22、Spring Cloud Stream:构建消息驱动微服务的利器

Spring Cloud Stream:构建消息驱动微服务的利器

在当今的软件开发领域,消息驱动的微服务架构正变得越来越流行。Spring Cloud Stream 作为一个轻量级的消息驱动微服务框架,为开发者提供了便捷的方式来创建企业级的消息和集成解决方案。本文将深入介绍 Spring Cloud Stream 的相关概念、编程模型,并通过一个 ToDo 应用示例来展示其具体使用方法。

1. Spring Cloud 简介

Spring Cloud 是一组工具,允许开发者创建使用分布式系统中所有常见模式的应用程序,包括配置管理、服务发现、断路器、智能路由、微代理、控制总线、全局锁、分布式会话、服务间调用、分布式消息传递等。基于 Spring Cloud,有多个项目,如 Spring Cloud Config、Spring Cloud Netflix、Spring Cloud Bus、Spring Cloud for Cloud Foundry、Spring Cloud Cluster、Spring Cloud Stream 和 Spring Cloud Stream App Starters。

如果使用 Maven,可在 pom.xml 文件中添加以下依赖管理和具体依赖:

<dependencyManagement>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
            <artifactId>spring-cloud-dependencies</artifactId>
            <version>Finchley.SR1</version>
            <type>pom</type>
            <scope>import</scope>
        </dependency>
    </dependencies>
</dependencyManagement>
<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
        <artifactId>spring-cloud-starter-stream-rabbit</artifactId>
    </dependency>
    <!-- MORE Technologies here -->
</dependencies>

如果使用 Gradle,可在 build.gradle 文件中添加以下内容:

ext {
    springCloudVersion = 'Finchley.SR1'
}
dependencyManagement {
    imports {
        mavenBom "org.springframework.cloud:spring-cloud-dependencies:${springCloudVersion}"
    }
}
dependencies {
    // ...
    compile ('org.springframework.cloud:spring-cloud-starter-stream-rabbit')
    // ...
}
2. Spring Cloud Stream 概述

Spring Cloud Stream 是基于 Spring Integration 和 Spring Boot 的轻量级消息驱动微服务框架,提供了简单的声明式模型,可使用 RabbitMQ 或 Apache Kafka 发送和接收消息。其重要特性之一是通过创建绑定来解耦生产者和消费者之间的消息传递,开发者无需为生产或消费消息添加任何特定于代理的代码。

3. Spring Cloud Stream 主要概念

Spring Cloud Stream 的主要组件如下:
- 应用模型 :应用模型是一个中立于中间件的核心,应用通过输入和输出通道,借助绑定器实现与外部代理进行通信,以此作为传输消息的方式。
- 绑定器抽象 :Spring Cloud Stream 提供了 Kafka 和 RabbitMQ 绑定器实现,该抽象使 Spring Cloud Stream 应用能够连接到中间件。它可以在运行时根据通道动态选择目标,通常需要在 application.properties 文件中通过 spring.cloud.stream.bindings.[input|ouput].destination 属性来提供相关信息。
- 持久发布/订阅 :应用通信采用知名的发布/订阅模型。若使用 Kafka,将遵循其自身的主题/订阅者模型;若使用 RabbitMQ,则会为每个队列创建一个主题交换器和必要的绑定。此模型降低了生产者和消费者的复杂性。
- 消费者组 :为了实现消费者的可扩展性,引入了消费者组的概念(类似于 Kafka 消费者组功能)。在一个组中可以有多个消费者,以实现负载均衡,便于进行扩展设置。
- 分区支持 :Spring Cloud Stream 支持数据分区,允许多个生产者将数据发送到多个消费者,并确保相同的数据由相同的消费者实例处理,这有利于提高数据的性能和一致性。
- 绑定器 API :Spring Cloud Stream 提供了一个 API 接口——绑定器 SPI(服务提供者接口),开发者可以通过修改原始代码来扩展核心功能,从而轻松实现特定的绑定器,如 JMS、WebSockets 等。

4. Spring Cloud Stream 编程

创建一个 Spring Cloud Stream 应用需要以下步骤:
1. 添加依赖管理 :添加包含最新 Spring Cloud 库依赖的 <dependencyManagement/> 标签。
2. 选择绑定器 :选择所需的绑定器类型,如 Kafka 或 RabbitMQ。
- Kafka 绑定器 :若使用 Maven,在 pom.xml 文件中添加以下依赖:

<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-stream-kafka</artifactId>
</dependency>

若使用 Gradle,在 build.gradle 文件中添加以下依赖:

compile('org.springframework.cloud:spring-cloud-starter-stream-kafka')
- **RabbitMQ 绑定器**:若使用 Maven,在 `pom.xml` 文件中添加以下依赖:
<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-stream-rabbit</artifactId>
</dependency>

若使用 Gradle,在 build.gradle 文件中添加以下依赖:

compile('org.springframework.cloud:spring-cloud-starter-stream-rabbit')
  1. 确保中间件运行 :确保 Kafka 或 RabbitMQ 正常运行,也可以同时使用两者,并在 application.properties 文件中进行配置。
  2. 启用绑定 :添加 @EnableBinding 注解将应用转换为 Spring Cloud Stream 应用。

Spring Cloud Stream 使用通道(输入/输出)作为发送和接收消息的机制,定义了 @Input @Output 两个注解来标识消费者和生产者。同时,为了简化开发,还提供了三个接口: Source Processor Sink
- Source :用于从外部系统摄取数据,并通过输出通道发送数据。其接口定义如下:

public interface Source {
    String OUTPUT = "output";
    @Output(Source.OUTPUT)
    MessageChannel output();
}
  • Processor :用于监听输入通道的新消息,对消息进行处理(如增强、转换等),并将新消息发送到输出通道。其接口定义如下:
public interface Processor extends Source, Sink {
}
  • Sink :用于监听输入通道的新消息,进行处理并结束流程(如保存数据、触发任务、记录到控制台等)。其接口定义如下:
public interface Sink {
    String INPUT = "input";
    @Input(Sink.INPUT)
    SubscribableChannel input();
}
5. ToDo 应用示例

下面通过一个 ToDo 应用示例来展示如何使用 Spring Cloud Stream。

5.1 创建项目

可以从 Spring Initializr 开始创建项目,添加以下信息:
- Group: com.apress.todo
- Artifact: todo-cloud
- Name: todo-cloud
- Package Name: com.apress.todo
- Dependencies: Cloud Stream, Lombok

选择项目类型(Maven 或 Gradle),点击生成项目按钮,下载 ZIP 文件,解压后导入到 IDE 中。

5.2 Source 实现

创建 ToDoSource 类,代码如下:

package com.apress.todo.cloud;
import com.apress.todo.domain.ToDo;
import org.springframework.cloud.stream.annotation.EnableBinding;
import org.springframework.cloud.stream.messaging.Source;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.integration.annotation.InboundChannelAdapter;
import org.springframework.integration.core.MessageSource;
import org.springframework.messaging.support.MessageBuilder;

@EnableBinding(Source.class)
public class ToDoSource {
    @Bean
    @InboundChannelAdapter(channel=Source.OUTPUT)
    public MessageSource<ToDo> simpleToDo(){
        return () -> MessageBuilder
               .withPayload(new ToDo("Test Spring Cloud Stream"))
               .build();
    }
}

在运行该示例前,需要确保添加了 RabbitMQ 绑定器依赖:

<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-stream-rabbit</artifactId>
</dependency>

或在 Gradle 中添加:

compile('org.springframework.cloud:spring-cloud-starter-stream-rabbit')

确保 RabbitMQ 正常运行,然后运行示例。接下来可以通过以下步骤查看消息:
1. 打开浏览器,访问 http://localhost:15672 ,使用用户名 guest 和密码 guest 登录 RabbitMQ 管理界面。
2. 点击 Exchanges 标签,会看到创建了一个 output 主题交换器,消息速率为 1.0/s。
3. 点击 Queues 标签,创建一个名为 my-queue 的新队列。
4. 点击 my-queue ,进入 Bindings 部分,添加绑定。在 From Exchange 字段中填写 output Routing Key 字段填写 #
5. 绑定完成后,打开 Overview 面板,会看到有多个消息。
6. 打开 Get Messages 面板,查看消息内容。

若消息中的日期格式过于详细,可添加以下依赖来简化:

<dependency>
    <groupId>com.fasterxml.jackson.datatype</groupId>
    <artifactId>jackson-datatype-jsr310</artifactId>
</dependency>

或在 Gradle 中添加:

compile('com.fasterxml.jackson.datatype:jackson-datatype-jsr310')

重新运行应用,会看到简化后的日期格式。

5.3 Processor 实现

创建 ToDoProcessor 类,代码如下:

package com.apress.todo.cloud;
import com.apress.todo.domain.ToDo;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.cloud.stream.annotation.EnableBinding;
import org.springframework.cloud.stream.annotation.StreamListener;
import org.springframework.cloud.stream.messaging.Processor;
import org.springframework.messaging.handler.annotation.SendTo;
import java.time.LocalDateTime;

@EnableBinding(Processor.class)
public class ToDoProcessor {
    private Logger log = LoggerFactory.getLogger(ToDoProcessor.class);
    @StreamListener(Processor.INPUT)
    @SendTo(Processor.OUTPUT)
    public ToDo transformToUpperCase(ToDo message) {
        log.info("Processing >>> {}", message);
        ToDo result = message;
        result.setDescription(message.getDescription().toUpperCase());
        result.setCompleted(true);
        result.setModified(LocalDateTime.now());
        log.info("Message Processed >>> {}", result);
        return result;
    }
}

在运行该示例前,需要注释掉 ToDoSource 类中的 @EnableBinding 注解,并删除 output 交换器和 my-queue 队列。运行示例后,通过以下步骤查看消息处理情况:
1. 打开浏览器,访问 http://localhost:15672 ,使用用户名 guest 和密码 guest 登录 RabbitMQ 管理界面。
2. 点击 Exchanges 标签,会看到 output 交换器和一个新的 input 交换器。
3. 点击 Queues 标签,会看到一个名为 input.anonymous 加随机文本的新队列。
4. 创建一个名为 my-queue 的队列,并将其绑定到 output 交换器,路由键为 #
5. 点击 Exchanges 标签,选择 input 交换器,点击 Publish Message 面板。
6. 在 Payload 字段中输入以下内容:

{"id":"37be2854-91b7-4007-bf3a-d75c805d3a0a","description": "Test Spring Cloud Stream","created":"2018-09-02T21:12:12.415", "modified":"2018-09-02T21:12:12.416","completed":false}

Properties 字段中输入 content-type=application/json ,点击 Publish Message 按钮。
7. 查看应用日志,会看到消息处理的输出。查看 my-queue 队列中的消息,会看到处理后的结果。

为了实现程序发送消息,创建 ToDoSender 类,代码如下:

package com.apress.todo.sender;
import com.apress.todo.domain.ToDo;
import org.springframework.boot.ApplicationRunner;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.messaging.MessageChannel;
import org.springframework.messaging.support.MessageBuilder;

@Configuration
public class ToDoSender {
    @Bean
    public ApplicationRunner send(MessageChannel input){
        return args -> {
            input
                   .send(MessageBuilder
                   .withPayload(new ToDo("Read a Book"))
                   .build());
        };
    }
}

运行该应用后,日志和 my-queue 队列中会出现描述为大写且已完成的 ToDo 消息。

通过以上示例,我们可以看到 Spring Cloud Stream 为开发者提供了便捷的方式来创建消息驱动的微服务应用。它通过抽象和简化消息传递的细节,使开发者能够专注于业务逻辑的实现。

Spring Cloud Stream:构建消息驱动微服务的利器

6. 总结与展望

Spring Cloud Stream 作为一个轻量级的消息驱动微服务框架,凭借其基于 Spring Integration 和 Spring Boot 的特性,为开发者带来了诸多便利。它不仅提供了简单的声明式模型来进行消息的发送和接收,还通过一系列核心概念和组件,如应用模型、绑定器抽象、持久发布/订阅、消费者组、分区支持和绑定器 API 等,实现了生产者和消费者之间消息传递的解耦,降低了开发的复杂性。

在实际应用中,通过 ToDo 应用示例,我们详细展示了如何使用 Spring Cloud Stream 创建 Source、Processor 和 Sink 类型的应用。从创建项目开始,逐步实现各个组件的功能,并通过 RabbitMQ 进行消息的发送和接收,整个过程清晰明了。同时,我们还介绍了如何处理消息中的日期格式、如何通过 RabbitMQ 管理界面查看消息以及如何使用程序发送消息等实用技巧。

为了更清晰地展示 Spring Cloud Stream 的工作流程,以下是一个 mermaid 格式的流程图:

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(外部系统):::process -->|数据摄取| B(Source):::process
    B -->|消息发送| C(RabbitMQ 或 Kafka):::process
    C -->|消息接收| D(Processor):::process
    D -->|消息处理| E(消息转换):::process
    E -->|新消息发送| C
    C -->|消息接收| F(Sink):::process
    F -->|消息处理结束| G(保存数据/触发任务等):::process

该流程图展示了 Spring Cloud Stream 应用中数据从外部系统流入,经过 Source 发送到消息中间件(RabbitMQ 或 Kafka),再由 Processor 进行处理,最后到达 Sink 完成消息处理的整个过程。

未来,随着微服务架构的不断发展和普及,Spring Cloud Stream 有望在更多的场景中得到应用。例如,在分布式系统中实现服务间的异步通信、在大数据处理中进行数据的实时传输和处理等。同时,随着技术的不断进步,Spring Cloud Stream 也可能会不断完善和扩展其功能,提供更多的绑定器支持、更强大的消息处理能力以及更友好的开发体验。

7. 常见问题解答

在使用 Spring Cloud Stream 过程中,开发者可能会遇到一些常见问题,以下是一些解答:
| 问题 | 解答 |
| — | — |
| 如何选择合适的绑定器? | 根据具体的业务需求和使用场景来选择。如果对消息的顺序性和持久性要求较高,Kafka 是一个不错的选择;如果更注重简单性和易用性,RabbitMQ 可能更合适。同时,也可以根据现有的技术栈和团队的熟悉程度来决定。 |
| 消费者组是如何工作的? | 消费者组类似于 Kafka 消费者组功能,在一个组中可以有多个消费者。当消息被发送到消息中间件时,组内的消费者会根据负载均衡的策略来消费消息,确保每个消息只被组内的一个消费者处理。这样可以提高系统的并发处理能力和可扩展性。 |
| 如何处理消息的序列化和反序列化? | Spring Cloud Stream 支持多种消息序列化和反序列化方式,默认情况下使用 JSON 格式。如果需要自定义序列化和反序列化方式,可以通过配置消息转换器来实现。例如,可以使用 Jackson 等工具来进行自定义配置。 |
| 如何确保消息的可靠性? | 可以通过配置消息中间件的持久化机制、使用事务消息、设置重试机制等方式来确保消息的可靠性。例如,在 RabbitMQ 中可以设置消息的持久化属性,确保消息在服务器重启时不会丢失;在处理消息时,可以使用事务来保证消息处理的原子性;对于处理失败的消息,可以设置重试机制,多次尝试处理。 |

8. 最佳实践建议

为了更好地使用 Spring Cloud Stream,以下是一些最佳实践建议:
- 合理选择绑定器 :根据业务需求和场景,仔细评估 Kafka 和 RabbitMQ 的优缺点,选择最适合的绑定器。例如,如果需要处理大量的实时数据,Kafka 的高性能和高吞吐量可能更合适;如果对消息的实时性要求不高,且需要简单的配置和管理,RabbitMQ 可能是更好的选择。
- 使用消费者组 :在需要进行水平扩展的场景中,合理使用消费者组来实现负载均衡。确保每个消费者组中的消费者数量根据系统的负载情况进行调整,避免出现消费者过载或空闲的情况。
- 优化消息处理逻辑 :在 Processor 中,尽量减少消息处理的时间,避免出现阻塞情况。可以采用异步处理、多线程等方式来提高消息处理的效率。同时,对消息进行合理的验证和过滤,避免无效消息的处理。
- 配置监控和日志 :为了及时发现和解决问题,建议配置监控和日志系统。可以使用 Spring Boot Actuator 来监控应用的运行状态,如消息的发送和接收速率、消费者的处理情况等。同时,记录详细的日志信息,方便进行问题排查和分析。

9. 相关资源推荐

如果你想深入学习 Spring Cloud Stream,可以参考以下资源:
- 官方文档 :Spring Cloud Stream 的官方文档是最权威和详细的学习资源,其中包含了框架的详细介绍、使用指南、API 文档等内容。可以通过官方网站获取最新的文档信息。
- 开源项目 :在 GitHub 等开源平台上,有许多使用 Spring Cloud Stream 的开源项目。可以通过学习这些项目的代码和实现思路,加深对 Spring Cloud Stream 的理解和应用。
- 在线课程 :一些在线学习平台上提供了关于 Spring Cloud Stream 的课程,这些课程通常由经验丰富的讲师授课,通过视频讲解、案例分析等方式,帮助学员快速掌握 Spring Cloud Stream 的使用方法。

通过以上内容,我们对 Spring Cloud Stream 有了更深入的了解。它为开发者提供了一个强大而便捷的工具,帮助我们构建高效、可靠的消息驱动微服务应用。在实际开发中,我们可以根据具体的需求和场景,灵活运用 Spring Cloud Stream 的各种功能,实现业务的快速迭代和发展。

内容概要:本文介绍了一个基于Matlab的综合能源系统优化调度仿真资源,重点实现了含光热电站、有机朗肯循环(ORC)和电含光热电站、有机有机朗肯循环、P2G的综合能源优化调度(Matlab代码实现)转气(P2G)技术的冷、热、电多能互补系统的优化调度模型。该模型充分考虑多种能源形式的协同转换与利用,通过Matlab代码构建系统架构、设定约束条件并求解优化目标,旨在提升综合能源系统的运行效率与经济性,同时兼顾灵活性供需不确定性下的储能优化配置问题。文中还提到了相关仿真技术支持,如YALMIP工具包的应用,适用于复杂能源系统的建模与求解。; 适合人群:具备一定Matlab编程基础和能源系统背景知识的科研人员、研究生及工程技术人员,尤其适合从事综合能源系统、可再生能源利用、电力系统优化等方向的研究者。; 使用场景及目标:①研究含光热、ORC和P2G的多能系统协调调度机制;②开展考虑不确定性的储能优化配置与经济调度仿真;③学习Matlab在能源系统优化中的建模与求解方法,复现高水平论文(如EI期刊)中的算法案例。; 阅读建议:建议读者结合文档提供的网盘资源,下载完整代码和案例文件,按照目录顺序逐步学习,重点关注模型构建逻辑、约束设置与求解器调用方式,并通过修改参数进行仿真实验,加深对综合能源系统优化调度的理解。
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