Spring Boot进阶(89)：Spring Boot和Zookeeper搭建分布式系统，提高系统可靠性

📣前言

在当今信息化时代，互联网公司在面对海量访问请求时往往需要采用分布式系统来提高系统的可扩展性和可靠性。分布式系统具有多节点、相互协作的特性，不仅可以提高系统的吞吐量，而且还能在某个节点出现故障时自动切换到其他节点，以保证系统的可靠性。

本文主要介绍了如何使用Zookeeper作为分布式系统的协调者，并使用Spring Boot和Zookeeper来搭建一个分布式系统。本文首先介绍了Zookeeper的概念和原理，然后详细讲解了如何使用Spring Boot来集成Zookeeper，最后通过一个实际应用场景的案例，展示了如何使用Spring Boot和Zookeeper来搭建分布式系统。这将又会是干货满满的一期，全程无尿点不废话只抓重点教，具有非常好的学习效果，拿好小板凳准备就坐！希望学习的过程中大家认真听好好学，学习的途中有任何不清楚或疑问的地方皆可评论区留言或私信，bug菌将第一时间给予解惑，那么废话不多说，直接开整！Fighting！！

🌊环境说明

开发工具：IDEA 2021.3
JDK版本： JDK 1.8
Spring Boot版本：2.3.1 RELEASE
Maven版本：3.8.2

🏆本文收录于《Spring Boot从入门到精通》，专门攻坚指数提升，2023 年国内最系统+最强（更新中）。

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摘要

正文

概述

Zookeeper是一个分布式的协调者，可以用于在分布式系统中实现分布式应用的协调和管理。Zookeeper采用了类似于文件系统的树形结构，每个节点都可以存储一些数据，同时也可以在节点上注册一些监听器，当节点的数据发生变化时可以触发相应的事件。

在分布式系统中，通常需要一个协调者来管理各个节点之间的状态和信息，例如：负载均衡、服务发现、配置管理等。在这些应用场景下，Zookeeper可以作为一个分布式协调者来实现。

同时，Spring Boot是一个开发Web应用程序的框架，它简化了Java应用程序的开发过程，并提供了许多有用的功能，例如：自动配置、热部署、注解等。

搭建Spring Boot应用

首先，我们先创建个基础的Spring Boot项目，如果还不会点这里，此处就不详细赘述啦。

Spring Boot集成教学

步骤1：引入依赖

在使用Spring Boot集成Zookeeper之前，我们需要在pom.xml文件中引入以下依赖：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.apache.curator</groupId>
    <artifactId>curator-framework</artifactId>
    <version>5.1.0</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.apache.curator</groupId>
    <artifactId>curator-recipes</artifactId>
    <version>5.1.0</version>
</dependency>

步骤2：创建Zookeeper客户端

在使用Zookeeper之前，我们需要创建一个Zookeeper客户端。可以通过以下方式创建：

@Configuration
public class ZookeeperConfig {
 
    @Value("${zookeeper.host}")
    private String host;
 
    @Value("${zookeeper.timeout}")
    private int timeout;
 
    @Bean
    public CuratorFramework curatorFramework() {
        RetryPolicy retryPolicy = new ExponentialBackoffRetry(1000, 3);
        CuratorFramework curatorFramework = CuratorFrameworkFactory.newClient(host, timeout, 10000, retryPolicy);
        curatorFramework.start();
        return curatorFramework;
    }
}

步骤3：使用Zookeeper

在使用Zookeeper时，我们需要使用CuratorFramework对象来操作Zookeeper。例如：创建一个节点、获取节点数据、监听节点变化等操作。以下是一些常见的操作：

@Autowired
private CuratorFramework curatorFramework;

public void createNode(String path, byte[] data) throws Exception {
    curatorFramework.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.PERSISTENT).forPath(path, data);
}

public byte[] getNodeData(String path) throws Exception {
    return curatorFramework.getData().forPath(path);
}

public void setData(String path, byte[] data) throws Exception {
    curatorFramework.setData().forPath(path, data);
}

public void addListener(String path, NodeCacheListener listener) throws Exception {
    NodeCache nodeCache = new NodeCache(curatorFramework, path);
    nodeCache.getListenable().addListener(listener);
    nodeCache.start(true);
}

步骤4：启动Spring Boot应用程序

在完成上述步骤之后，我们可以启动Spring Boot应用程序，并通过浏览器访问http://localhost:8080/来测试程序是否运行正常。

应用场景案例

以下是一个应用场景案例，它演示了如何使用Spring Boot和Zookeeper来搭建一个分布式系统：

案例背景

在这个案例中，我们将实现一个简单的在线聊天室，用户可以在聊天室中发送消息并与其他用户交流。

系统架构

我们将使用分布式系统来搭建这个聊天室，在分布式系统中，每个节点都是相互独立的，并且可以自由地加入或退出系统。

实现步骤

步骤1：创建Zookeeper客户端

我们需要在程序中创建一个Zookeeper客户端来连接Zookeeper服务器，可以使用CuratorFramework类来实现。具体代码如下：

@Configuration
public class ZookeeperConfig {
 
    @Value("${zookeeper.host}")
    private String host;
 
    @Value("${zookeeper.timeout}")
    private int timeout;
 
    @Bean
    public CuratorFramework curatorFramework() {
        RetryPolicy retryPolicy = new ExponentialBackoffRetry(1000, 3);
        CuratorFramework curatorFramework = CuratorFrameworkFactory.newClient(host, timeout, 10000, retryPolicy);
        curatorFramework.start();
        return curatorFramework;
    }
}

步骤2：创建节点

我们需要在Zookeeper中创建三个节点：

/message：用于存储聊天消息
/users：用于存储在线用户
/sequence：用于生成唯一的序列号

以下是创建节点的代码：

@PostConstruct
public void init() throws Exception {
    createNode("/message", "".getBytes());
    createNode("/users", "".getBytes());
    createNode("/sequence", "0".getBytes());
}

private void createNode(String path, byte[] data) throws Exception {
    if (curatorFramework.checkExists().forPath(path) == null) {
        curatorFramework.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.PERSISTENT).forPath(path, data);
    }
}

步骤3：处理聊天消息

在聊天室中，当用户发送消息时，我们需要将消息存储到Zookeeper中。具体代码如下：

@RestController
public class ChatController {
 
    @Autowired
    private CuratorFramework curatorFramework;

    @PostMapping("/message")
    public void sendMessage(String message) throws Exception {
        long sequence = getSequence();
        String path = "/message/message_" + sequence;
        curatorFramework.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.PERSISTENT).forPath(path, message.getBytes());
    }

    private long getSequence() throws Exception {
        String path = "/sequence";
        Stat stat = curatorFramework.setData().withVersion(-1).forPath(path, "1".getBytes());
        return stat.getVersion();
    }
}

步骤4：处理在线用户

当用户进入或退出聊天室时，我们需要将他们的信息存储到Zookeeper中。具体代码如下：

@RestController
public class ChatController {
 
    @Autowired
    private CuratorFramework curatorFramework;

    @PostMapping("/users")
    public void login(String username) throws Exception {
        String path = "/users/" + username;
        curatorFramework.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.EPHEMERAL).forPath(path);
    }

    @DeleteMapping("/users")
    public void logout(String username) throws Exception {
        String path = "/users/" + username;
        curatorFramework.delete().forPath(path);
    }

}

步骤5：监听节点变化

当聊天室中有新消息或用户加入或退出时，我们需要通过监听节点变化来获取最新的聊天消息和在线用户列表。具体代码如下：

@Component
public class ChatListener {

    @Autowired
    private CuratorFramework curatorFramework;

    @Autowired
    private SimpMessagingTemplate messagingTemplate;

    @PostConstruct
    public void init() throws Exception {
        addMessageListener();
        addUserListener();
    }

    private void addMessageListener() throws Exception {
        String path = "/message";
        NodeCacheListener listener = new NodeCacheListener() {
            @Override
            public void nodeChanged() throws Exception {
                byte[] data = curatorFramework.getData().forPath(path);
                String message = new String(data);
                messagingTemplate.convertAndSend("/topic/messages", message);
            }
        };
        addListener(path, listener);
    }

    private void addUserListener() throws Exception {
        String path = "/users";
        PathChildrenCacheListener listener = new PathChildrenCacheListener() {
            @Override
            public void childEvent(CuratorFramework curatorFramework, PathChildrenCacheEvent event) throws Exception {
                List<String> users = curatorFramework.getChildren().forPath(path);
                messagingTemplate.convertAndSend("/topic/users", users);
            }
        };
        addListener(path, listener);
    }

    private void addListener(String path, CuratorListener listener) throws Exception {
        PathChildrenCache pathChildrenCache = new PathChildrenCache(curatorFramework, path, true);
        pathChildrenCache.getListenable().addListener(listener);
        pathChildrenCache.start(PathChildrenCache.StartMode.BUILD_INITIAL_CACHE);
    }

}

步骤6：创建WebSocket控制器

我们需要创建一个WebSocket控制器来处理客户端的WebSocket连接请求。具体代码如下：

@Configuration
@EnableWebSocketMessageBroker
public class WebSocketConfig implements WebSocketMessageBrokerConfigurer {

    @Override
    public void registerStompEndpoints(StompEndpointRegistry registry) {
        registry.addEndpoint("/ws").withSockJS();
    }

    @Override
    public void configureMessageBroker(MessageBrokerRegistry registry) {
        registry.enableSimpleBroker("/topic");
    }

}

步骤7：创建前端页面

最后，我们需要创建一个前端页面来展示聊天室中的消息和在线用户列表。以下是前端页面的代码：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>Chat Room</title>
    <script src="/webjars/jquery/3.6.0/jquery.min.js"></script>
    <script src="/webjars/sockjs-client/1.5.0/dist/sockjs.min.js"></script>
    <script src="/webjars/stomp-websocket/2.3.3/dist/stomp.min.js"></script>
</head>
<body>
    <h1>在线用户列表</h1>
    <ul id="users">

    </ul>
    <hr>
    <h1>聊天消息</h1>
    <ul id="messages">

    </ul>
    <input type="text" id="message" placeholder="发送消息">
    <button id="send">发送</button>

    <script>
        var stompClient = Stomp.over(new SockJS('/ws'));
        stompClient.connect({}, function (frame) {
            console.log('Connected: ' + frame);

            stompClient.subscribe('/topic/users', function (response) {
                console.log(response);
                var users = JSON.parse(response.body);
                console.log(users);
                var userHtml = '';
                for (var i = 0; i < users.length; i++) {
                    userHtml += '<li>' + users[i] + '</li>';
                }
                $('#users').html(userHtml);
            });

            stompClient.subscribe('/topic/messages', function (response) {
                console.log(response);
                var message = response.body;
                $('#messages').append('<li>' + message + '</li>');
            });
        });

        $('#send').click(function () {
            var message = $('#message').val();
            stompClient.send('/app/message', {}, message);
        });
    </script>
</body>
</html>

测试步骤

这里提供一个简单的测试用例步骤：

启动Zookeeper服务；
创建一个Spring Boot项目，添加Curator和WebSocket的依赖；
编写ZookeeperConfig类，在其中创建CuratorFramework客户端；
编写ChatController类，在其中处理聊天消息和在线用户；
编写ChatListener类，在其中监听节点变化并发送消息到前端；
编写WebSocketConfig类，启用WebSocket和消息代理；
编写前端页面，并在其中连接到WebSocket并发送和接收消息；
启动Spring Boot应用，访问前端页面，在页面中输入用户名并发送消息即可。

具体实现可以参考之上的代码。

小结

本文介绍了如何使用Spring Boot和Zookeeper来搭建一个分布式系统，并以一个在线聊天室的应用场景为例，演示了如何使用Zookeeper来实现在线用户管理和实时聊天功能。

在实现过程中，我们使用了Zookeeper来作为分布式协调者，用于管理在线用户和聊天消息；使用了Spring Boot来简化Java应用程序的开发过程，并提供了自动配置和热部署等功能。

总结

在当今互联网时代，分布式系统已经成为了很多企业必不可少的基础设施。Zookeeper作为一个分布式协调者，可以协助我们实现分布式应用的协调和管理，提高系统的可扩展性和可靠性。同时，Spring Boot作为一个开发Web应用程序的框架，可以简化Java应用程序的开发过程，提高开发效率和代码质量。

结合Zookeeper和Spring Boot，可以快速地开发出高可靠、高性能的分布式系统，为企业的信息化建设提供有力的支持。

… …

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