使用Spring Session實現Spring Boot水平擴充套件

本文使用Spring Session實現了Spring Boot水平擴充套件，每個Spring Boot應用與其他水平擴充套件的Spring Boot一樣，都能處理使用者請求。如果當機，Nginx會將請求反向代理到其他執行的Spring Boot應用上，如果系統需要增加吞吐量，只需要再啟動更多的Spring Boot應用即可。

　　Spring Boot應用通常會部署在多個Web伺服器上同時提供服務，這樣做有很多好處：

　　單個應用當機不會停止服務，升級應用可以逐個升級而不必停止服務。

　　提高了應用整體的吞吐量。

　　我們稱這種部署方式為水平擴充套件，前端通過Nginx提供反向代理，會話管理可以通過Spring Session，使用Redis來存放Session。部署Spring Boot應用到任意一臺Web伺服器上，從而提高了系統可靠性和可伸縮性。

1 水平擴充套件實現

　　當系統想提升處理能力的時候，通常用兩種選擇，一種是重置擴充套件架構，即提升現有系統硬體的處理能力，比如提高CPU頻率、使用更好的儲存器。另外一種選擇是水平擴充套件架構，即部署系統到更多的伺服器上同時提供服務。這兩種方式各有利弊，現在通常都優先採用水平擴充套件架構，這是因為：

重置擴充套件架構

　　缺點：架構中的硬體提升能力有限，而且硬體能力提升往往需要更多的花銷；

　　優點：應用系統不需要做任何改變。

水平擴充套件

　　優點：成本便宜；

　　缺點：更多的應用導致管理更加複雜。對於Spring Boot 應用，會話管理是一個難點。
Spring Boot 應用水平擴充套件有兩個問題需要解決，一個是將使用者的請求派發到水平部署的任意一臺Spring Boot應用，通常用一個反向代理伺服器來實現，本文將使用Nginx作為反向代理伺服器。

　　反向代理（Reverse Proxy）方式是指接收internet上的連線請求，然後將請求轉發給內部網路上的伺服器，並將從伺服器上得到的結果返回給internet上請求連線的客戶端，此時代理伺服器對外就表現為一個反向代理伺服器。

　　正向代理伺服器：區域網內通過一個正向代理伺服器訪問外網。

　　另外一個需要解決的問題是會話管理， 單個Spring Boot應用的會話由Tomcat來管理，會話資訊與Tomcat存放在一起。如果部署多個Spring Boot應用，對於同一個使用者請求，即使請求通過Nginx派發到不同的Web伺服器上，也能共享會話資訊。有兩種方式可以實現。

　　複製會話：Web伺服器通常都支援Session複製，一臺應用的會話資訊改變將立刻複製到其他叢集的Web伺服器上。

　　集中式會話：所有Web伺服器都共享一個會話，會話資訊通常存放在一臺伺服器上，本文使用Redis伺服器來存放會話。

　　複製會話的缺點是每次會話改變需要複製到多臺Web伺服器上，效率較低。因此Spring Boot應用採用第二種方式（集中式會話方式），結構如下圖所示。

　　上圖是一個大型分散式系統架構，包含了三個獨立的子系統。業務子系統一和業務子系統二分別部署在一臺Tomcat伺服器上，業務子系統三部署在兩臺Tomcat伺服器上，採用水平擴充套件。

　　架構採用Nginx作為反向代理，其後的各個子系統都採用Spring Session，將會話存放在Redis中，因此，這些子系統雖然是分開部署的，支援水平擴充套件，但能整合成一個大的系統。Nginx提供統一的入口，對於使用者訪問，將按照某種策略，比如根據訪問路徑派發到後面對應的Spring Boot應用中，Spring Boot呼叫Spring Session取得會話資訊，Spring Session並沒有從本地存取會話，會話資訊存放在Redis伺服器上。

2 Nginx的安裝和配置

　　Nginx是一款輕量級的Web 伺服器/反向代理伺服器及電子郵件（IMAP/POP3）、TCP/UDP代理伺服器，並在一個BSD-like協議下發行。由俄羅斯的程式設計師Igor Sysoev開發，供俄國大型的入口網站及搜尋引擎Rambler使用。其特點是佔有記憶體少，併發能力強，事實上Nginx的併發能力確實在同型別的網頁伺服器中表現較好，國內使用Nginx的網站有百度、新浪、網易、騰訊等。

2.1 安裝Nginx

　　開啟Nginx網站（http://nginx.org/ ），進入下載頁面，根據自己的作業系統選擇下載，以Windows系統為例，下載nginx/Windows-1.11.10版本，直接解壓，然後執行Nginx即可。

　　如果是Mac，可以執行：

>brew install nginx

　　Nginx預設會安裝在/usr/local/Cellar/nginx/目錄下，配置檔案在/usr/local/etc/nginx/nginx.conf目錄下，日誌檔案在 /usr/local/var/log/nginx/目錄下。

　　以下是Nginx的常用命令：

　　nginx，啟動Nginx，預設監聽80埠。

　　nginx -s stop，快速停止伺服器。

　　nginx -s quit，停止伺服器，但要等到請求處理完畢後關閉。

　　nginx -s reload，重新載入配置檔案。

　　Nginx啟動後，可以訪問http://127.0.0.1:80 ，會看到Nginx的歡迎頁面，如下圖所示。

　　如果80埠訪問不了，則可能是因為你下載的版本的原因，Nginx的HTTP埠配置成其他埠，編輯conf/nginx.conf，找到：

server {
listen       80;
}

　　修改listen引數到80埠即可。

　　Nginx的log目錄下提供了三個檔案：

　　access.log，記錄了使用者的請求資訊和響應。

　　error.log，記錄了Nginx執行的錯誤日誌。

　　nginx.pid，包含了Nginx的程式號。

2.2 配置Nginx

　　Nginx的配置檔案conf/nginx.conf下包含多個指令塊，我們主要關注http塊和location塊。

　　http塊：可以巢狀多個Server，配置代理、快取、日誌定義等絕大多數功能和第三方模組，如mime-type定義、日誌自定義、是否使用sendfile傳輸檔案、連線超時時間、單連線請求數等。

　　location塊：配置請求的路由，以及各種頁面的處理情況。
由於本文主要是講水平擴充套件Spring Boot應用，因此，我們需要在http塊中增加upstream指令，內容如下：

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

　　backend也可以為任意名字，我們在下面的配置將要引用到：

location / {
    proxy_pass http://backend;  
}

　　location後可以是一個正規表示式，我們這裡用“/”表示所有客戶端請求都會傳給http:// backend，也就是我們配置的backend指令的地址列表。因此，整個http塊類似下面的樣子：

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;  
        }      
    }
}

　　我們在後面將建立一個Spring Boot應用，並分別以9000和9001兩個埠啟動，然後在Spring Session的基礎上一步步來完成Spring Boot應用的水平擴充套件。

　　注意：Nginx反向代理預設情況下會輪詢後臺應用，還有一種配置是設定ip_hash，這樣，固定客戶端總是反向代理到後臺的某一個伺服器。這種設定方式就不需要使用Spring Session來管理會話，使用Tomcat的會話管理即可。但弊端是如果伺服器當機或者因為維護重啟，則會話丟失。ip_hash設定如下：

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

3 Spring Session

3.1 Spring Session介紹

　　在預設情況下，Spring Boot使用Tomcat伺服器的Session實現，我們編寫一個例子用於測試：

@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;
    }
}

　　如果訪問服務/putsession.html，控制檯輸出為：

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

　　可以看到，Session管理是通過Tomcat提供的org.apache.catalina.session.StandardSessionFacade實現的。

　　在配置檔案application.properties中新增如下內容：

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

　　Spring Boot配置很容易切換到不同的Session管理方式，總共有以下幾種：

　　Redis，Session資料存放Redis中。

　　JDBC，會話資料存放在資料庫中，預設情況下SPRING_SESSION表存放Session基本資訊，如sessionId、建立時間、最後一次訪問時間等，SPRING_SESSION_ ATTRIBUTES存放了session資料，ATTRIBUTE_NAME列儲存了Session的Key，ATTRIBUTE_BYTES列以位元組形式儲存了Session的Value，Spring Session會自動建立這兩張表。

　　Hazelcast，Session資料存放到Hazelcast。

　　None，禁用Spring Session功能。

　　通過配置屬性spring.session.store-type來指定Session的儲存方式，如：

spring.session.store-type=Redis

　　修改為配置和增加Spring Session依賴後，如果訪問服務/putsession.html，控制檯輸出為：

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

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

　　可以看到，Session已經替換為HttpSessionWrapper實現，這個類負責Spring Boot 的Session儲存型別的具體實現。

3.2 使用Redis

　　本將用Redis來儲存Session，你需要安裝Redis，如未安裝，請參考《Spring Boot 2精髓：從構建小系統到架構分散式大系統》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

　　還需要引入對Redis的依賴：

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

　　再次訪問/putsession.html後，我們通過Redis客戶端工具訪問Redis，比如使用redis-cli，輸入如下命令：

keys spring:session:*

　　查詢所有“spring:session:”開頭的keys，輸出如下：

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

　　會話資訊存放在“spring:session:sessions:”開頭的Key中，863c7e73-8249-4780-a08e-0ff2bdddda86代表一個會話id，“spring:session:sessions”是一個Hash資料結構，可以用Redis HASH相關的命令來檢視這個使用者會話的資料，使用hgetall檢視會話所有的資訊：

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

　　使用以下命令來檢視該Session的user資訊：

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

　　sessionAttr:user是Spring Session存入Redis的Key值，sessionAttr:是其字首，user是我們在Spring Boot中設定會話的Key。其他Spring Boot預設建立的Key還有：

　　creationTime，建立時間。

　　maxInactiveInterval，指定過期時間（秒）。

　　lastAccessedTime，上次訪問時間。

　　sessionAttr，以“sessionAttr:”為字首的會話資訊，比如sessionAttr: user。

　　因此，Spring Session使用Redis儲存的會話將採用如下的Redis操作，類似如下：

>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實現並不是每次通過Session類獲取會話資訊或者儲存的時候都會呼叫Redis操作，它會先嚐試從內部的HashMap讀取值，如果沒有，才呼叫Redis的HMGET操作。同樣，當儲存會話的時候，也沒有立即呼叫Redis操作，而是先儲存到HashMap中，等待服務請求結束後再將變化的值使用HMSET更新。如果你想在儲存會話操作後立即更新到Redis中，需要配置成IMMEDIATE模式，修改配置屬性：

　　spring.session.redis.flushMode=IMMEDIATE

　　我們注意到，還有另外一個Redis Key是“spring:session:sessions:expires:863c7e73-8249-4780- a08e-0ff2bdddda86”，這是因為Redis會話過期並沒有直接使用在session:sessions:key變數上，而是專門用在session:sessions:expires:key上，當此Key過期後，會自動清除對應的會話資訊。使用ttl檢視會話過期時間：

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

　　預設是1800秒，即30分鐘，現在只剩下1469秒。

3.3 Nginx+Redis

　　在前文中，我們已經配置了：

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

　　假設在本機上部署了兩個Spring Boot應用，使用埠分別是9000和9001。進入工程目錄，執行mvn package，我們看到ch15.springsession\target\目錄下生成了ch17.springsession-0.0.1- SNAPSHOT.jar。然後進入命令列，進入target目錄，啟動這個Spring Boot應用：

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

開啟另外一個命令視窗，進入工程目錄，執行：

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

　　這時候，我們就有兩臺Spring Boot應用。接下來，我們訪問以下地址，並重新整理多次：

http://127.0.0.1/putsession.html 

　　這時候就看到兩個Spring Boot應用均有日誌輸出，比如9000埠的應用控制檯輸出如下：

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

　　9001埠的Spring Boot應用也有類似輸出：

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

　　我們看到，兩個Spring Boot應用都具有相同的sessionId，如果停掉任意一臺應用，系統還有另外一臺伺服器提供服務，會話資訊儲存在Redis中。

　　以上內容節選自《Spring Boot2精髓：從構建小系統到架構分散式大系統》，點此連結可在博文視點官網檢視此書。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
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