使用Spring Session实现Spring Boot水平扩展-低调大师

使用Spring Session实现Spring Boot水平扩展

2017-11-30 508

本文使用Spring Session实现了Spring Boot水平扩展，每个Spring Boot应用与其他水平扩展的Spring Boot一样，都能处理用户请求。如果宕机，Nginx会将请求反向代理到其他运行的Spring Boot应用上，如果系统需要增加吞吐量，只需要再启动更多的Spring Boot应用即可。

　　Spring Boot应用通常会部署在多个Web服务器上同时提供服务，这样做有很多好处：

　　单个应用宕机不会停止服务，升级应用可以逐个升级而不必停止服务。

　　提高了应用整体的吞吐量。

　　我们称这种部署方式为水平扩展，前端通过Nginx提供反向代理，会话管理可以通过Spring Session，使用Redis来存放Session。部署Spring Boot应用到任意一台Web服务器上，从而提高了系统可靠性和可伸缩性。

1 水平扩展实现

　　当系统想提升处理能力的时候，通常用两种选择，一种是重置扩展架构，即提升现有系统硬件的处理能力，比如提高CPU频率、使用更好的存储器。另外一种选择是水平扩展架构，即部署系统到更多的服务器上同时提供服务。这两种方式各有利弊，现在通常都优先采用水平扩展架构，这是因为：

重置扩展架构

　　缺点：架构中的硬件提升能力有限，而且硬件能力提升往往需要更多的花销；

　　优点：应用系统不需要做任何改变。

水平扩展

　　优点：成本便宜；

　　缺点：更多的应用导致管理更加复杂。对于Spring Boot 应用，会话管理是一个难点。
Spring Boot 应用水平扩展有两个问题需要解决，一个是将用户的请求派发到水平部署的任意一台Spring Boot应用，通常用一个反向代理服务器来实现，本文将使用Nginx作为反向代理服务器。

　　反向代理（Reverse Proxy）方式是指接收internet上的连接请求，然后将请求转发给内部网络上的服务器，并将从服务器上得到的结果返回给internet上请求连接的客户端，此时代理服务器对外就表现为一个反向代理服务器。

　　正向代理服务器：局域网内通过一个正向代理服务器访问外网。

　　另外一个需要解决的问题是会话管理，单个Spring Boot应用的会话由Tomcat来管理，会话信息与Tomcat存放在一起。如果部署多个Spring Boot应用，对于同一个用户请求，即使请求通过Nginx派发到不同的Web服务器上，也能共享会话信息。有两种方式可以实现。

　　复制会话：Web服务器通常都支持Session复制，一台应用的会话信息改变将立刻复制到其他集群的Web服务器上。

　　集中式会话：所有Web服务器都共享一个会话，会话信息通常存放在一台服务器上，本文使用Redis服务器来存放会话。

　　复制会话的缺点是每次会话改变需要复制到多台Web服务器上，效率较低。因此Spring Boot应用采用第二种方式（集中式会话方式），结构如下图所示。

　　上图是一个大型分布式系统架构，包含了三个独立的子系统。业务子系统一和业务子系统二分别部署在一台Tomcat服务器上，业务子系统三部署在两台Tomcat服务器上，采用水平扩展。

　　架构采用Nginx作为反向代理，其后的各个子系统都采用Spring Session，将会话存放在Redis中，因此，这些子系统虽然是分开部署的，支持水平扩展，但能整合成一个大的系统。Nginx提供统一的入口，对于用户访问，将按照某种策略，比如根据访问路径派发到后面对应的Spring Boot应用中，Spring Boot调用Spring Session取得会话信息，Spring Session并没有从本地存取会话，会话信息存放在Redis服务器上。

2 Nginx的安装和配置

　　Nginx是一款轻量级的Web 服务器/反向代理服务器及电子邮件（IMAP/POP3）、TCP/UDP代理服务器，并在一个BSD-like协议下发行。由俄罗斯的程序设计师Igor Sysoev开发，供俄国大型的入口网站及搜索引擎Rambler使用。其特点是占有内存少，并发能力强，事实上Nginx的并发能力确实在同类型的网页服务器中表现较好，国内使用Nginx的网站有百度、新浪、网易、腾讯等。

2.1 安装Nginx

　　打开Nginx网站（http://nginx.org/ ），进入下载页面，根据自己的操作系统选择下载，以Windows系统为例，下载nginx/Windows-1.11.10版本，直接解压，然后运行Nginx即可。

　　如果是Mac，可以运行：

>brew install nginx

　　Nginx默认会安装在/usr/local/Cellar/nginx/目录下，配置文件在/usr/local/etc/nginx/nginx.conf目录下，日志文件在 /usr/local/var/log/nginx/目录下。

　　以下是Nginx的常用命令：

　　nginx，启动Nginx，默认监听80端口。

　　nginx -s stop，快速停止服务器。

　　nginx -s quit，停止服务器，但要等到请求处理完毕后关闭。

　　nginx -s reload，重新加载配置文件。

　　Nginx启动后，可以访问http://127.0.0.1:80 ，会看到Nginx的欢迎页面，如下图所示。

　　如果80端口访问不了，则可能是因为你下载的版本的原因，Nginx的HTTP端口配置成其他端口，编辑conf/nginx.conf，找到：


server {
  listen       80;
}

　　修改listen参数到80端口即可。

　　Nginx的log目录下提供了三个文件：

　　access.log，记录了用户的请求信息和响应。

　　error.log，记录了Nginx运行的错误日志。

　　nginx.pid，包含了Nginx的进程号。

2.2 配置Nginx

　　Nginx的配置文件conf/nginx.conf下包含多个指令块，我们主要关注http块和location块。

　　http块：可以嵌套多个Server，配置代理、缓存、日志定义等绝大多数功能和第三方模块，如mime-type定义、日志自定义、是否使用sendfile传输文件、连接超时时间、单连接请求数等。

　　location块：配置请求的路由，以及各种页面的处理情况。
由于本文主要是讲水平扩展Spring Boot应用，因此，我们需要在http块中增加upstream指令，内容如下：


http {
  upstream backend {   
    server 127.0.0.1:9000;
    server 127.0.0.1:9001
  }
}

　　backend也可以为任意名字，我们在下面的配置将要引用到：


location / {
    proxy_pass http://backend;  
}

　　location后可以是一个正则表达式，我们这里用“/”表示所有客户端请求都会传给http:// backend，也就是我们配置的backend指令的地址列表。因此，整个http块类似下面的样子：


http {
    include       mime.types;
    default_type  application/octet-stream;
    sendfile        on;
    keepalive_timeout  65;
    upstream backend {   
      server 127.0.0.1:9000;
      server 127.0.0.1:9001;
    }
    server {
        listen       80;
        server_name  localhost;
      
        location / {
             proxy_pass http://backend;  
        }      
    }
}

　　我们在后面将创建一个Spring Boot应用，并分别以9000和9001两个端口启动，然后在Spring Session的基础上一步步来完成Spring Boot应用的水平扩展。

　　注意：Nginx反向代理默认情况下会轮询后台应用，还有一种配置是设置ip_hash，这样，固定客户端总是反向代理到后台的某一个服务器。这种设置方式就不需要使用Spring Session来管理会话，使用Tomcat的会话管理即可。但弊端是如果服务器宕机或者因为维护重启，则会话丢失。ip_hash设置如下：


upstream backend { 
 ip_hash;
 server 127.0.0.1:9000;
 server 127.0.0.1:9001
}

3 Spring Session

3.1 Spring Session介绍

　　在默认情况下，Spring Boot使用Tomcat服务器的Session实现，我们编写一个例子用于测试：


@Controller
public class SpringSessionCrontroller {

    Log log = LogFactory.getLog(SpringSessionCrontroller.class);
    
    @RequestMapping("/putsession.html") 
    public @ResponseBody String putSession(HttpServletRequest request){
        HttpSession session = request.getSession();
        log.info(session.getClass());
        log.info(session.getId());
        String name = "xiandafu";
        session.setAttribute("user", name);
        return "hey,"+name;
    }
}

　　如果访问服务/putsession.html，控制台输出为：


SpringSessionCrontroller       : class     org.apache.catalina.session.StandardSessionFacade
SpringSessionCrontroller       : F567C587EA25CBD5B9A75C62AB51904D

　　可以看到，Session管理是通过Tomcat提供的org.apache.catalina.session.StandardSessionFacade实现的。

　　在配置文件application.properties中添加如下内容：


spring.session.store-type=Redis|JDBC|Hazelcast|none

　　Spring Boot配置很容易切换到不同的Session管理方式，总共有以下几种：

　　Redis，Session数据存放Redis中。

　　JDBC，会话数据存放在数据库中，默认情况下SPRING_SESSION表存放Session基本信息，如sessionId、创建时间、最后一次访问时间等，SPRING_SESSION_ ATTRIBUTES存放了session数据，ATTRIBUTE_NAME列保存了Session的Key，ATTRIBUTE_BYTES列以字节形式保存了Session的Value，Spring Session会自动创建这两张表。

　　Hazelcast，Session数据存放到Hazelcast。

　　None，禁用Spring Session功能。

　　通过配置属性spring.session.store-type来指定Session的存储方式，如：


spring.session.store-type=Redis

　　修改为配置和增加Spring Session依赖后，如果访问服务/putsession.html，控制台输出为：


SpringSessionCrontroller       : class org.springframework.session.web.http.SessionRepositoryFilter$SessionRepositoryRequestWrapper$HttpSessionWrapper

SpringSessionCrontroller       : d4315e92-48e1-4a77-9819-f15df9361e68

　　可以看到，Session已经替换为HttpSessionWrapper实现，这个类负责Spring Boot 的Session存储类型的具体实现。

3.2 使用Redis

　　本将用Redis来保存Session，你需要安装Redis，如未安装，请参考《Spring Boot 2精髓：从构建小系统到架构分布式大系统》中Redis一章，Spring Boot的配置如下：


spring.session.store-type=Redis
spring.redis.host=127.0.0.1
spring.redis.port=6379
spring.redis.password=Redis!123

　　还需要引入对Redis的依赖：


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

　　再次访问/putsession.html后，我们通过Redis客户端工具访问Redis，比如使用redis-cli，输入如下命令：


 keys spring:session:*

　　查询所有“spring:session:”开头的keys，输出如下：

3) "spring:session:sessions:expires:863c7e73-8249-4780-a08e-0ff2bdddda86"
...
7) "spring:session:sessions:863c7e73-8249-4780-a08e-0ff2bdddda86"

　　会话信息存放在“spring:session:sessions:”开头的Key中，863c7e73-8249-4780-a08e-0ff2bdddda86代表一个会话id，“spring:session:sessions”是一个Hash数据结构，可以用Redis HASH相关的命令来查看这个用户会话的数据，使用hgetall查看会话所有的信息：


>hgetall "spring:session:sessions:863c7e73-8249-4780-a08e-0ff2bdddda86"
1) "sessionAttr:user"
2) "maxInactiveInterval"
.......

　　使用以下命令来查看该Session的user信息：


>HMGET "spring:session:sessions:863c7e73-8249-4780-a08e-0ff2bdddda86"     sessionAttr:user

　　sessionAttr:user是Spring Session存入Redis的Key值，sessionAttr:是其前缀，user是我们在Spring Boot中设置会话的Key。其他Spring Boot默认创建的Key还有：

　　creationTime，创建时间。

　　maxInactiveInterval，指定过期时间（秒）。

　　lastAccessedTime，上次访问时间。

　　sessionAttr，以“sessionAttr:”为前缀的会话信息，比如sessionAttr: user。

　　因此，Spring Session使用Redis保存的会话将采用如下的Redis操作，类似如下：


>HMSET spring:session:sessions:863c7e73-8249-4780-a08e-0ff2bdddda86 creationTime 1404360000000 maxInactiveInterval 1800 lastAccessedTime 1404360000000 sessionAttr:attrName someAttrValue sessionAttr:attrName2 someAttrValue2

　　注意：Spring Session的Redis实现并不是每次通过Session类获取会话信息或者保存的时候都会调用Redis操作，它会先尝试从内部的HashMap读取值，如果没有，才调用Redis的HMGET操作。同样，当保存会话的时候，也没有立即调用Redis操作，而是先保存到HashMap中，等待服务请求结束后再将变化的值使用HMSET更新。如果你想在保存会话操作后立即更新到Redis中，需要配置成IMMEDIATE模式，修改配置属性：

　　spring.session.redis.flushMode=IMMEDIATE

　　我们注意到，还有另外一个Redis Key是“spring:session:sessions:expires:863c7e73-8249-4780- a08e-0ff2bdddda86”，这是因为Redis会话过期并没有直接使用在session:sessions:key变量上，而是专门用在session:sessions:expires:key上，当此Key过期后，会自动清除对应的会话信息。使用ttl查看会话过期时间：


>ttl spring:session:sessions:expires:863c7e73-8249-4780-a08e-0ff2bdddda86
(integer) 1469

　　默认是1800秒，即30分钟，现在只剩下1469秒。

3.3 Nginx+Redis

　　在前文中，我们已经配置了：


upstream backend {   
  server 127.0.0.1:9000;
  server 127.0.0.1:9001
}

　　假设在本机上部署了两个Spring Boot应用，使用端口分别是9000和9001。进入工程目录，运行mvn package，我们看到ch15.springsessiontarget目录下生成了ch17.springsession-0.0.1- SNAPSHOT.jar。然后进入命令行，进入target目录，启动这个Spring Boot应用：


java -jar target/ch15.springsession-0.0.1-SNAPSHOT.jar  --server.port=9000

打开另外一个命令窗口，进入工程目录，运行：


java -jar target/ch15.springsession-0.0.1-SNAPSHOT.jar  --server.port=9001

　　这时候，我们就有两台Spring Boot应用。接下来，我们访问以下地址，并刷新多次：


http://127.0.0.1/putsession.html

　　这时候就看到两个Spring Boot应用均有日志输出，比如9000端口的应用控制台输出如下：


class org.springframework.session.web.http.SessionRepositoryFilter....
863c7e73-8249-4780-a08e-0ff2bdddda86

　　9001端口的Spring Boot应用也有类似输出：


class org.springframework.session.web.http.SessionRepositoryFilter....
863c7e73-8249-4780-a08e-0ff2bdddda86

　　我们看到，两个Spring Boot应用都具有相同的sessionId，如果停掉任意一台应用，系统还有另外一台服务器提供服务，会话信息保存在Redis中。

　　以上内容节选自《Spring Boot2精髓：从构建小系统到架构分布式大系统》，点此链接可在博文视点官网查看此书。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
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2017-12-01

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