服务相关的参数，例如数据库连接信息、Redis配置等。

Service A

创建ServiceA，内容如下：

import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

@SpringBootApplication
@RestController
public class ServiceA {

    @Value("${welcome.message}")
    private String welcomeMessage;

    @GetMapping("/")
    public String home() {
        return "Hello from " + getClass().getSimpleName() + ", message is " + welcomeMessage;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(ServiceA.class, args);
    }
}

配置清单文件，增加以下配置：

spring:
  application:
    name: service-a # 服务名
  profiles:
    active: prod     # 指定当前使用的profile
---
spring:
  profiles: prod    # profile prod的配置
  datasource:
    url: jdbc:mysql://localhost:3306/db_service_a?useUnicode=true&characterEncoding=utf8&autoReconnect=true&failOverReadOnly=false
    username: root
    password: ******

management:
  endpoints:
    web:
      exposure:
        include: "*"
  endpoint:
    health:
      show-details: always

eureka:
  client:
    serviceUrl:
      defaultZone: http://localhost:8761/eureka/

feign:
  hystrix:
    enabled: true

hystrix:
  command:
    default:
      execution:
        isolation:
          thread:
            timeoutInMilliseconds: 10000

ribbon:
  ReadTimeout: 5000
  ConnectTimeout: 5000

service-b:
  host: localhost
  port: 9000
  path: /api

welcome:
  message: Welcome to Service A!

这里配置了连接数据库的URL、用户名和密码等参数，还启用了Hystrix熔断机制，ribbon负载均衡超时时间等参数。

为了能够调用Service B的服务，我们在配置文件中增加了service-b的相关配置。

Service B

创建ServiceB，内容如下：

import feign.FeignClient;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.cloud.client.loadbalancer.LoadBalanced;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestParam;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import org.springframework.web.client.RestTemplate;

@SpringBootApplication
@RestController
@FeignClient("service-b") // 标注service b为feign客户端
public class ServiceB {

    @Autowired
    RestTemplate restTemplate;

    @LoadBalanced
    @Bean
    public RestTemplate getRestTemplate() {
        return new RestTemplate();
    }

    @GetMapping("/hello")
    public String hello(@RequestParam(value="name", defaultValue="world") String name) {
        return this.restTemplate.getForObject("http://" + serviceBHost + ":" + serviceBPort + "/api/" + name, String.class);
    }

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(ServiceB.class, args);
    }
}

配置清单文件，增加以下配置：

spring:
  application:
    name: service-b # 服务名
  profiles:
    active: prod    # 指定当前使用的profile

eureka:
  client:
    serviceUrl:
      defaultZone: http://localhost:8761/eureka/

service-a:
  welcome-message: Hello World!

server:
  servlet:
    contextPath: /api

为了能够调用Service A的服务，我们在配置文件中增加了service-a的相关配置。

Zipkin

创建ZipkinServer，内容如下：

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import zipkin.server.internal.EnableZipkinServer;

@SpringBootApplication
@EnableZipkinServer
public class ZipkinServerApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(ZipkinServerApplication.class, args);
    }
}

配置清单文件，增加以下配置：

server:
  port: 9411 # Zipkin的端口号
spring:
  application:
    name: zipkin-server

至此，我们完成了微服务架构的搭建工作，下面我们运行这几个模块，验证是否能够正常运行。

先启动Discovery Server，打开浏览器访问：http://localhost:8761 ，进入服务注册页面，确认没有出现异常。

再启动Configuration Server，打开浏览器访问：http://localhost:8888 ，进入配置中心页面，确认没有出现异常。

启动Config Client，配置完毕后启动Service A和Service B。

最后启动Zipkin，访问：http://localhost:9411 ，进入Zipkin页面，点击Find traces按钮，可以看到调用链路信息。

5.未来发展趋势与挑战

微服务架构确实给我们的开发提供了极大的便利。它的最大的好处之一是可以解决业务系统的复杂性，将系统拆分为不同的小型服务，每一个服务的职责单一且易于理解。但是，也存在一些短板，比如服务间通讯的效率低，服务的容量受限于单个服务器等问题。目前主流的微服务框架都已经成熟，正在逐步往分布式架构方向发展。在未来，微服务架构会成为越来越重要的架构形态，我们应该全力以赴把握它。

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