如何使用消息队列，Spring Boot和Kubernetes扩展微服务-优快云博客

本文通过一个详细的购物例子，展示了如何利用消息队列，Spring Boot和Kubernetes进行微服务的开发，并阐述了针对微服务的伸缩，监控等方式，帮助用户快速利用这些工具开发健壮的系统。

当你设计和构建大规模应用时，你将面临两个重大挑战：可伸缩性和健壮性。

你应该这样设计你的服务，即使它受到间歇性的重负载，它仍能可靠地运行。

以Apple Store为例。

每年都有数百万的Apple客户预先注册购买新的iPhone。

这是数百万人同时购买物品。

如果你要将Apple商店的流量描述为每秒的请求数量，那么它可能是下图的样子：

现在想象一下，你的任务是构建这样的应用程序。

你正在建立一个商店，用户可以在那里购买自己喜欢的商品。

你构建一个微服务来呈现网页并提供静态资产。你还构建了一个后端REST API来处理传入的请求。

你希望将两个组件分开，因为这样可以使用相同的REST API，为网站和移动应用程序提供服务。

今天是重要的一天，你的商店上线了。

你决定将应用程序扩展为前端四个实例和后端四个实例，因为你预测网站比平常更繁忙。

你开始接收越来越多的流量。

前端服务正在很好得处理流量。但是你注意到连接到数据库的后端正在努力跟上事务的数量。

不用担心，你可以将后端的副本数量扩展到8。

你收到的流量更多，后端无法应对。

一些服务开始丢弃连接。愤怒的客户与你的客服取得联系。而现在你被淹没在大量流量中。

你的后端无法应付它，它会失去很多连接。

你刚丢了一大笔钱，你的顾客也不高兴。

你的应用程序并没有设计得健壮且高可用：

前端和后端紧密耦合——实际上它不能在没有后端的情况下处理应用
前端和后端必须一致扩展——如果没有足够的后端，你可能会淹没在流量中
如果后端不可用，则无法处理传入的事务。

失去事务意味着收入损失。

你可以重新设计架构，以便将前端和后端用队列分离。

前端将消息发布到队列，而后端则一次处理一个待处理消息。

新架构有一些明显的好处：

如果后端不可用，则队列充当缓冲区
如果前端产生的消息多于后端可以处理的消息，则这些消息将缓冲在队列中
你可以独立于前端扩展后端——即你可以拥有数百个前端服务和后端的单个实例

如何构建这样的应用程序？

你如何设计可处理数十万个请求的服务？你如何部署动态扩展的应用程序？

在深入了解部署和扩展的细节之前，让我们关注应用程序。

编写Spring应用程序

该服务有三个组件：前端，后端和消息代理。

前端是一个简单的Spring Boot Web应用程序，带有Thymeleaf模板引擎。

后端是一个消耗队列消息的工作者。

由于Spring Boot与JSM能出色得集成，因此你可以使用它来发送和接收异步消息。

你可以在learnk8s / spring-boot-k8s-hpa中找到一个连接到JSM的前端和后端应用程序的示例项目。

请注意，该应用程序是用Java 10编写的，以利用改进的Docker容器集成能力。

只有一个代码库，你可以将项目配置为作为前端或后端运行。

你应该知道该应用程序具有：

一个购买物品的主页
管理面板，你可以在其中检查队列中的消息数
一个 /health 端点，用于在应用程序准备好接收流量时发出信号
一个 /submit 端点，从表单接收提交并在队列中创建消息
一个 /metrics 端点，用于公开队列中待处理消息的数量（稍后将详细介绍）

该应用程序可以在两种模式下运行：

作为前端，应用程序呈现人们可以购买物品的网页。

作为工作者，应用程序等待队列中的消息并处理它们。

请注意，在示例项目中，使用Thread.sleep(5000)等待五秒钟来模拟处理。

你可以通过更改application.yaml中的值来在任一模式下配置应用程序。

模拟应用程序的运行

默认情况下，应用程序作为前端和工作程序启动。

你可以运行该应用程序，只要你在本地运行ActiveMQ实例，你就应该能够购买物品并让系统处理这些物品。

如果检查日志，则应该看到工作程序处理项目。

它确实工作了！编写Spring Boot应用程序很容易。

一个更有趣的主题是学习如何将Spring Boot连接到消息代理。

使用JMS发送和接收消息

Spring JMS（Java消息服务）是一种使用标准协议发送和接收消息的强大机制。

如果你以前使用过JDBC API，那么你应该熟悉JMS API，因为它的工作方式很类似。

你可以按JMS方式来使用的最流行的消息代理是ActiveMQ——一个开源消息服务器。

使用这两个组件，你可以使用熟悉的接口（JMS）将消息发布到队列（ActiveMQ），并使用相同的接口来接收消息。

更妙的是，Spring Boot与JMS的集成非常好，因此你可以立即加快速度。

实际上，以下短类封装了用于与队列交互的逻辑：

@Componentpublic class QueueService implements MessageListener {private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(QueueService.class);@Autowiredprivate JmsTemplate jmsTemplate;public void send(String destination, String message) {LOGGER.info("sending message='{}' to destination='{}'", message, destination);jmsTemplate.convertAndSend(destination, message);}@Overridepublic void onMessage(Message message) {if (message instanceof ActiveMQTextMessage) { ActiveMQTextMessage textMessage = (ActiveMQTextMessage) message; try { LOGGER.info("Processing task " textMessage.getText()); Thread.sleep(5000); LOGGER.info("Completed task " textMessage.getText()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (JMSException e) { e.printStackTrace(); }} else { LOGGER.error("Message is not a text message " message.toString());}}} 复制代码

你可以使用send方法将消息发布到命名队列。

此外，Spring Boot将为每个传入消息执行onMessage方法。

最后一个难题是指示Spring Boot使用该类。

你可以通过在Spring Boot应用程序中注册侦听器来在后台处理消息，如下所示：

@SpringBootApplication@EnableJmspublic class SpringBootApplication implements JmsListenerConfigurer {@Autowiredprivate QueueService queueService;public static void main(String[] args) {SpringApplication.run(SpringBootApplication.class, args);}@Overridepublic void configureJmsListeners(JmsListenerEndpointRegistrar registrar) {SimpleJmsListenerEndpoint endpoint = new SimpleJmsListenerEndpoint();endpoint.setId("myId");endpoint.setDestination("queueName");endpoint.setMessageListener(queueService);registrar.registerEndpoint(endpoint);}} 复制代码

其中id是使用者的唯一标识符，destination是队列的名称。

你可以从GitHub上的项目中完整地读取Spring队列服务的源代码。

回顾一下你是如何在少于40行代码中编写可靠队列的。

你一定很喜欢Spring Boot。

你在部署时节省的所有时间都可以专注于编码

你验证了应用程序的工作原理，现在是时候部署它了。

此时，你可以启动VPS，安装Tomcat，并花些时间制作自定义脚本来测试，构建，打包和部署应用程序。

或者你可以编写你希望拥有的描述：一个消息代理和两个使用负载均衡器部署的应用程序。

诸如Kubernetes之类的编排器可以阅读你的愿望清单并提供正确的基础设施。

由于花在基础架构上的时间减少意味着更多的时间编码，这次你将把应用程序部署到Kubernetes。但在开始之前，你需要一个Kubernetes集群。

你可以注册Google云平台或Azure，并使用Kubernetes提供的云提供商服务。或者，你可以在将应用程序移动到云上之前在本地尝试Kubernetes。

minikube是一个打包为虚拟机的本地Kubernetes集群。如果你使用的是Windows，Linux和Mac，那就太好了，因为创建群集需要五分钟。

你还应该安装kubectl，即连接到你的群集的客户端。

你可以从官方文档中找到有关如何安装minikube和kubectl的说明。

如果你在Windows上运行，则应查看有关如何安装Kubernetes和Docker的详细指南。

你应该启动一个具有8GB RAM和一些额外配置的集群：

minikube start --memory 8096 --extra-config=controller-manager.horizontal-pod-autoscaler-upscale-delay=1m --extra-config=controller-manager.horizontal-pod-autoscaler-downscale-delay=2m --extra-config=controller-manager.horizontal-pod-autoscaler-sync-period=10s复制代码

请注意，如果你使用的是预先存在的minikube实例，则可以通过销毁VM来重新调整VM的大小。只需添加--memory 8096就不会有任何影响。

验证安装是否成功。你应该看到以列表形式展示的一些资源。集群已经准备就绪，也许你应该立即开始部署？

还不行。

你必须先装好你的东西。

什么比uber-jar更好？容器

部署到Kubernetes的应用程序必须打包为容器。毕竟，Kubernetes是一个容器编排器，所以它本身无法运行你的jar。

容器类似于fat jar：它们包含运行应用程序所需的所有依赖项。甚至JVM也是容器的一部分。所以他们在技术上是一个更胖的fat-jar。

将应用程序打包为容器的流行技术是Docker。

虽然Docker是最受欢迎的，但它并不是唯一能够运行容器的技术。其他受欢迎的选项包括rkt和lxd。

如果你没有安装Docker，可以按照Docker官方网站上的说明进行操作。

通常，你构建容器并将它们推送到仓库。它类似于向Artifactory或Nexus推送jar包。但在这种特殊情况下，你将在本地工作并跳过仓库部分。实际上，你将直接在minikube中创建容器镜像。

首先，按照此命令打印的说明将Docker客户端连接到minikube：

minikube docker-env复制代码

请注意，如果切换终端，则需要重新连接minikube内的Docker守护程序。每次使用不同的终端时都应遵循相同的说明。

并从项目的根目录构建容器镜像：

docker build -t spring-k8s-hp0a .复制代码

你可以验证镜像是否已构建并准备好运行：

docker images |grep spring 复制代码

很好。

群集已准备好，你打包应用程序，也许你已准备好立即部署？

是的，你最终可以要求Kubernetes部署应用程序。

将你的应用程序部署到Kubernetes

你的应用程序有三个组件：

呈现前端的Spring Boot应用程序
ActiveMQ作为消息代理
处理事务的Spring Boot后端

你应该分别部署这三个组件。

对于每个组件你都应该创建：

Deployment对象，描述部署的容器及其配置
一个Service对象，充当Deployment部署创建的应用程序的所有实例的负载均衡器

部署中的每个应用程序实例都称为Pod。

部署ActiveMQ

让我们从ActiveMQ开始吧。

你应该创建一个activemq-deployment.yaml文件，其中包含以下内容：

apiVersion: extensions/v1beta1

kind: Deployment

metadata:

name: queue

spec:

replicas: 1

template:

metadata:

labels:

app: queue

spec:

containers:

- name: web

image: webcenter/activemq:5.14.3

imagePullPolicy: IfNotPresent

ports:

- containerPort: 61616

resources:

limits:

memory: 512Mi

该模板冗长但直接易读：

你从名为webcenter / activemq的官方仓库中请求了一个activemq容器
容器在端口61616上公开消息代理
为容器分配了512MB的内存
你要求提供单个副本 - 你的应用程序的单个实例

使用以下内容创建activemq-service.yaml文件：

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:name: queuespec:ports:- port: 61616 targetPort: 61616selector:app: queue复制代码

幸运的是，这个模板更短！

这个yaml表示：

你创建了一个公开端口61616的负载均衡器
传入流量分发到所有具有app：queue类型标签的Pod（请参阅上面的部署）
targetPort是Pod暴露的端口

你可以使用以下命令创建资源：

kubectl create -f activemq-deployment.yamlkubectl create -f activemq-service.yaml复制代码

你可以使用以下命令验证数据库的一个实例是否正在运行：

kubectl get pods -l=app=queue复制代码

部署前端

使用以下内容创建fe-deployment.yaml文件：

apiVersion: extensions/v1beta1kind: Deploymentmetadata:name: frontendspec:replicas: 1template:metadata: labels: app: frontendspec: containers: - name: frontend image: spring-boot-hpa imagePullPolicy: IfNotPresent env: - name: ACTIVEMQ_BROKER_URL value: "tcp://queue:61616" - name: STORE_ENABLED value: "true" - name: WORKER_ENABLED value: "false" ports: - containerPort: 8080 livenessProbe: initialDelaySeconds: 5 periodSeconds: 5 httpGet: path: /health port: 8080 resources: limits: memory: 512Mi复制代码

Deployment 看起来很像前一个。

但是有一些新的字段：

有一个section可以注入环境变量
还有Liveness探针，可以告诉你应用程序何时可以接受流量

使用以下内容创建fe-service.yaml文件：

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:name: frontendspec:ports:- nodePort: 32000port: 80targetPort: 8080selector:app: frontendtype: NodePort复制代码

你可以使用以下命令创建资源：

kubectl create -f fe-deployment.yamlkubectl create -f fe-service.yaml复制代码

你可以使用以下命令验证前端应用程序的一个实例是否正在运行：

kubectl get pods -l=app=frontend复制代码

部署后端

使用以下内容创建backend-deployment.yaml文件：

apiVersion: extensions/v1beta1kind: Deploymentmetadata:name: backendspec:replicas: 1template:metadata: labels: app: backend annotations: prometheus.io/scrape: 'true'spec: containers: - name: backend image: spring-boot-hpa imagePullPolicy: IfNotPresent env: - name: ACTIVEMQ_BROKER_URL value: "tcp://queue:61616" - name: STORE_ENABLED value: "false" - name: WORKER_ENABLED value: "true" ports: - containerPort: 8080 livenessProbe: initialDelaySeconds: 5 periodSeconds: 5 httpGet: path: /health port: 8080 resources: limits: memory: 512Mi复制代码

使用以下内容创建backend-service.yaml文件：

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:name: backendspec:ports:- nodePort: 31000 port: 80 targetPort: 8080selector: app: backendtype: NodePort复制代码

你可以使用以下命令创建资源：

kubectl create -f backend-deployment.yamlkubectl create -f backend-service.yaml复制代码

你可以验证后端的一个实例是否正在运行：

kubectl get pods -l=app=backend复制代码

部署完成。

它真的有效吗？

你可以使用以下命令在浏览器中访问该应用程序：

minikube service backend复制代码

和

minikube service frontend复制代码

如果它有效，你应该尝试购买一些物品！

工作者在处理交易吗？

是的，如果有足够的时间，工作人员将处理所有待处理的消息。

恭喜！

你刚刚将应用程序部署到Kubernetes！

手动扩展以满足不断增长的需求

单个工作程序可能无法处理大量消息。实际上，它当时只能处理一条消息。

如果你决定购买数千件物品，则需要数小时才能清除队列。

此时你有两个选择：

你可以手动放大和缩小
你可以创建自动缩放规则以自动向上或向下扩展

让我们先从基础知识开始。

你可以使用以下方法将后端扩展为三个实例：

kubectl scale --replicas=5 deployment/backend复制代码

你可以验证Kubernetes是否创建了另外五个实例：

kubectl get pods复制代码

并且应用程序可以处理五倍以上的消息。

一旦工人排空队列，你可以缩小：

kubectl scale --replicas=1 deployment/backend复制代码

如果你知道最多的流量何时达到你的服务，手动扩大和缩小都很棒。

如果不这样做，设置自动缩放器允许应用程序自动缩放而无需手动干预。

你只需要定义一些规则。

公开应用程序指标

Kubernetes如何知道何时扩展你的申请？

很简单，你必须告诉它。

自动调节器通过监控指标来工作。只有这样，它才能增加或减少应用程序的实例。

因此，你可以将队列长度公开为度量标准，并要求autoscaler观察该值。队列中的待处理消息越多，Kubernetes将创建的应用程序实例就越多。

那么你如何公开这些指标呢？

应用程序具有 /metrics 端点以显示队列中的消息数。如果你尝试访问该页面，你会注意到以下内容：

# HELP messages Number of messages in the queue# TYPE messages gaugemessages 0复制代码

应用程序不会将指标公开为JSON格式。格式为纯文本，是公开Prometheus指标的标准。不要担心记忆格式。大多数情况下，你将使用其中一个Prometheus客户端库。

在Kubernetes中使用应用程序指标

你几乎已准备好进行自动缩放——但你应首先安装度量服务器。实际上，默认情况下，Kubernetes不会从你的应用程序中提取指标。如果你愿意，可以启用Custom Metrics API。

要安装Custom Metrics API，你还需要Prometheus - 时间序列数据库。安装Custom Metrics API所需的所有文件都可以方便地打包在learnk8s / spring-boot-k8s-hpa中。

你应下载该存储库的内容，并将当前目录更改为该项目的monitoring文件夹。

cd spring-boot-k8s-hpa/monitoring复制代码

从那里，你可以创建自定义指标API：

kubectl create -f ./metrics-serverkubectl create -f ./namespaces.yamlkubectl create -f ./prometheuskubectl create -f ./custom-metrics-api复制代码

你应该等到以下命令返回自定义指标列表：

kubectl get --raw "/apis/custom.metrics.k8s.io/v1beta1" | jq .复制代码

任务完成！

你已准备好使用指标。

实际上，你应该已经找到了队列中消息数量的自定义指标：

kubectl get --raw "/apis/custom.metrics.k8s.io/v1beta1/namespaces/default/pods/*/messages" | jq .复制代码

恭喜，你有一个公开指标的应用程序和使用它们的指标服务器。

你最终可以启用自动缩放器！

在Kubernetes中进行自动扩展部署

Kubernetes有一个名为Horizontal Pod Autoscaler的对象，用于监视部署并上下调整Pod的数量。

你将需要其中一个来自动扩展实例。

你应该创建一个包含以下内容的hpa.yaml文件：

apiVersion: autoscaling/v2beta1kind: HorizontalPodAutoscalermetadata:name: spring-boot-hpaspec:scaleTargetRef:apiVersion: extensions/v1beta1kind: Deploymentname: backend minReplicas: 1maxReplicas: 10metrics:- type: Podspods: metricName: messages targetAverageValue: 10复制代码

这个文件很神秘，所以让我为你翻译一下：

Kubernetes监视scaleTargetRef中指定的部署。在这种情况下，它是工人。
你正在使用messages指标来扩展你的Pod。当队列中有超过十条消息时，Kubernetes将触发自动扩展。
至少，部署应该有两个Pod。 10个Pod是上限。

你可以使用以下命令创建资源：

kubectl create -f hpa.yaml复制代码

提交自动缩放器后，你应该注意到后端的副本数量是两个。这是有道理的，因为你要求自动缩放器始终至少运行两个副本。

你可以检查触发自动缩放器的条件以及由此产生的事件：

kubectl describe hpa复制代码

自动定标器表示它能够将Pod扩展到2，并且它已准备好监视部署。

令人兴奋的东西，但它有效吗？

负载测试

只有一种方法可以知道它是否有效：在队列中创建大量消息。

转到前端应用程序并开始添加大量消息。在添加消息时，使用以下方法监视Horizontal Pod Autoscaler的状态：

kubectl describe hpa复制代码

Pod的数量从2上升到4，然后是8，最后是10。

该应用程序随消息数量而变化！

你刚刚部署了一个完全可伸缩的应用程序，可根据队列中的待处理消息数进行扩展。

另外，缩放算法如下：

MAX(CURRENT_REPLICAS_LENGTH * 2, 4)复制代码

在解释算法时，文档没有多大帮助。你可以在代码中找到详细信息。

此外，每分钟都会重新评估每个放大，而每两分钟缩小一次。

以上所有都是可以调整的设置。

但是你还没有完成。

什么比自动缩放实例更好？自动缩放群集。

跨节点缩放Pod非常有效。 但是，如果群集中没有足够的容量来扩展Pod，该怎么办？

如果达到峰值容量，Kubernetes将使Pods处于暂挂状态并等待更多资源可用。

如果你可以使用类似于Horizontal Pod Autoscaler的自动缩放器，但对于节点则会很棒。

好消息！

你可以拥有一个群集自动缩放器，可以在你需要更多资源时为Kubernetes群集添加更多节点。

群集自动缩放器具有不同的形状和大小。它也是特定于云提供商的。

请注意，你将无法使用minikube测试自动缩放器，因为它根据定义是单节点。

你可以在Github上找到有关集群自动调节器和云提供程序实现的更多信息。

概览

设计大规模应用程序需要仔细规划和测试。

基于队列的体系结构是一种出色的设计模式，可以解耦你的微服务并确保它们可以独立扩展和部署。

虽然你可以用脚本来扩展你的应用，但可以更轻松地利用容器编排器（如Kubernetes）自动部署和扩展应用程序。

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