Java数据库应用原型

一个使用 Spring Boot 和容器进行测试、Keycloak 提供安全、PostgreSQL 提供数据持久化的,带有 REST 和安全功能的 Java 数据库应用原型。

在工作中开发时,我多次需要一个简单应用的模板,以便基于此模板开始为手头的项目添加特定代码。
在本文中,我将创建一个简单的 Java 应用程序,它连接到数据库,暴露一些 REST 端点,并使用基于角色的访问来保护这些端点。
目的是拥有一个最小化且功能齐全的应用程序,然后可以针对特定任务进行定制。
对于数据库,我们将使用 PostgreSQL;对于安全,我们将使用 Keycloak,两者都通过容器部署。在开发过程中,我使用 podman 来测试容器是否正确创建(作为 docker 的替代品——它们在大多数情况下可以互换)作为一次学习体验。
应用程序本身是使用 Spring Boot 框架开发的,并使用 Flyway 进行数据库版本管理。
所有这些技术都是 Java EE 领域业界标准,在项目中被使用的可能性很高。

我们构建原型的核心需求是一个图书馆应用程序,它暴露 REST 端点,允许创建作者、书籍以及它们之间的关系。这将使我们能够实现一个多对多关系,然后可以将其扩展用于任何可以想象的目的。
完整可用的应用程序可以在 https://github.com/ghalldev/db_proto 找到。
本文中的代码片段取自该代码库

在创建容器之前,请确保使用您偏好的值定义以下环境变量(教程中故意省略了它们,以避免传播多个用户使用的默认值):

DOCKER_POSTGRES_PASSWORD
DOCKER_KEYCLOAK_ADMIN_PASSWORD
DOCKER_GH_USER1_PASSWORD

配置 PostgreSQL:

docker container create --name gh_postgres --env POSTGRES_PASSWORD=$DOCKER_POSTGRES_PASSWORD --env POSTGRES_USER=gh_pguser --env POSTGRES_INITDB_ARGS=--auth=scram-sha-256 --publish 5432:5432 postgres:17.5-alpine3.22
docker container start gh_postgres

配置 Keycloak:
首先是容器的创建并启动:

docker container create --name gh_keycloak --env DOCKER_GH_USER1_PASSWORD=$DOCKER_GH_USER1_PASSWORD --env KC_BOOTSTRAP_ADMIN_USERNAME=gh_admin --env KC_BOOTSTRAP_ADMIN_PASSWORD=$DOCKER_KEYCLOAK_ADMIN_PASSWORD --publish 8080:8080 --publish 8443:8443 --publish 9000:9000 keycloak/keycloak:26.3 start-dev
docker container start gh_keycloak

在容器启动并运行后,我们可以继续创建领域、用户和角色(这些命令必须在正在运行的容器内部执行):

cd $HOME/bin
./kcadm.sh config credentials --server http://localhost:8080 --realm master --user gh_admin --password $KC_BOOTSTRAP_ADMIN_PASSWORD
./kcadm.sh create realms -s realm=gh_realm -s enabled=true
./kcadm.sh create users -s username=gh_user1 -s email="[email protected]" -s firstName="gh_user1firstName" -s lastName="gh_user1lastName" -s emailVerified=true -s enabled=true -r gh_realm
./kcadm.sh set-password -r gh_realm --username gh_user1 --new-password $DOCKER_GH_USER1_PASSWORD
./kcadm.sh create roles -r gh_realm -s name=viewer -s 'description=Realm role to be used for read-only features'
./kcadm.sh add-roles --uusername gh_user1 --rolename viewer -r gh_realm
./kcadm.sh create roles -r gh_realm -s name=creator -s 'description=Realm role to be used for create/update features'
./kcadm.sh add-roles --uusername gh_user1 --rolename creator -r gh_realm
ID_ACCOUNT_CONSOLE=$(./kcadm.sh get clients -r gh_realm --fields id,clientId | grep -B 1 '"clientId" : "account-console"' | grep -oP '[0-9a-f]{8}-([0-9a-f]{4}-){3}[0-9a-f]{12}')
./kcadm.sh update clients/$ID_ACCOUNT_CONSOLE -r gh_realm -s 'fullScopeAllowed=true' -s 'directAccessGrantsEnabled=true'

用户 gh_user1 在领域 gh_realm 中被创建,并拥有 viewercreator 角色。

您可能已经注意到,我们没有创建新的客户端,而是使用了 Keycloak 自带的一个默认客户端:account-console。这是为了方便起见,在实际场景中,您会创建一个特定的客户端,然后将其更新为具有 fullScopeAllowed(这会导致领域角色被添加到令牌中——默认情况下不添加)和 directAccessGrantsEnabled(允许通过 Keycloak 的 openid-connect/token 端点生成令牌,在我们的例子中使用 curl)。

创建的角色随后可以在 Java 应用程序内部使用,以根据我们约定的契约来限制对某些功能的访问——viewer 只能访问只读操作,而 creator 可以执行创建、更新和删除操作。当然,同样地,可以根据任何原因创建各种角色,只要约定的契约被明确定义并被所有人理解。
角色还可以进一步添加到组中,但本教程不包含这部分内容。

但是,在实际使用这些角色之前,我们必须告诉 Java 应用程序如何提取角色——这是必须的,因为 Keycloak 将角色添加到 JWT 的方式是其特有的,所以我们必须编写一段自定义代码,将其转换为 Spring Security 可以使用的东西:

@Bean
public JwtAuthenticationConverter jwtAuthenticationConverter() {
    // 遵循与 org.springframework.security.oauth2.server.resource.authentication.JwtGrantedAuthoritiesConverter 相同的模式
    Converter<Jwt, Collection<GrantedAuthority>> keycloakRolesConverter = new Converter<>() {
        private static final String DEFAULT_AUTHORITY_PREFIX = "ROLE_";
        //https://github.com/keycloak/keycloak/blob/main/services/src/main/java/org/keycloak/protocol/oidc/TokenManager.java#L901
        private static final String KEYCLOAK_REALM_ACCESS_CLAIM_NAME = "realm_access";
        private static final String KEYCLOAK_REALM_ACCESS_ROLES = "roles";

        @Override
        public Collection<GrantedAuthority> convert(Jwt source) {
            Collection<GrantedAuthority> grantedAuthorities = new ArrayList<>();
            Map<String, List<String>> realmAccess = source.getClaim(KEYCLOAK_REALM_ACCESS_CLAIM_NAME);
            if (realmAccess == null) {
                logger.warn("No " + KEYCLOAK_REALM_ACCESS_CLAIM_NAME + " present in the JWT");
                return grantedAuthorities;
            }
            List<String> roles = realmAccess.get(KEYCLOAK_REALM_ACCESS_ROLES);
            if (roles == null) {
                logger.warn("No " + KEYCLOAK_REALM_ACCESS_ROLES + " present in the JWT");
                return grantedAuthorities;
            }
            roles.forEach(
                    role -> grantedAuthorities.add(new SimpleGrantedAuthority(DEFAULT_AUTHORITY_PREFIX + role)));

            return grantedAuthorities;
        }

    };
    JwtAuthenticationConverter jwtAuthenticationConverter = new JwtAuthenticationConverter();
    jwtAuthenticationConverter.setJwtGrantedAuthoritiesConverter(keycloakRolesConverter);

    return jwtAuthenticationConverter;
}

AppConfiguration 类中还完成了其他重要配置,例如启用方法安全性和禁用 CSRF。

现在我们可以在 REST 控制器中使用 @org.springframework.security.access.prepost.PreAuthorize 注解来限制访问:

@PostMapping("/author")
@PreAuthorize("hasRole('creator')")
public void addAuthor(@RequestParam String name, @RequestParam String address) {
  authorService.add(new AuthorDto(name, address));
}

@GetMapping("/author")
@PreAuthorize("hasRole('viewer')")
public String getAuthors() {
  return authorService.allInfo();
}

通过这种方式,只有成功通过身份验证且拥有 hasRole 中列出的角色的用户才能调用端点,否则他们将收到 HTTP 403 Forbidden 错误。

在容器启动并配置完成后,Java 应用程序可以启动了,但在启动之前需要添加数据库密码——这可以通过环境变量完成(下面是一个 Linux shell 示例):

export SPRING_DATASOURCE_PASSWORD=$DOCKER_POSTGRES_PASSWORD

现在,如果一切正常启动并运行,我们可以使用 curl 来测试我们的应用程序(以下所有命令均为 Linux shell 命令)。

使用之前创建的用户 gh_user1 登录并提取身份验证令牌:

KEYCLOAK_ACCESS_TOKEN=$(curl -d 'client_id=account-console' -d 'username=gh_user1' -d "password=$DOCKER_GH_USER1_PASSWORD" -d 'grant_type=password' 'http://localhost:8080/realms/gh_realm/protocol/openid-connect/token' | grep -oP '"access_token":"\K[^"]*')

创建一个新作者(这将测试 creator 角色是否有效):

curl -X POST --data-raw 'name="GH_name1"&address="GH_address1"' -H "Authorization: Bearer $KEYCLOAK_ACCESS_TOKEN" 'localhost:8090/library/author'

检索库中的所有作者(这将测试 viewer 角色是否有效):

curl -X GET -H "Authorization: Bearer $KEYCLOAK_ACCESS_TOKEN" 'localhost:8090/library/author'

至此,您应该拥有了创建自己的 Java 应用程序所需的一切,可以根据需要对其进行扩展和配置。


【注】本文译自:Java Spring Boot Template With PostgreSQL, Keycloak Securit

单体架构中的事件驱动架构:Java应用程序的渐进式重构

传统观点认为事件驱动架构属于微服务架构范畴,服务通过消息代理进行异步通信。然而,事件驱动模式一些最具价值的应用恰恰发生在单体应用程序内部——在这些地方,紧密耦合已造成维护噩梦,而渐进式重构则提供了一条通往更好架构的路径,且无需分布式系统的运维复杂性。

为何在单体应用中使用事件有意义

传统的分层单体应用存在一个特定问题:直接的方法调用在组件之间创建了僵化的依赖关系。您的订单处理代码直接调用库存管理,库存管理又调用仓库系统,继而触发电子邮件通知。每个组件都了解其他几个组件,从而形成一个纠缠不清的网,更改其中一部分需要理解并测试它所触及的所有内容。

事件驱动模式引入了间接性。当下单时,订单服务发布一个"OrderPlaced"事件。其他对订单感兴趣的组件——库存、发货、通知——订阅此事件并独立响应。订单服务不知道也不关心谁在监听。即使这些组件存在于同一个代码库并共享同一个数据库,它们也变得松散耦合。

这种方法提供了立竿见影的好处,而无需将应用程序拆分为微服务。您在保持单体应用运维简单性的同时,获得了可测试性、灵活性和更清晰的边界。当您最终需要提取服务时,事件驱动的结构使得过渡更加平滑,因为组件已经通过定义良好的消息进行通信,而不是直接的方法调用。

起点:一个紧密耦合的订单系统

考虑一个使用 Spring Boot 构建的典型电子商务单体应用。订单创建流程如下所示:

@Service
@Transactional
public class OrderService {
    private final OrderRepository orderRepository;
    private final InventoryService inventoryService;
    private final PaymentService paymentService;
    private final ShippingService shippingService;
    private final LoyaltyService loyaltyService;
    private final EmailService emailService;
    private final AnalyticsService analyticsService;

    public OrderService(
        OrderRepository orderRepository,
        InventoryService inventoryService,
        PaymentService paymentService,
        ShippingService shippingService,
        LoyaltyService loyaltyService,
        EmailService emailService,
        AnalyticsService analyticsService
    ) {
        this.orderRepository = orderRepository;
        this.inventoryService = inventoryService;
        this.paymentService = paymentService;
        this.shippingService = shippingService;
        this.loyaltyService = loyaltyService;
        this.emailService = emailService;
        this.analyticsService = analyticsService;
    }

    public Order createOrder(CreateOrderRequest request) {
        // 验证库存
        for (OrderItem item : request.getItems()) {
            if (!inventoryService.checkAvailability(item.getProductId(), item.getQuantity())) {
                throw new InsufficientInventoryException(item.getProductId());
            }
        }

        // 处理支付
        PaymentResult payment = paymentService.processPayment(
            request.getCustomerId(),
            calculateTotal(request.getItems()),
            request.getPaymentDetails()
        );

        if (!payment.isSuccessful()) {
            throw new PaymentFailedException(payment.getErrorMessage());
        }

        // 创建订单
        Order order = new Order(
            request.getCustomerId(),
            request.getItems(),
            payment.getTransactionId()
        );
        order.setStatus(OrderStatus.CONFIRMED);
        Order savedOrder = orderRepository.save(order);

        // 预留库存
        for (OrderItem item : request.getItems()) {
            inventoryService.reserveInventory(item.getProductId(), item.getQuantity());
        }

        // 创建发货单
        shippingService.createShipment(savedOrder);

        // 更新忠诚度积分
        loyaltyService.addPoints(
            request.getCustomerId(),
            calculateLoyaltyPoints(savedOrder)
        );

        // 发送确认邮件
        emailService.sendOrderConfirmation(savedOrder);

        // 跟踪分析
        analyticsService.trackOrderPlaced(savedOrder);

        return savedOrder;
    }
}

这段代码可以工作,但存在严重问题。OrderService 知道七个不同的服务。测试需要模拟所有这些服务。添加新的订单后操作意味着要修改此方法。如果电子邮件服务缓慢,订单创建就会变慢。如果分析跟踪失败,整个订单就会失败并回滚。

事务边界也是错误的。所有操作都在单个数据库事务中发生,这意味着即使电子邮件服务临时停机也会阻止订单创建。库存预留和发货单创建在事务上耦合,尽管它们在逻辑上是独立的操作。

引入 Spring 应用事件

Spring Framework 提供了一个内置的事件系统,在单个 JVM 内工作。默认情况下它是同步的,这使得它易于推理和调试。首先定义领域事件:

public abstract class DomainEvent {
    private final Instant occurredAt;
    private final String eventId;

    protected DomainEvent() {
        this.occurredAt = Instant.now();
        this.eventId = UUID.randomUUID().toString();
    }

    public Instant getOccurredAt() {
        return occurredAt;
    }

    public String getEventId() {
        return eventId;
    }
}

public class OrderPlacedEvent extends DomainEvent {
    private final Long orderId;
    private final Long customerId;
    private final List<OrderItem> items;
    private final BigDecimal totalAmount;

    public OrderPlacedEvent(Order order) {
        super();
        this.orderId = order.getId();
        this.customerId = order.getCustomerId();
        this.items = new ArrayList<>(order.getItems());
        this.totalAmount = order.getTotalAmount();
    }

    // Getters
}

事件应该是不可变的,并包含订阅者需要的所有信息。避免直接传递实体——而是复制相关数据。这可以防止订阅者意外修改共享状态。

重构 OrderService 以发布事件,而不是直接调用服务:

@Service
@Transactional
public class OrderService {
    private final OrderRepository orderRepository;
    private final InventoryService inventoryService;
    private final PaymentService paymentService;
    private final ApplicationEventPublisher eventPublisher;

    public OrderService(
        OrderRepository orderRepository,
        InventoryService inventoryService,
        PaymentService paymentService,
        ApplicationEventPublisher eventPublisher
    ) {
        this.orderRepository = orderRepository;
        this.inventoryService = inventoryService;
        this.paymentService = paymentService;
        this.eventPublisher = eventPublisher;
    }

    public Order createOrder(CreateOrderRequest request) {
        // 验证库存
        for (OrderItem item : request.getItems()) {
            if (!inventoryService.checkAvailability(item.getProductId(), item.getQuantity())) {
                throw new InsufficientInventoryException(item.getProductId());
            }
        }

        // 处理支付
        PaymentResult payment = paymentService.processPayment(
            request.getCustomerId(),
            calculateTotal(request.getItems()),
            request.getPaymentDetails()
        );

        if (!payment.isSuccessful()) {
            throw new PaymentFailedException(payment.getErrorMessage());
        }

        // 创建并保存订单
        Order order = new Order(
            request.getCustomerId(),
            request.getItems(),
            payment.getTransactionId()
        );
        order.setStatus(OrderStatus.CONFIRMED);
        Order savedOrder = orderRepository.save(order);

        // 同步预留库存(仍在关键路径上)
        for (OrderItem item : request.getItems()) {
            inventoryService.reserveInventory(item.getProductId(), item.getQuantity());
        }

        // 为非关键操作发布事件
        eventPublisher.publishEvent(new OrderPlacedEvent(savedOrder));

        return savedOrder;
    }
}

现在 OrderService 仅依赖四个组件,而不是八个。更重要的是,它只了解对订单创建至关重要的操作——库存验证、支付处理和库存预留。其他所有操作都通过事件发生。

为解耦的操作创建事件监听器:

@Component
public class OrderEventListeners {
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(OrderEventListeners.class);

    private final ShippingService shippingService;
    private final LoyaltyService loyaltyService;
    private final EmailService emailService;
    private final AnalyticsService analyticsService;

    public OrderEventListeners(
        ShippingService shippingService,
        LoyaltyService loyaltyService,
        EmailService emailService,
        AnalyticsService analyticsService
    ) {
        this.shippingService = shippingService;
        this.loyaltyService = loyaltyService;
        this.emailService = emailService;
        this.analyticsService = analyticsService;
    }

    @EventListener
    @Transactional(propagation = Propagation.REQUIRES_NEW)
    public void handleOrderPlaced(OrderPlacedEvent event) {
        try {
            shippingService.createShipment(event.getOrderId());
        } catch (Exception e) {
            logger.error("Failed to create shipment for order {}", event.getOrderId(), e);
            // 不要重新抛出 - 其他监听器仍应执行
        }
    }

    @EventListener
    @Transactional(propagation = Propagation.REQUIRES_NEW)
    public void updateLoyaltyPoints(OrderPlacedEvent event) {
        try {
            int points = calculatePoints(event.getTotalAmount());
            loyaltyService.addPoints(event.getCustomerId(), points);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("Failed to update loyalty points for order {}", event.getOrderId(), e);
        }
    }

    @EventListener
    public void sendConfirmationEmail(OrderPlacedEvent event) {
        try {
            emailService.sendOrderConfirmation(event.getOrderId());
        } catch (Exception e) {
            logger.error("Failed to send confirmation email for order {}", event.getOrderId(), e);
        }
    }

    @EventListener
    public void trackAnalytics(OrderPlacedEvent event) {
        try {
            analyticsService.trackOrderPlaced(event.getOrderId(), event.getTotalAmount());
        } catch (Exception e) {
            logger.error("Failed to track analytics for order {}", event.getOrderId(), e);
        }
    }
}

每个监听器在它自己的事务中运行(在适当的时候)并独立处理故障。如果发送电子邮件失败,发货单创建仍然会发生。即使分析跟踪抛出异常,订单创建事务也会成功提交。

理解事务边界

@Transactional(propagation = Propagation.REQUIRES_NEW) 注解至关重要。没有它,所有监听器都会参与订单创建事务。如果任何监听器失败,整个订单都会回滚——这正是我们试图避免的情况。

使用 REQUIRES_NEW,每个监听器都会启动一个新的事务。当监听器运行时,订单已经提交。这意味着:

  • 监听器无法阻止订单创建
  • 监听器故障不会回滚订单
  • 每个监听器的工作是独立原子性的

但这有一个权衡。如果监听器失败,订单存在但某些后处理没有发生。您需要处理这些部分故障的策略:

@EventListener
@Transactional(propagation = Propagation.REQUIRES_NEW)
public void handleOrderPlaced(OrderPlacedEvent event) {
    try {
        shippingService.createShipment(event.getOrderId());
    } catch (Exception e) {
        logger.error("Failed to create shipment for order {}", event.getOrderId(), e);

        // 记录失败以便重试
        failedEventRepository.save(new FailedEvent(
            event.getClass().getSimpleName(),
            event.getEventId(),
            "handleOrderPlaced",
            e.getMessage()
        ));
    }
}

一个单独的后台作业可以重试失败的事件:

@Component
public class FailedEventRetryJob {
    private final FailedEventRepository failedEventRepository;
    private final ApplicationEventPublisher eventPublisher;

    @Scheduled(fixedDelay = 60000) // 每分钟
    public void retryFailedEvents() {
        List failures = failedEventRepository.findRetryable();

        for (FailedEvent failure : failures) {
            try {
                // 重建并重新发布事件
                DomainEvent event = reconstructEvent(failure);
                eventPublisher.publishEvent(event);

                failure.markRetried();
                failedEventRepository.save(failure);
            } catch (Exception e) {
                logger.warn("Retry failed for event {}", failure.getEventId(), e);
                failure.incrementRetryCount();
                failedEventRepository.save(failure);
            }
        }
    }
}

这种模式提供了最终一致性——系统可能暂时不一致,但通过重试自行恢复。

转向异步事件

Spring 的 @EventListener 默认是同步的。事件处理发生在发布事件的同一线程中,发布者等待所有监听器完成。这提供了强有力的保证,但限制了可扩展性。

通过启用异步支持并注解监听器来使监听器异步:

@Configuration
@EnableAsync
public class AsyncConfig {
    @Bean(name = "eventExecutor")
    public Executor eventExecutor() {
        ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
        executor.setCorePoolSize(4);
        executor.setMaxPoolSize(10);
        executor.setQueueCapacity(100);
        executor.setThreadNamePrefix("event-");
        executor.initialize();
        return executor;
    }
}

@Component
public class OrderEventListeners {
    // ... 依赖 ...

    @Async("eventExecutor")
    @EventListener
    @Transactional(propagation = Propagation.REQUIRES_NEW)
    public void handleOrderPlaced(OrderPlacedEvent event) {
        shippingService.createShipment(event.getOrderId());
    }

    @Async("eventExecutor")
    @EventListener
    public void sendConfirmationEmail(OrderPlacedEvent event) {
        emailService.sendOrderConfirmation(event.getOrderId());
    }
}

使用 @AsynccreateOrder() 方法在发布事件后立即返回。监听器在线程池中并发执行。这显著提高了响应时间——订单创建不再等待电子邮件发送或分析跟踪。

但异步事件引入了新的复杂性。当监听器执行时,订单创建事务可能尚未提交。监听器可能尝试从数据库加载订单,但由于事务仍在进行中而找不到它。

Spring 提供了 @TransactionalEventListener 来处理这种情况:

@Component
public class OrderEventListeners {
    @Async("eventExecutor")
    @TransactionalEventListener(phase = TransactionPhase.AFTER_COMMIT)
    public void handleOrderPlaced(OrderPlacedEvent event) {
        // 这仅在订单创建事务成功提交后运行
        shippingService.createShipment(event.getOrderId());
    }
}

AFTER_COMMIT 阶段确保监听器仅在发布事务成功提交后运行。如果订单创建失败并回滚,监听器永远不会执行。这可以防止处理实际上不存在的订单的事件。

实现事件存储

随着事件驱动架构的成熟,存储事件变得有价值。事件存储提供了审计日志,支持调试,并支持更复杂的模式,如事件溯源。

创建一个简单的事件存储:

@Entity
@Table(name = "domain_events")
public class StoredEvent {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private Long id;

    @Column(nullable = false)
    private String eventId;

    @Column(nullable = false)
    private String eventType;

    @Column(nullable = false, columnDefinition = "TEXT")
    private String payload;

    @Column(nullable = false)
    private Instant occurredAt;

    @Column(nullable = false)
    private Instant storedAt;

    @Column
    private String aggregateId;

    @Column
    private String aggregateType;

    // 构造器、getter、setter
}

@Repository
public interface StoredEventRepository extends JpaRepository<StoredEvent, Long> {
    List<StoredEvent> findByAggregateIdOrderByOccurredAt(String aggregateId);
    List<StoredEvent> findByEventType(String eventType);
}

拦截并存储所有领域事件:

@Component
public class EventStoreListener {
    private final StoredEventRepository repository;
    private final ObjectMapper objectMapper;

    public EventStoreListener(StoredEventRepository repository, ObjectMapper objectMapper) {
        this.repository = repository;
        this.objectMapper = objectMapper;
    }

    @EventListener
    @Order(Ordered.HIGHEST_PRECEDENCE) // 在其他监听器之前存储
    @Transactional(propagation = Propagation.REQUIRES_NEW)
    public void storeEvent(DomainEvent event) {
        try {
            StoredEvent stored = new StoredEvent();
            stored.setEventId(event.getEventId());
            stored.setEventType(event.getClass().getSimpleName());
            stored.setPayload(objectMapper.writeValueAsString(event));
            stored.setOccurredAt(event.getOccurredAt());
            stored.setStoredAt(Instant.now());

            // 如果可用,提取聚合信息
            if (event instanceof OrderPlacedEvent) {
                OrderPlacedEvent orderEvent = (OrderPlacedEvent) event;
                stored.setAggregateId(orderEvent.getOrderId().toString());
                stored.setAggregateType("Order");
            }

            repository.save(stored);
        } catch (JsonProcessingException e) {
            throw new EventStoreException("Failed to serialize event", e);
        }
    }
}

现在,每个领域事件在业务逻辑处理之前都会持久化。您可以通过重放事件来重建系统中发生的情况:

@Service
public class OrderHistoryService {
    private final StoredEventRepository eventRepository;

    public List<OrderEvent> getOrderHistory(Long orderId) {
        List<StoredEvent> events = eventRepository.findByAggregateIdOrderByOccurredAt(
            orderId.toString()
        );

        return events.stream()
            .map(this::deserializeEvent)
            .collect(Collectors.toList());
    }

    private OrderEvent deserializeEvent(StoredEvent stored) {
        // 根据事件类型反序列化
        try {
            Class<?> eventClass = Class.forName("com.example.events." + stored.getEventType());
            return (OrderEvent) objectMapper.readValue(stored.getPayload(), eventClass);
        } catch (Exception e) {
            throw new EventStoreException("Failed to deserialize event", e);
        }
    }
}

这实现了强大的调试能力。当客户报告其订单问题时,您可以准确看到发生了什么事件以及发生的顺序。

Saga 和补偿操作

某些工作流需要跨多个步骤进行协调,其中每个步骤都可能失败。传统方法使用分布式事务,但这些方法扩展性不佳且增加了复杂性。Saga 使用编排事件和补偿操作提供了一种替代方案。

考虑一个更复杂的订单流程,您需要:

  1. 预留库存
  2. 处理支付
  3. 创建发货单

如果在预留库存后支付失败,您需要释放预留。通过补偿事件实现这一点:

public class InventoryReservedEvent extends DomainEvent {
    private final Long orderId;
    private final List<ReservationDetail> reservations;

    // 构造器、getter
}

public class PaymentFailedEvent extends DomainEvent {
    private final Long orderId;
    private final String reason;

    // 构造器、getter
}

@Component
public class InventorySagaHandler {
    private final InventoryService inventoryService;

    @EventListener
    public void handlePaymentFailed(PaymentFailedEvent event) {
        // 补偿操作:释放预留库存
        inventoryService.releaseReservation(event.getOrderId());
    }
}

Saga 通过事件而不是中央协调器进行协调:

@Service
public class OrderSagaService {
    private final ApplicationEventPublisher eventPublisher;
    private final InventoryService inventoryService;
    private final PaymentService paymentService;

    public void processOrder(Order order) {
        // 步骤 1: 预留库存
        List<ReservationDetail> reservations = inventoryService.reserve(order.getItems());
        eventPublisher.publishEvent(new InventoryReservedEvent(order.getId(), reservations));

        try {
            // 步骤 2: 处理支付
            PaymentResult payment = paymentService.processPayment(order);

            if (payment.isSuccessful()) {
                eventPublisher.publishEvent(new PaymentSucceededEvent(order.getId(), payment));
            } else {
                // 触发补偿
                eventPublisher.publishEvent(new PaymentFailedEvent(order.getId(), payment.getReason()));
                throw new PaymentException(payment.getReason());
            }
        } catch (Exception e) {
            // 触发补偿
            eventPublisher.publishEvent(new PaymentFailedEvent(order.getId(), e.getMessage()));
            throw e;
        }
    }
}

这种模式在没有分布式事务的情况下保持了一致性。每个步骤发布记录所发生事件的事件。当发生故障时,补偿事件会触发撤销先前步骤的操作。

桥接到外部消息代理

随着单体应用的增长,您可能希望与外部系统集成或为最终的服务提取做准备。Spring Cloud Stream 提供了对 RabbitMQ 或 Kafka 等消息代理的抽象,同时保持相同的事件驱动模式:

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

application.yml 中配置绑定:

spring:
  cloud:
    stream:
      bindings:
        orderPlaced-out-0:
          destination: order.placed
        orderPlaced-in-0:
          destination: order.placed
          group: order-processors
      kafka:
        binder:
          brokers: localhost:9092

创建内部事件和外部消息之间的桥接:

@Component
public class EventPublisher {
    private final StreamBridge streamBridge;

    public EventPublisher(StreamBridge streamBridge) {
        this.streamBridge = streamBridge;
    }

    @EventListener
    public void publishToExternalBroker(OrderPlacedEvent event) {
        // 将内部事件发布到外部消息代理
        streamBridge.send("orderPlaced-out-0", event);
    }
}

@Component
public class ExternalEventConsumer {
    private final ApplicationEventPublisher eventPublisher;

    public ExternalEventConsumer(ApplicationEventPublisher eventPublisher) {
        this.eventPublisher = eventPublisher;
    }

    @Bean
    public Consumer<OrderPlacedEvent> orderPlaced() {
        return event -> {
            // 将外部事件重新发布为内部事件
            eventPublisher.publishEvent(event);
        };
    }
}

这种模式让您可以选择性地将事件发布到外部,同时将内部事件保留在本地。关键的实时操作使用内部事件以实现低延迟。跨服务通信使用消息代理以实现可靠性和可扩展性。

监控与可观测性

事件驱动系统引入了新的可观测性挑战。理解正在发生的情况需要跨多个异步处理步骤跟踪事件。实施全面的日志记录和指标:

@Aspect
@Component
public class EventMonitoringAspect {
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(EventMonitoringAspect.class);
    private final MeterRegistry meterRegistry;

    public EventMonitoringAspect(MeterRegistry meterRegistry) {
        this.meterRegistry = meterRegistry;
    }

    @Around("@annotation(org.springframework.context.event.EventListener)")
    public Object monitorEventListener(ProceedingJoinPoint joinPoint) throws Throwable {
        String listenerName = joinPoint.getSignature().getName();
        Object[] args = joinPoint.getArgs();
        DomainEvent event = (DomainEvent) args[0];

        Timer.Sample sample = Timer.start(meterRegistry);

        try {
            logger.info("Processing event {} in listener {}", 
                event.getEventId(), listenerName);

            Object result = joinPoint.proceed();

            sample.stop(Timer.builder("event.listener.duration")
                .tag("listener", listenerName)
                .tag("event_type", event.getClass().getSimpleName())
                .tag("status", "success")
                .register(meterRegistry));

            meterRegistry.counter("event.listener.processed",
                "listener", listenerName,
                "event_type", event.getClass().getSimpleName(),
                "status", "success"
            ).increment();

            return result;
        } catch (Exception e) {
            sample.stop(Timer.builder("event.listener.duration")
                .tag("listener", listenerName)
                .tag("event_type", event.getClass().getSimpleName())
                .tag("status", "failure")
                .register(meterRegistry));

            meterRegistry.counter("event.listener.processed",
                "listener", listenerName,
                "event_type", event.getClass().getSimpleName(),
                "status", "failure"
            ).increment();

            logger.error("Error processing event {} in listener {}", 
                event.getEventId(), listenerName, e);

            throw e;
        }
    }
}

这个切面自动跟踪每个事件监听器的执行时间和成功率。结合 Prometheus 和 Grafana 等工具,您可以可视化事件处理模式并识别瓶颈。

添加关联 ID 以跟踪系统中的事件:

public abstract class DomainEvent {
    private final Instant occurredAt;
    private final String eventId;
    private final String correlationId;

    protected DomainEvent(String correlationId) {
        this.occurredAt = Instant.now();
        this.eventId = UUID.randomUUID().toString();
        this.correlationId = correlationId != null ? correlationId : UUID.randomUUID().toString();
    }

    // Getters
}

通过事件链传播关联 ID:

@EventListener
public void handleOrderPlaced(OrderPlacedEvent event) {
    MDC.put("correlationId", event.getCorrelationId());

    try {
        // 执行工作

        // 发布具有相同关联 ID 的后续事件
        eventPublisher.publishEvent(new ShipmentCreatedEvent(
            event.getOrderId(),
            event.getCorrelationId()
        ));
    } finally {
        MDC.clear();
    }
}

现在,与单个订单流相关的所有日志消息共享一个关联 ID,使得跨多个异步操作跟踪整个工作流变得微不足道。

测试事件驱动代码

事件驱动架构需要不同的测试策略。传统的单元测试适用于单个监听器,但集成测试对于验证事件流变得更加重要:

@SpringBootTest
@TestConfiguration
public class OrderEventIntegrationTest {
    @Autowired
    private ApplicationEventPublisher eventPublisher;

    @Autowired
    private ShippingService shippingService;

    @Autowired
    private EmailService emailService;

    @Test
    public void shouldProcessOrderPlacedEventCompletely() throws Exception {
        // 给定
        Order order = createTestOrder();
        OrderPlacedEvent event = new OrderPlacedEvent(order);

        // 当
        eventPublisher.publishEvent(event);

        // 等待异步处理
        await().atMost(5, TimeUnit.SECONDS).untilAsserted(() -> {
            // 然后
            verify(shippingService).createShipment(order.getId());
            verify(emailService).sendOrderConfirmation(order.getId());
        });
    }
}

对于单元测试,注入一个间谍事件发布器以验证事件是否正确发布:

@ExtendWith(MockitoExtension.class)
public class OrderServiceTest {
    @Mock
    private OrderRepository orderRepository;

    @Mock
    private InventoryService inventoryService;

    @Mock
    private PaymentService paymentService;

    @Spy
    private ApplicationEventPublisher eventPublisher = new SimpleApplicationEventPublisher();

    @InjectMocks
    private OrderService orderService;

    @Test
    public void shouldPublishOrderPlacedEventAfterCreatingOrder() {
        // 给定
        CreateOrderRequest request = createValidRequest();

        when(inventoryService.checkAvailability(any(), anyInt())).thenReturn(true);
        when(paymentService.processPayment(any(), any(), any()))
            .thenReturn(PaymentResult.successful("txn-123"));
        when(orderRepository.save(any())).thenAnswer(inv -> inv.getArgument(0));

        // 当
        orderService.createOrder(request);

        // 然后
        verify(eventPublisher).publishEvent(argThat(event -> 
            event instanceof OrderPlacedEvent
        ));
    }
}

迁移之旅

将单体应用重构为使用事件驱动架构并非全有或全无的命题。从一个工作流开始——通常是造成最多痛苦的那个。识别可以事件驱动的直接服务调用,并逐步引入事件。

从同步事件开始,以最小化行为变更。一旦事件正确流动,为非关键监听器切换到异步处理。当您需要审计跟踪或调试能力时,添加事件存储。仅当您需要跨服务通信或准备提取微服务时,才集成外部消息代理。

目标不是实现完美的事件驱动架构。而是减少耦合、提高可测试性,并在组件之间创建更清晰的边界。即使是部分采用也能提供价值——具有一些事件驱动模式的单体应用比完全没有的模式更易于维护。

这种渐进式方法使您能够持续交付价值,而不是投入一个需要数月时间、直到完全结束时才能交付任何成果的重构项目。您能够了解在特定领域和团队中哪些方法有效,根据实际经验而非理论理想来调整实施策略。

有用的资源


【注】本文译自: Event-Driven Architecture in Monoliths: Incremental Refactoring for Java Apps – Java Code Geeks

Java有哪些优势?

Java 的价值

当具有开创性的 Java 白皮书在 1995 年推出该语言时,它列出了七项使其超越竞争对手的核心价值。如今,Java 为在 AWS 和 Google Cloud 等主要云上运行的大规模系统提供动力,这使得这些价值对于现代部署和认证路径更具现实意义。
那份白皮书撰写至今已过去近 30 年,虽然其中许多价值仍然有效,但在 2025 年,选择 Java 作为您的部署平台的理由比以往任何时候都多。如果您关注 Java 路线图或热门技术博客,您会看到 Java 出现在云架构师、开发人员和数据领域的各个路径中。

Java 的优势

以下是 Java、JVM 和 JDK 的十大现代优势:

  1.  Java 是开源的
  2.  Java 是由社区驱动的
  3.  Java 快速且高性能
  4.  Java 易于学习
  5.  Java 是静态类型的
  6.  Java 拥有专家领导
  7.  Java 功能添加迅速
  8.  Java 是面向对象的
  9.  Java 支持函数式编程
  10. Java 优先考虑向后兼容性

    Java 是开源的

    Java 自 2011 年起已开源。任何人都可以查看 JDK 的源代码并创建定制化和优化的构建版本。这种开放性与 AWS 开发者GCP 专业云开发者等云学习路径非常契合,在这些路径中,基于 Java 的微服务很常见。
    流行的 OpenJDK 和 JVM 发行版包括:

    •   Azul 的高性能实现
    •   Oracle 的授权版本
    •   AdoptOpenJDK(现称为 Adoptium)
    •   IBM 的 Java 运行时
    •   Amazon Corretto
    •   Red Hat 的 OpenJDK 发行版
    •   微软构建的 OpenJDK
    •   高性能的 GraalVM
      谷歌甚至不惜借用 Java 源代码来构建自己的移动操作系统。这样做在道德上可能值得商榷,但美国最高法院表示,为构建 Android 操作系统而侵犯 Oracle 的版权是完全公平合理的。

      Java 是由社区驱动的

      Oracle 拥有 Java 商标这一事实在技术社区中引发了无休止的、任性的焦虑。然而,事实是 Java 通过 Java 社区进程向前发展,而非根据 Larry Ellison 的个人意愿。社区驱动的学习也体现在认证项目中,如 AWS 云从业者AWS 解决方案架构师GCP 助理云工程师
      JCP 是向 Java 编程语言添加新功能、新规范和新 API 的途径。在过去的 20 年里,JCP 完成了以下工作:

    •   增加了 1000 多名成员
    •   欢迎了 200 多家公司
    •   鼓励独立开发人员加入

社区支持和贡献是 Java 为软件开发社区带来的巨大优势之一,这种精神您同样可以在 AWS DevOps 工程师GCP DevOps 工程师圈子里找到。

Java 快速且高性能

Java 虚拟机是一个抽象层,使得 Java 程序能够跨平台运行。这种可移植性与 AWS 安全专家AWS 数据工程师GCP 专业数据工程师路径中的云工作负载非常匹配。
JVM 架构中立是 Java 的一大优势,但人们总是担心所需的抽象层可能会严重影响性能。但事实并非如此
在 JVM 上运行的 Java 可能无法达到与 C++ 或 Rust 等编译语言相同的性能。然而,垃圾收集器工作方式的改进、即时编译器的使用以及大量其他底层优化为 Java 平台带来了接近原生的性能。

Java 易于学习

1995 年的 Java 白皮书曾夸耀 Java 易于学习,因为它采用了该语言发布时流行的、类似 C 的熟悉语法。如果您喜欢结构化的目标和问责制,来自 Scrumtuous 的 Scrum 式冲刺可以帮助您规划 Java 学习节奏。
2023 年,JDK 拥有了 JShell,这使得 Java 对 Python 和 JavaScript 开发人员来说变得熟悉且易于学习。应试耐力可以通过像 Udemy 实践考试合集这样的题库来培养,即使它针对的是 AWS。这种训练方法可以很好地迁移到 Java 考试和云认证中。
此外,像 Replit 和 OneCompiler 这样的在线编译器允许学习者无需安装 IDE 或配置 JAVA_HOME 即可开始使用 Java。如果您的最终目标包括云角色,请参阅基础的 AWS 云从业者GCP 助理云工程师页面。

Java 是静态类型的

与 Python 或 JavaScript 等语言不同,Java 是静态类型的。
在 Java 中,您需要指定变量是 float、double、int、Integer、char 还是 String。这比动态类型语言提供了两个显著好处:

  •   它使得管理大型代码库更加容易,这对于 AWS 解决方案架构师GCP 云架构师非常重要。
  •   它使得优化运行时环境成为可能,这对 AWS 数据工程师GCP 数据库工程师等数据密集型角色有所帮助。
    Java 在 Python 和 JavaScript 失败的情况下仍能扩展的原因,通常可以追溯到 Java 的静态类型特性。

    Java 语言的静态类型特性是其主要优势。

    Java 拥有专家领导

    虽然该语言通过 Java 社区进程向前发展,但有两位杰出的软件架构师在 Oracle 内部指导着 Java 平台的演进。领导力和管理也是云项目中的主题,例如 AWS 专业级解决方案架构师以及专注于安全的路径,如 AWS 安全专家GCP 安全工程师

    功能采纳迅速

    与其他语言相比,Java 的优势之一是采纳新功能和响应社区需求的速度非常快。同样的迭代速度也反映在实践角色中,如 AWS DevOps 工程师GCP DevOps 工程师,这些角色会持续部署 Java 服务。

    Java 是面向对象的

    Java 用户认为这是理所当然的,但讨论 Java 的优势不能忽视 Java 是完全面向对象的,它实现了重要的 OOA&D 概念,例如:

  •   继承
  •   组合
  •   多态
  •   封装
  •   接口

对于使用 Scrum 主管产品负责人角色等框架组织工作的团队来说,Java 的对象建模自然地契合了映射到领域驱动设计的待办事项项。

Java 支持函数式编程

软件开发行业出现了向函数式编程的重大转变,而 Java 一直是这一趋势的重要组成部分。如果您旨在将 ML 服务与 Java 微服务融合,请探索 AWS 机器学习AWS AI 从业者路径。
函数式编程和不可变类型的使用可以使程序更快、更简洁且更易于理解。Java 在 Java 8 中进行了重大转变,引入了 Java Streams 和 lambda 表达式,这开启了 Java 函数式编程的新时代。您可以使用该语言同时进行函数式编程和面向对象编程,这是一个主要优势。

向后兼容性

随着 Java 社区推动 API 的重大更改,该语言的维护者始终优先考虑向后兼容性和非破坏性功能的添加。稳定性是 Java 在准备 AWS 助理级解决方案架构师GCP 专业云架构师角色的架构师中保持首选的原因之一。
即使引入了作为函数式编程的默认接口和 lambda 表达式,Java 平台也保持了向后兼容性。早期版本编写的代码可以在更新的环境中运行,无需重新编译。
在 2025 年,Java 的价值众多,因为 JDK 和 JVM 对于包含 AWS 云从业者解决方案架构师开发者数据工程师安全专家,以及高级角色如 AWS 专业级解决方案架构师,还有 GCP 路径如 GCP 数据从业者GCP 专业云网络工程师GCP Workspace 管理员GCP 机器学习工程师GCP 生成式 AI 负责人GCP 数据库工程师在内的多云职业而言,比以往任何时候都更具现实意义。

Java、JVM 和 JDK 的诸多优势持续推动着该编程语言的采用。


【注】本文译自:What are the advantages of Java?

构建复合AI系统以实现可扩展工作流

了解如何利用复合AI系统架构化模块化且安全的智能体工作流,以实现可扩展的企业自动化。

生成式AI、大语言模型和多智能体编排的融合催生了一个变革性的概念:复合AI系统。这些架构超越了单个模型或助手,代表了智能代理的生态系统,它们通过协作来大规模交付业务成果。随着企业追求超自动化、持续优化和个性化参与,设计智能体工作流已成为关键的差异化因素。

本文探讨复合AI系统的设计,重点聚焦模块化AI代理、安全编排、实时数据集成和企业治理。旨在为解决方案架构师、工程领导者和数字化转型高管提供一个实用的蓝图,用于在各个领域(包括客户服务、IT运营、营销和现场自动化)构建和扩展智能代理生态系统。

复合AI的兴起

传统的AI应用通常是孤立的,一个机器人专用于服务,另一个专注于分析,还有一个用于营销。然而,真实世界的工作流是相互关联的,需要共享上下文、移交意图并进行自适应协作。复合AI系统通过以下方式解决这一问题:

  • 启用自主但协作的代理(例如,规划器、检索器、执行器)
  • 促进多模态交互(文本、语音、事件)
  • 支持企业级的可解释性、隐私和控制指南

这反映了复杂系统在人类组织中的运作方式:每个单元(代理)都有其角色,但它们共同创造了一个价值链。

企业级智能体工作流的设计原则

设计有效的复合AI系统需要深思熟虑的方法,以确保模块化、可扩展性并与企业目标保持一致。以下是指导智能体工作流开发的关键原则:

1. 模块化代理设计

每个AI代理都应遵循单一职责原则,设计为具有特定、明确界定的职责。这种模块化使维护、测试和可扩展性变得更加容易。例如:

  • 规划器代理:将总体目标分解为可管理的子任务。
  • 检索器代理:从不同来源检索和收集相关数据。
  • 执行器代理:根据规划器的指令执行操作。
  • 评估器代理:评估结果并提供反馈以持续改进。

通过明确定义职责,代理可以独立运作,同时在系统内协同工作。

2. 事件驱动和以意图为中心的架构

从静态的、同步的工作流转向动态的、事件驱动的架构,可增强响应能力和适应性。实施以意图为中心的设计使系统能够有效解释用户或系统意图并据此行动。关键组件包括:

  • 意图路由器:对意图进行分类并将其引导至相应的代理。
  • 事件代理:通过事件消息促进代理之间的通信。
  • 记忆模块:随时间推移保存上下文,使代理能够基于历史数据做出明智决策。

这种架构实现了可扩展性和弹性,这对企业环境至关重要。

3. 企业数据集成与检索增强生成

集成结构化和非结构化数据源可确保AI代理在全面的上下文中运行。利用检索增强生成技术使代理能够访问外部知识库,从而提高其决策能力。策略包括:

  • 数据连接器:创建与企业数据库和API的安全连接。
  • 向量数据库:增强语义搜索和相关信息的检索。
  • 知识图谱:提供数据实体之间关系的结构化表示。

这种集成确保了代理信息灵通、具有上下文意识,并能提供准确的结果。

4. 安全与治理框架

确保智能体系统的安全性和合规性至关重要。实施强大的治理框架有助于维持信任和问责制。关键实践包括:

  • 访问控制:建立并强制执行数据和代理交互的权限。
  • 审计追踪:记录代理活动以实现透明度和合规性。
  • 合规性检查:根据GDPR和HIPAA等监管标准定期评估系统。

结构良好的治理模型可以防范风险,并确保AI的合乎道德的部署。

5. 可观测性与持续监控

实施可观测性实践能够实时监控和诊断代理行为及系统性能。关键组件包括:

  • 日志记录:记录代理行动和决策的全面日志。
  • 指标收集:收集性能指标,如响应时间和错误率。
  • 警报系统:及时向利益相关者通知异常或系统故障。

持续监控允许进行主动维护和持续改进。

6. 人在回路机制

纳入人工监督可确保AI代理在可接受的范围内运行,并适应细微的场景。HITL方法包括:

  • 审批工作流:确保关键决策或行动得到人工验证。
  • 反馈循环:使用户能够就代理性能提供输入,指导其未来行为。
  • 干预协议:允许人员在必要时修改或调整代理行动。

平衡自动化与人工判断可增强系统可靠性并建立用户信任。

7. 可扩展性与性能优化

设计能够有效扩展以处理不断增长工作负载的系统至关重要。实现这一目标的策略包括:

  • 负载均衡:在代理和资源之间均匀分配工作负载。
  • 异步处理:使代理能够独立运行,最大限度地减少瓶颈。
  • 资源管理:有效监控和分配计算资源以维持性能。

针对可扩展性进行优化可确保系统在需求增加时保持响应能力和有效性。

通过遵循这些设计原则,企业可以创建稳健、高效、可靠的智能体工作流,这些工作流既符合组织目标,又能适应不断变化的挑战。

实际应用案例:现场服务代理网格

场景:一家公用事业组织可以利用三个专门的AI代理来增强现场响应操作:

  • 规划器代理:评估收到的用户投诉并制定解决计划。
  • 检索器代理:获取资产位置、历史工单数据和合规性检查清单。
  • 执行器代理:安排技术人员并向移动服务团队发送警报。

影响:提高任务分配效率、缩短解决周期并提高技术人员生产率。

结论

复合AI系统正在通过促进智能、适应性强且可扩展的工作流来改变企业架构。设计模块化、可编排的智能体系统有助于组织:

  • 加速AI驱动的转型
  • 增强运营弹性和灵活性
  • 为客户和员工体验提供更好的结果

未来在于从孤立的AI任务转向复合的代理生态系统,这是一种将创新与强大治理及领域相关性相结合的战略。


【注】本文译自:Architecting Compound AI Systems for Scalable Workflows

Spring Boot WebSocket:使用 Java 构建多频道聊天系统

这是一个使用 WebFlux 和 MongoDB 构建响应式 Spring Boot WebSocket 聊天的分步指南,包括配置、处理程序和手动测试。


正如您可能已经从标题中猜到的,今天的主题将是 Spring Boot WebSockets。不久前,我提供了一个基于 Akka 工具包库的 WebSocket 聊天示例。然而,这个聊天将拥有更多一些功能,以及一个相当不同的设计。

我将跳过某些部分,以避免与上一篇文章的内容有太多重复。在这里您可以找到关于 WebSockets 更深入的介绍。请注意,本文中使用的所有代码也可以在 GitHub 仓库中找到。

Spring Boot WebSocket:使用的工具

让我们从描述将用于实现整个应用程序的工具开始本文的技术部分。由于我无法完全掌握如何使用经典的 Spring STOMP 覆盖来构建真正的 WebSocket API,我决定选择 Spring WebFlux 并使一切具有响应式特性。

  • Spring Boot – 基于 Spring 的现代 Java 应用程序离不开 Spring Boot;所有的自动配置都是无价的。
  • Spring WebFlux – 经典 Spring 的响应式版本,为处理 WebSocket 和 REST 提供了相当不错且描述性的工具集。我敢说,这是在 Spring 中实际获得 WebSocket 支持的唯一方法。
  • Mongo – 最流行的 NoSQL 数据库之一,我使用它来存储消息历史记录。
  • Spring Reactive Mongo – 用于以响应式方式处理 Mongo 访问的 Spring Boot 启动器。在一个地方使用响应式而在另一个地方不使用并不是最好的主意。因此,我决定也让数据库访问具有响应式特性。

让我们开始实现吧!

Spring Boot WebSocket:实现

依赖项与配置

pom.xml

<dependencies>
    <!--编译时依赖-->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-webflux</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-data-mongodb-reactive</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

application.properties

spring.data.mongodb.uri=mongodb://chats-admin:admin@localhost:27017/chats

我更喜欢 .properties 而不是 .yml——依我拙见,YAML 在较大规模上不可读且难以维护。

WebSocketConfig

@Configuration
class WebSocketConfig {

    @Bean
    ChatStore chatStore(MessagesStore messagesStore) {
        return new DefaultChatStore(Clock.systemUTC(), messagesStore);
    }

    @Bean
    WebSocketHandler chatsHandler(ChatStore chatStore) {
        return new ChatsHandler(chatStore);
    }

    @Bean
    SimpleUrlHandlerMapping handlerMapping(WebSocketHandler wsh) {
        Map<String, WebSocketHandler> paths = Map.of("/chats/{id}", wsh);
        return new SimpleUrlHandlerMapping(paths, 1);
    }

    @Bean
    WebSocketHandlerAdapter webSocketHandlerAdapter() {
        return new WebSocketHandlerAdapter();
    }
}

出乎意料的是,这里定义的四个 Bean 都非常重要。

  • ChatStore – 用于操作聊天的自定义 Bean,我将在后续步骤中详细介绍这个 Bean。
  • WebSocketHandler – 将存储所有与处理 WebSocket 会话相关逻辑的 Bean。
  • SimpleUrlHandlerMapping – 负责将 URL 映射到正确的处理器,此处理的完整 URL 看起来大致像这样:ws://localhost:8080/chats/{id}
  • WebSocketHandlerAdapter – 一种功能性的 Bean,它为 Spring Dispatcher Servlet 添加了 WebSocket 处理支持。

ChatsHandler

class ChatsHandler implements WebSocketHandler {

    private final Logger log = LoggerFactory.getLogger(ChatsHandler.class);

    private final ChatStore store;

    ChatsHandler(ChatStore store) {
        this.store = store;
    }

    @Override
    public Mono<Void> handle(WebSocketSession session) {
        String[] split = session.getHandshakeInfo()
            .getUri()
            .getPath()
            .split("/");
        String chatIdStr = split[split.length - 1];
        int chatId = Integer.parseInt(chatIdStr);
        ChatMeta chatMeta = store.get(chatId);
        if (chatMeta == null) {
            return session.close(CloseStatus.GOING_AWAY);
        }
        if (!chatMeta.canAddUser()) {
            return session.close(CloseStatus.NOT_ACCEPTABLE);
        }

        String sessionId = session.getId();
        store.addNewUser(chatId, session);
        log.info("New User {} join the chat {}", sessionId, chatId);
        return session
               .receive()
               .map(WebSocketMessage::getPayloadAsText)
               .flatMap(message -> store.addNewMessage(chatId, sessionId, message))
               .flatMap(message -> broadcastToSessions(sessionId, message, store.get(chatId).sessions()))
               .doFinally(sig -> store.removeSession(chatId, session.getId()))
               .then();
    }

    private Mono<Void> broadcastToSessions(String sessionId, String message, List<WebSocketSession> sessions) {
        return Flux.fromStream(sessions
                .stream()
                .filter(session -> !session.getId().equals(sessionId))
                .map(session -> session.send(Mono.just(session.textMessage(message)))))
                .then();
    }
}

正如我上面提到的,在这里您可以找到所有与处理 WebSocket 会话相关的逻辑。首先,我们从 URL 解析聊天的 ID 以获取目标聊天。根据特定聊天的上下文,响应不同的状态。

此外,我还将消息广播到与特定聊天相关的所有会话——以便用户实际交换消息。我还添加了 doFinally 触发器,它将从 chatStore 中清除已关闭的会话,以减少冗余通信。总的来说,这段代码是响应式的;我需要遵循一些限制。我试图使其尽可能简单和可读,如果您有任何改进的想法,我持开放态度。

ChatsRouter

@Configuration(proxyBeanMethods = false)
class ChatRouter {

    private final ChatStore chatStore;

    ChatRouter(ChatStore chatStore) {
        this.chatStore = chatStore;
    }

    @Bean
    RouterFunction<ServerResponse> routes() {
        return RouterFunctions
        .route(POST("api/v1/chats/create"), e -> create(false))
        .andRoute(POST("api/v1/chats/create-f2f"), e -> create(true))
        .andRoute(GET("api/v1/chats/{id}"), this::get)
        .andRoute(DELETE("api/v1/chats/{id}"), this::delete);
    }
}

WebFlux 定义 REST 端点的方法与经典 Spring 有很大不同。上面,您可以看到用于管理聊天的 4 个端点的定义。与 Akka 实现中的情况类似,我希望有一个用于管理聊天的 REST API 和一个用于实际处理聊天的 WebSocket API。我将跳过函数实现,因为它们非常简单;您可以在 GitHub 上查看它们。

ChatStore

首先,接口:

public interface ChatStore {
    int create(boolean isF2F);
    void addNewUser(int id, WebSocketSession session);
    Mono<String> addNewMessage(int id, String userId, String message);
    void removeSession(int id, String session);
    ChatMeta get(int id);
    ChatMeta delete(int id);
}

然后是实现:

public class DefaultChatStore implements ChatStore {

    private final Map<Integer, ChatMeta> chats;
    private final AtomicInteger idGen;
    private final MessagesStore messagesStore;
    private final Clock clock;

    public DefaultChatStore(Clock clock, MessagesStore store) {
        this.chats = new ConcurrentHashMap<>();
        this.idGen = new AtomicInteger(0);
        this.clock = clock;
        this.messagesStore = store;
    }

    @Override
    public int create(boolean isF2F) {
        int newId = idGen.incrementAndGet();
        ChatMeta chatMeta = chats.computeIfAbsent(newId, id -> {
            if (isF2F) {
                return ChatMeta.ofId(id);
            }
            return ChatMeta.ofIdF2F(id);
        });
        return chatMeta.id;
    }

    @Override
    public void addNewUser(int id, WebSocketSession session) {
        chats.computeIfPresent(id, (k, v) -> v.addUser(session));
    }

    @Override
    public void removeSession(int id, String sessionId) {
        chats.computeIfPresent(id, (k, v) -> v.removeUser(sessionId));
    }

    @Override
    public Mono<String> addNewMessage(int id, String userId, String message) {
        ChatMeta meta = chats.getOrDefault(id, null);
        if (meta != null) {
            Message messageDoc = new Message(id, userId, meta.offset.getAndIncrement(), clock.instant(), message);
            return messagesStore.save(messageDoc)
                    .map(Message::getContent);
        }
        return Mono.empty();
    }
    // 省略部分
}

ChatStore 的基础是 ConcurrentHashMap,它保存所有开放聊天的元数据。接口中的大多数方法都不言自明,背后没有什么特别之处。

  • create – 创建一个新聊天,带有一个布尔属性,指示聊天是 f2f 还是群聊。
  • addNewUser – 向现有聊天添加新用户。
  • removeUser – 从现有聊天中移除用户。
  • get – 获取具有 ID 的聊天的元数据。
  • delete – 从 CMH 中删除聊天。

这里唯一复杂的方法是 addNewMessages。它增加聊天内的消息计数器,并将消息内容持久化到 MongoDB 中,以实现持久性。

MongoDB

消息实体

public class Message {
   @Id
   private String id;
   private int chatId;
   private String owner;
   private long offset;
   private Instant timestamp;
   private String content;
}

存储在数据库中的消息内容模型,这里有三个重要的字段:

  1. chatId – 表示发送特定消息的聊天。
  2. ownerId – 消息发送者的用户 ID。
  3. offset – 消息在聊天中的序号,用于检索排序。

MessageStore

public interface MessagesStore extends ReactiveMongoRepository<Message, String> {}

没什么特别的,经典的 Spring 仓库,但是以响应式方式实现,提供了与 JpaRepository 相同的功能集。它直接在 ChatStore 中使用。此外,在主应用程序类 WebsocketsChatApplication 中,我通过使用 @EnableReactiveMongoRepositories 来激活响应式仓库。没有这个注解,上面的 messageStore 将无法工作。好了,我们完成了整个聊天的实现。让我们测试一下!

Spring Boot WebSocket:测试

对于测试,我使用 Postman 和 Simple WebSocket Client。

  1. 我正在使用 Postman 创建一个新聊天。在响应体中,我得到了最近创建的聊天的 WebSocket URL。

图片:Postman 创建聊天请求的屏幕截图

  1. 现在是使用它们并检查用户是否可以相互通信的时候了。Simple Web Socket Client 在这里派上用场。因此,我在这里连接到新创建的聊天。

图片:Simple Web Socket Client 连接界面的屏幕截图

  1. 好了,一切正常,用户可以相互通信了。

图片:两个 WebSocket 客户端交换消息的屏幕截图
图片:两个 WebSocket 客户端交换消息的屏幕截图
图片:两个 WebSocket 客户端交换消息的屏幕截图

还有最后一件事要做。让我们花点时间看看哪些地方可以做得更好。

可以改进的地方

由于我刚刚构建的是最基础的聊天应用程序,有一些(或者实际上相当多)地方可以做得更好。下面,我列出了一些我认为值得改进的方面:

  • 身份验证和重新加入支持 – 目前,一切都基于 sessionId。这不是一个最优的方法。最好能有一些身份验证机制,并基于用户数据实现实际的重新加入。
  • 发送附件 – 目前,聊天仅支持简单的文本消息。虽然发消息是聊天的基本功能,但用户也喜欢交换图片和音频文件。
  • 测试 – 目前没有测试,但为什么要保持这样呢?测试总是一个好主意。
  • offset 溢出 – 目前,它只是一个简单的 int。如果我们要在非常长的时间内跟踪 offset,它迟早会溢出。

总结

好了!Spring Boot WebSocket 聊天已经实现,主要任务已完成。您对下一步要开发什么有了一些想法。

请记住,这个聊天案例非常简单,对于任何类型的商业项目,都需要大量的修改和开发。

无论如何,我希望您在阅读本文时学到了一些新东西。

感谢您的时间。


【注】本文译自:Spring Boot WebSocket: Building a Multichannel Chat in Java

Java包装类:你需要掌握的核心要点

自Java 21起,包装类在Java类型系统中扮演着日益复杂的角色。以下是关于虚拟线程、模式匹配等方面更新所需了解的全部信息。

你是否曾好奇Java如何无缝地将其基本数据类型与面向对象编程相结合?这就引入了包装类——一个重要但常被忽视的Java特性。这些特殊类在基本类型(如intdouble)与对象之间架起了桥梁,使您能够在集合中存储数字、处理空值、使用泛型,甚至在现代特性(如模式匹配)中处理数据。
无论您是在使用List<Integer>还是从字符串解析Double,Java的包装类都使其成为可能。在本文中,我们将介绍Java 21(当前Java的长期支持版本)中的包装类。我还会提供在使用包装类时的技巧、示例以及equals()hashCode()中需要避免的陷阱。

在深入探讨Java 21中包装类的新特性之前,我们先快速回顾一下。

包装类的定义和用途

Java包装类是最终(final)、不可变的类,它们将基本值“包装”在对象内部。每种基本类型都有一个对应的包装类:

  • Boolean
  • Byte
  • Character
  • Short
  • Integer
  • Long
  • Float
  • Double

这些包装类有多种用途:

  • 允许在需要对象的地方使用基本类型(例如,在集合和泛型中)。
  • 提供用于类型转换和操作的实用方法。
  • 支持空值(null),而基本类型不能。
  • 支持反射和其他面向对象的操作。
  • 通过对象方法实现一致的数据处理。

Java版本中包装类的演变

在整个Java历史中,包装类经历了显著的演变:

  • Java 1.0 到 Java 1.4:引入了基本的包装类,并需要手动装箱和拆箱。
  • Java 5:增加了自动装箱和拆箱,极大地简化了代码。
  • Java 8:通过新的实用方法和函数式接口兼容性增强了包装类。
  • Java 9:弃用了包装类构造函数,推荐使用工厂方法。
  • Java 16 到 17:加强了弃用警告,并为移除包装类构造函数做准备。
  • Java 21:改进了包装类的模式匹配,并进一步优化了其在虚拟线程中的性能。

这种演变反映了Java在向后兼容性和集成现代编程范式之间持续的平衡。

Java 21类型系统中的包装类

从Java 21开始,包装类在Java类型系统中扮演着日益复杂的角色:

  • 增强的switchinstanceof模式匹配与包装类型无缝协作。
  • 与记录模式(record patterns)自然集成,实现更清晰的数据操作。
  • 优化了包装类型与虚拟线程系统之间的交互。
  • 改进了Lambda表达式和方法引用中包装类的类型推断。

Java 21中的包装类在承担其基本桥梁作用的同时,也融合了现代语言特性,使其成为当代Java开发的重要组成部分。

Java 21中的基本数据类型和包装类

Java为每种基本类型提供了一个包装类,为语言的基本值创建了完整的面向对象表示。以下是基本类型及其对应包装类的快速回顾,并附有创建示例:

基本类型 (Primitive type) 包装类 (Wrapper class) 创建示例 (Example creation)
boolean java.lang.Boolean Boolean.valueOf(true)
byte java.lang.Byte Byte.valueOf((byte)1)
char java.lang.Character Character.valueOf('A')
short java.lang.Short Short.valueOf((short)100)
int java.lang.Integer Integer.valueOf(42)
long java.lang.Long Long.valueOf(10000L)
float java.lang.Float Float.valueOf(3.14F)
double java.lang.Double Double.valueOf(2.71828D)

每个包装类都扩展了Object并实现了ComparableSerializable等接口。包装类提供了超越其基本对应物的附加功能,例如能够使用equals()方法进行比较。

包装类方法

Java的包装类提供了一组丰富的实用方法,超越了其装箱基本类型的主要角色。这些方法提供了方便的方式来解析字符串、转换类型、执行数学运算和处理特殊值。

类型转换方法

  • 字符串解析:Integer.parseInt("42"), Double.parseDouble("3.14")
  • 跨类型转换:intValue.byteValue(), intValue.doubleValue()
  • 进制转换:Integer.parseInt("2A", 16), Integer.toString(42, 2)
  • 无符号操作:Integer.toUnsignedLong()

实用方法

  • 最小/最大值函数:Integer.min(a, b), Long.max(x, y)
  • 比较:Double.compare(d1, d2)
  • 数学运算:Integer.sum(a, b), Integer.divideUnsigned(a, b)
  • 位操作:Integer.bitCount(), Integer.reverse()
  • 特殊值检查:Double.isNaN(), Float.isFinite()

valueOf()

另一个需要了解的重要方法是valueOf()。构造函数在Java 9中被弃用,并在Java 16中标记为待移除。不用构造函数的一种方法是改用工厂方法;例如,使用Integer.valueOf(42)而不是new Integer(42)valueOf()的优点包括:

  • 对基本类型包装器进行内存高效的缓存(IntegerShortLongByte缓存-128到127;Character缓存0-127;Boolean缓存TRUE/FALSE常量)。
  • FloatDouble由于其浮点值范围而不进行缓存。
  • 一些工厂方法对空输入有明确的行为定义。

模式匹配和虚拟线程的包装类更新

Java 21中的包装类针对模式匹配和虚拟线程进行了优化。Java中的模式匹配允许您测试对象的结构和类型,同时提取其组件。Java 21显著增强了switch语句的模式匹配,特别是在包装类方面。如下例所示,增强的模式匹配在处理多态数据时能够实现更简洁和类型安全的代码:

public String describeNumber(Number n) {
    return switch (n) {
        case Integer i when i < 0 -> "Negative integer: " + i;
        case Integer i -> "Positive integer: " + i;
        case Double d when d.isNaN() -> "Not a number";
        case Double d -> "Double value: " + d;
        case Long l -> "Long value: " + l;
        case null -> "No value provided";
        default -> "Other number type: " + n.getClass().getSimpleName();
    };
}

模式匹配的主要改进包括:

  • 空值处理(
    Null handling)
    :显式的空值case防止了意外的NullPointerException
  • 守卫模式(Guard patterns):when子句支持复杂的条件匹配。
  • 类型细化(Type refinement): 编译器现在理解每个case分支内的细化类型。
  • 嵌套模式(Nested patterns): 模式匹配现在支持涉及嵌套包装对象的复杂模式。
  • 穷举性检查(Exhaustiveness checking): 您现在可以获得编译器验证,确保覆盖了所有可能的类型。

这些特性使得包装类的处理更加类型安全和富有表现力,特别是在处理混合了基本类型和对象数据的代码中。

Java 21的虚拟线程特性也与包装类有几个重要的交互方式。首先,在并发上下文中的装箱开销减少了,如下所示:

// 使用虚拟线程高效处理大量数字流
void processNumbers(List<Integer> numbers) {
    try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
        numbers.forEach(num -> 
            executor.submit(() -> processNumber(num))
        );
    }
}

虚拟线程的其他更新包括:

  • JVM优化了涉及包装类的线程通信,减少了虚拟线程调度和交接的开销。
  • 线程本地缓存也得到了改进。包装类缓存(Integer等类型的-128到127)是按载体线程(carrier thread)而不是按虚拟线程维护的,防止了高并发场景下不必要的内存使用。
  • 还添加了身份保留(Identity preservation)。在单个虚拟线程内,包装类的身份被适当地维护,以用于同步和身份敏感的操作。

最后,对包装类进行了优化,以提高其在虚拟线程中的性能:

  • 虚拟线程使用栈遍历(stack walking)进行各种操作。包装类优化了这些交互。
  • 虚拟线程调度器队列中的包装类受益于内存效率的改进。
  • 通过优化的拆箱操作减少了线程固定(thread pinning)的风险。
  • 结构化并发模式与包装类值组合无缝协作。

包装类和虚拟线程之间的集成确保了包装类在Java 21引入的新并发编程模型中保持其有用性。这里描述的变化确保了包装类在Java中继续发挥作用,而不会出现在高吞吐量、虚拟线程密集型应用中可能发生的性能损失。

包装类中的Equals和hashcode实现

包装类重写了equals()方法,以执行基于值的比较,而不是Object.equals()使用的引用比较。在基于值的比较中,两个包装对象如果包含相同的基本值,则它们是相等的,无论它们是否是内存中不同的对象。这种比较类型具有类型特定性和空值安全性的优点:

  • 类型特异性: 仅当两个对象都是完全相同的包装类型时,比较才返回true。
  • 空值安全性: 所有包装类实现都能安全地处理空值比较。

在下面的例子中,Integer.equals()检查参数是否为Integer并且具有相同的int值:

public boolean equals(Object obj) {
    if (obj instanceof Integer) {
        return value == ((Integer)obj).intValue();
    }
    return false;
}

需要注意几个特殊情况:

  • FloatDouble 这些包装类一致地处理像NaN这样的特殊值。(与基本类型比较不同,在equals()NaN等于NaN。)
  • 自动装箱: 当使用==而不是equals()进行比较时,由于对某些值的缓存,自动装箱可能导致意外行为。

基于哈希的集合中的包装类

包装类以实现与其基本值直接对应的hashCode()方式,确保了在基于哈希的集合中的一致行为。这对于HashMapHashSetConcurrentHashMap等集合至关重要。考虑以下实现细节,然后我们将看几个例子。

  • IntegerShortByte:直接将基本值作为哈希码返回。
  • Long:将低32位与高32位进行异或操作:((int)(value ^ (value >>> 32)))
  • Float:使用Float.floatToIntBits()转换为原始位,以处理像NaN这样的特殊值。
  • Double:转换为原始位,然后对结果位使用Long的策略。
  • Character:将Unicode代码点作为哈希码返回。
  • Boolean:返回1231表示true1237表示false(任意但一致的值)。

在基于哈希的集合中使用包装类有几个优点:

  • 性能: 基于哈希的集合依赖分布良好的哈希码来实现O(1)的查找性能。
  • 一致性: hashCode()约定要求相等的对象产生相等的哈希码,包装类保证了这一点。
  • 特殊值处理: 正确处理边缘情况,如浮点类型中的NaN(两个NaN值在哈希码中是相等的,尽管使用equals()比较时不相等)。
  • 分布: 实现旨在最小化常见值模式的哈希冲突。
  • 不可变性: 由于包装对象是不可变的,它们的哈希码可以在首次计算后安全地缓存,从而提高性能。

这种谨慎的实现确保了包装类能够可靠地作为基于哈希的集合中的键,这是Java应用程序中的常见用例。

== 与 .equals() 包装类陷阱

我见过许多由使用==而不是.equals()比较包装对象引起的错误。这是一个经典的Java陷阱,甚至困扰着有经验的开发人员。你可以从这里看到是什么让它如此棘手:

Integer a = 100;
Integer b = 100;
System.out.println(a == b);      // 输出: true

Integer c = 200;
Integer d = 200;
System.out.println(c == d);      // 输出: false (等等,什么?)

这种令人困惑的行为发生是因为Java在内部缓存了常用值的Integer对象(通常是-128到127)。在这个范围内,Java重用相同的对象,而在缓存范围之外,你会得到新的对象。

这就是为什么黄金法则很简单:在比较包装对象时,始终使用.equals()。这个方法始终检查值相等性(value equality)而不是对象同一性(object identity):

// 无论缓存如何,这种方法都能可靠地工作
if (wrapperA.equals(wrapperB)) {
    // 值相等
}

空值拆箱陷阱

开发人员花费大量时间试图理解令人困惑的NullPointerException的起源,如下所示:

Integer wrapper = null;
int primitive = wrapper; // 运行时抛出 NullPointerException

这段看似无害的代码编译时没有警告,但在运行时崩溃。当Java尝试将空(null)包装器拆箱为其基本等效值时,它会尝试在空引用上调用intValue()等方法,从而导致NullPointerException

这个问题特别危险,因为它静默地通过编译,错误只在执行期间出现,并且通常发生在方法参数、数据库结果和集合处理中。为了保护你的代码,你可以使用以下防御策略:

  • 显式空值检查;例如,int primitive = (wrapper != null) ? wrapper : 0;
  • Java 21 模式匹配;例如,int value = (wrapper instanceof Integer i) ? i : 0;
  • 提供默认值;例如,int safe = Optional.ofNullable(wrapper).orElse(0);

在包装对象和基本类型之间转换时,尤其是在处理可能包含来自外部源或数据库查询的空值的数据时,务必小心。

包装类常量(不要重复造轮子)

每个Java开发人员可能都曾在某个时候写过类似“if (temperature > 100)”的代码。但是当你需要检查一个值是否超过整数的最大容量时呢?硬编码2147483647是滋生bug的温床。

相反,你可以使用带有内置常量的包装类:

// 这样清晰且自文档化
if (calculatedValue > Integer.MAX_VALUE) {
    logger.warn("Value overflow detected!");
}

最有用的常量分为两类。
数值限制有助于防止溢出错误:

  • Integer.MAX_VALUEInteger.MIN_VALUE
  • 需要更大范围时使用 Long.MAX_VALUE

浮点特殊值处理边缘情况:

  • Double.NaN 表示“非数字”结果。
  • 需要表示时使用 Double.POSITIVE_INFINITY

我发现这些在处理金融计算或处理科学数据(其中特殊值很常见)时特别有用。

包装类的内存和性能影响

理解包装类的内存和性能影响至关重要。首先,每个包装对象需要16字节的头部开销:12字节用于对象头部,4字节用于对象引用。我们还必须考虑实际的基本值存储(例如,Integer为4字节,Long为8字节等)。最后,集合中的对象引用增加了另一层内存使用,在大型集合中使用包装对象也比使用基本类型数组显著增加内存。

还有性能方面的考虑。首先,尽管有JIT优化,但在紧密循环中重复装箱和拆箱会影响性能。另一方面,像Integer这样的包装类缓存常用值(默认-128到127),减少了对象创建。此外,现代JVM有时可以在包装对象不“逃逸”方法边界时完全消除其分配。Valhalla项目旨在通过引入专门的泛型和值对象来解决这些低效问题。

考虑以下减少包装类性能和内存影响的最佳实践指南:

  • 对性能关键代码和大型数据结构使用基本类型。
  • 在需要对象行为时(例如,集合和可空性)利用包装类。
  • 考虑使用像Eclipse Collections这样的专门库来处理大量的“包装”基本类型集合。
  • 注意对包装对象进行身份比较(==)。
  • 始终使用Objectequals()方法来比较包装器。
  • 在优化之前进行分析,因为JVM对包装器的行为在不断改进。

虽然包装类与基本类型相比会产生开销,但Java的持续发展在保持面向对象范式优势的同时,正在不断缩小这一差距。

包装类的一般最佳实践

理解何时使用基本类型 versus 包装类对于编写高效且可维护的Java代码至关重要。虽然基本类型提供更好的性能,但包装类在某些场景下提供了灵活性,例如处理空值或使用Java的泛型类型。通常,您可以遵循以下准则:

在以下情况下使用基本类型:

  • 局部变量
  • 循环计数器和索引
  • 性能关键代码
  • 返回值(当null没有意义时)

在以下情况下使用包装类:

  • 可以为空的类字段
  • 泛型集合(例如,List<Integer>
  • 返回值(当null具有含义时)
  • 泛型中的类型参数
  • 使用反射时

结论

Java包装类是基本类型与Java面向对象生态系统之间的重要桥梁。从它们在Java 1.0中的起源到Java 21中的增强,这些不可变类使基本类型能够参与集合和泛型,同时提供丰富的转换和计算实用方法。它们谨慎的实现确保了在基于哈希的集合中的一致行为,并提供了提高代码正确性的重要常量。

虽然包装类与基本类型相比会产生一些内存开销,但现代JVM通过缓存和JIT编译优化了它们的使用。最佳实践包括使用工厂方法代替已弃用的构造函数,使用.equals()进行值比较,以及为性能关键代码选择基本类型。随着Java 21模式匹配改进和虚拟线程集成,包装类在保持向后兼容性的同时继续发展,巩固了它们在Java开发中的重要性。

Spring框架中的Component与Bean注解

Spring Boot 中的 @Bean 与 @Component

Spring 的 @Component@Bean 注解的关键区别在于:@Bean 注解可用于暴露您自己编写的 JavaBeans,而 @Component 注解可用于暴露源代码由他人维护的 JavaBeans。
Spring 框架的核心是其控制反转 (IoC) 容器,它管理着应用程序中最重要的 JavaBeans 的生命周期。然而,IoC 容器并不管理应用程序可能需要的每一个 JavaBean。它只管理您明确要求它管理的 JavaBeans 的生命周期。
何时使用 Spring 的 @Bean 注解?
如果您自己编写了一个 JavaBean,可以直接在源代码中添加 Spring 的 @Bean 注解。这里我们要求 Spring 的 IoC 容器管理 Score 类所有实例的生命周期。

@Bean
public class Score {
    int wins, losses, ties;
}

何时使用 Spring 的 @Component 注解?
但是,如果您想让 Spring 的 IoC 容器管理来自 Jackson API 的 ObjectMapper,或者来自 JDBC API 的 DataSource 组件呢?您不能简单地编辑 JDK 中的代码并在标准 API 的类上添加 @Bean 注解。这就是 @Component 注解的用武之地。
如果您希望 Spring 管理一个您无法控制其代码的 JavaBean,您可以创建一个返回该 JavaBean 实例的方法,然后用 @Component 注解装饰该方法,如下例所示:

@Configuration
public class MyConfig {
    @Component
    public DataSource getMyHikariDataSource() {
        HikariDataSource ds = new HikariDataSource();
        ds.setJdbcUrl("jdbc:h2:mem:roshambo");
        return ds;
    }
    @Component
    public ObjectMapper getMyObjectMapper() {
        ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
        mapper.enable(SerializationFeature.INDENT_OUTPUT);
        return mapper;
    }
}

在此示例中,我们使用了 @Component 注解来告诉 Spring IoC 容器管理 DataSourceObjectMapper bean 的生命周期。
这些组件来自 Jackson 和 JDBC API,因此我们无法编辑其源代码。这就是为什么我们不能直接在类声明上方添加 @Bean 注解的原因。但是,我们可以使用 @Component 注解,并结合放在类文件本身的 @Configuration 注解,来告诉 Spring 管理这些外部提供的资源。
用 @Component 代替 @Bean?
@Component 注解并不仅限于与外部 API 一起使用。开发者完全允许使用 @Component 注解代替 @Bean 注解来暴露他们自己编写的 JavaBeans。
如果我们从上方的 Score 类中移除 @Bean 注解,我们可以像下面代码中看到的那样,通过使用 @Component 注解来通过 IoC 容器暴露 Score

@Configuration
public class MyRoshamboConfig {
    @Component
    public Score getTheScore() {
        return new Score();
    }
}

何时使用 @Component vs @Bean?
在具有一定规模的 Spring Boot 项目中,我实际上更倾向于使用 @Component 注解而不是 @Bean 注解。这样,配置被限制在单个文件中,而您编写的 JavaBeans 不会被那些将您的源代码紧密绑定到 Spring 框架的注解所充斥。
在较小的项目和原型中?我完全支持使用 @Bean 注解。它更容易使用,并且如果您的项目不需要大量配置,它可以帮助您更快地启动和运行您的微服务。


【注】本文译自:Component vs. Bean annotations in Spring

Java中的多态与继承

Java中的多态与继承

开始学习Java中的多态及如何在多态方法调用中进行方法调用

多态——即对象根据其类型执行特定操作的能力——是Java代码灵活性的核心。四人组(Gang Of Four)创建的许多设计模式都依赖于某种形式的多态,包括命令模式。本文将介绍Java多态的基础知识及如何在程序中使用它。

关于Java多态需要了解的内容

  • 多态与Java继承
  • 为何多态重要
  • 方法重写中的多态
  • 核心Java类中的多态
  • 多态方法调用与类型转换
  • 保留关键字与多态
  • 多态的常见错误
  • 关于多态需要记住的要点

多态与Java继承

我们将重点探讨多态与Java继承的关系。需记住的核心点是:多态需要继承或接口实现。以下示例通过Duke和Juggy展示这一点:

public abstract class JavaMascot {
    public abstract void executeAction();
}

public class Duke extends JavaMascot {
    @Override
    public void executeAction() {
        System.out.println("Punch!");
    }
}

public class Juggy extends JavaMascot {
    @Override
    public void executeAction() {
        System.out.println("Fly!");
    }
}

public class JavaMascotTest {
    public static void main(String... args) {
        JavaMascot dukeMascot = new Duke();
        JavaMascot juggyMascot = new Juggy();
        dukeMascot.executeAction();
        juggyMascot.executeAction();
    }
}

代码输出为:

Punch!
Fly!

由于各自的具体实现,Duke和Juggy的动作均被执行。

为何多态重要

使用多态的目的是将客户端类与实现代码解耦。客户端类通过接收具体实现来执行所需操作,而非硬编码。这种方式下,客户端类仅需了解执行操作的必要信息,这是松耦合的典范。

为了更好地理解多态的优势,请观察以下SweetCreator

public abstract class SweetProducer {
    public abstract void produceSweet();
}

public class CakeProducer extends SweetProducer {
    @Override
    public void produceSweet() {
        System.out.println("Cake produced");
    }
}

public class ChocolateProducer extends SweetProducer {
    @Override
    public void produceSweet() {
        System.out.println("Chocolate produced");
    }
}

public class CookieProducer extends SweetProducer {
    @Override
    public void produceSweet() {
        System.out.println("Cookie produced");
    }
}

public class SweetCreator {
    private List<SweetProducer> sweetProducer;

    public SweetCreator(List<SweetProducer> sweetProducer) {
        this.sweetProducer = sweetProducer;
    }

    public void createSweets() {
        sweetProducer.forEach(sweet -> sweet.produceSweet());
    }
}

public class SweetCreatorTest {
    public static void main(String... args) {
        SweetCreator sweetCreator = new SweetCreator(
            Arrays.asList(
                new CakeProducer(),
                new ChocolateProducer(),
                new CookieProducer()
            )
        );
        sweetCreator.createSweets();
    }
}

此例中,SweetCreator类仅知晓SweetProducer类,而不了解每个甜点的具体实现。这种分离使类能灵活更新和重用,并大幅提升代码可维护性。设计代码时,应始终寻求使其尽可能灵活和可维护。多态是编写可重用Java代码的强力技术。

提示@Override注解强制程序员使用必须被重写的相同方法签名。若方法未被重写,将产生编译错误。

方法重载是多态吗?

许多程序员对多态与方法重写、重载的关系感到困惑。但只有方法重写是真正的多态。重载共享相同方法名但参数不同。多态是广义术语,因此相关讨论将持续存在。

方法重写中的多态

若返回类型是协变类型,则允许修改重写方法的返回类型。协变类型本质上是返回类型的子类。示例如下:

public abstract class JavaMascot {
    abstract JavaMascot getMascot();
}

public class Duke extends JavaMascot {
    @Override
    Duke getMascot() {
        return new Duke();
    }
}

由于DukeJavaMascot的子类,我们可在重写时修改返回类型。

核心Java类中的多态

我们在核心Java类中频繁使用多态。一个简单示例是实例化ArrayList类时声明List接口为类型:

List<String> list = new ArrayList<>();

进一步观察以下未使用多态的Java集合API代码:

public class ListActionWithoutPolymorphism {
    // 无多态的示例
    void executeVectorActions(Vector<Object> vector) {/* 此处代码重复 */}
    void executeArrayListActions(ArrayList<Object> arrayList) {/* 此处代码重复 */}
    void executeLinkedListActions(LinkedList<Object> linkedList) {/* 此处代码重复 */}
    void executeCopyOnWriteArrayListActions(CopyOnWriteArrayList<Object> copyOnWriteArrayList)
    { /* 此处代码重复 */}
}

public class ListActionInvokerWithoutPolymorphism {
    listAction.executeVectorActions(new Vector<>());
    listAction.executeArrayListActions(new ArrayList<>());
    listAction.executeLinkedListActions(new LinkedList<>());
    listAction.executeCopyOnWriteArrayListActions(new CopyOnWriteArrayList<>());
}

这段代码很糟糕,不是吗?想象维护它的难度!现在观察使用多态的相同示例:

public static void main(String … polymorphism) {
    ListAction listAction = new ListAction();    
    listAction.executeListActions();
}
public class ListAction {
    void executeListActions(List<Object> list) {
        // 对不同列表执行操作
    }
}
public class ListActionInvoker {
    public static void main(String... masterPolymorphism) {
        ListAction listAction = new ListAction();
        listAction.executeListActions(new Vector<>());
        listAction.executeListActions(new ArrayList<>());
        listAction.executeListActions(new LinkedList<>());
        listAction.executeListActions(new CopyOnWriteArrayList<>());
    }
}

多态的优势在于灵活性和扩展性。我们无需创建多个不同方法,只需声明一个接收通用List类型的方法。

多态方法调用与类型转换

可以在多态调用中调用特定方法,但会牺牲灵活性。示例如下:

public abstract class MetalGearCharacter {
    abstract void useWeapon(String weapon);
}
public class BigBoss extends MetalGearCharacter {
    @Override
    void useWeapon(String weapon) {
        System.out.println("Big Boss is using a " + weapon);
    }
    void giveOrderToTheArmy(String orderMessage) {
        System.out.println(orderMessage);
    }
}
public class SolidSnake extends MetalGearCharacter {
    void useWeapon(String weapon) {
        System.out.println("Solid Snake is using a " + weapon);
    }
}
public class UseSpecificMethod {
    public static void executeActionWith(MetalGearCharacter metalGearCharacter) {
        metalGearCharacter.useWeapon("SOCOM");
        // 以下行无法工作
        // metalGearCharacter.giveOrderToTheArmy("Attack!");
        if (metalGearCharacter instanceof BigBoss) {
            ((BigBoss) metalGearCharacter).giveOrderToTheArmy("Attack!");
        }
    }
    public static void main(String... specificPolymorphismInvocation) {
        executeActionWith(new SolidSnake());
        executeActionWith(new BigBoss());
    }
}

此处使用的技术是类型转换(casting),即在运行时显式改变对象类型。

注意:只有将通用类型强制转换为具体类型后,才能调用特定方法。这相当于明确告诉编译器:“我知道自己在做什么,因此要将对象转换为具体类型并使用特定方法。”

在上述示例中,编译器拒绝接受特定方法调用的原因很重要:传入的类可能是SolidSnake。在此情况下,编译器无法确保每个MetalGearCharacter的子类都声明了giveOrderToTheArmy方法。

保留关键字

注意保留字instanceof。在调用特定方法前,我们需检查MetalGearCharacter是否为BigBoss的实例。若BigBoss实例,将收到以下异常信息:

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: com.javaworld.javachallengers.polymorphism.specificinvocation.SolidSnake cannot be cast to com.javaworld.javachallengers.polymorphism.specificinvocation.BigBoss

若需引用Java超类的属性或方法,可使用保留字super。例如:

public class JavaMascot {
    void executeAction() {
        System.out.println("The Java Mascot is about to execute an action!");
    }
}
public class Duke extends JavaMascot {
    @Override
    void executeAction() {
        super.executeAction();
        System.out.println("Duke is going to punch!");
    }
    public static void main(String... superReservedWord) {
        new Duke().executeAction();
    }
}

在Duke的executeAction方法中使用super可调用超类方法,再执行Duke的特定动作。因此输出如下:

The Java Mascot is about to execute an action!
Duke is going to punch!

多态的常见错误

  • 常见错误是认为无需类型转换即可调用特定方法。
  • 另一个错误是在多态实例化类时不确认将调用哪个方法。需记住:被调用的方法是所创建实例的方法。
  • 还需注意方法重写不同于方法重载
  • 若参数不同,则无法重写方法。若返回类型是超类方法的子类,则可以修改重写方法的返回类型。

关于多态需要记住的要点

  • 所创建的实例将决定使用多态时调用哪个方法。
  • @Override注解强制程序员使用重写方法;否则将产生编译错误。
  • 多态可用于普通类、抽象类和接口。
  • 大多数设计模式依赖某种形式的多态。
  • 调用多态子类中特定方法的唯一方式是使用类型转换。
  • 可通过多态设计强大的代码结构。

接受Java多态挑战!

让我们测试你对多态和继承的理解。在此挑战中,你需要根据Matt Groening的辛普森一家代码推断每个类的输出。首先仔细分析以下代码:

public class PolymorphismChallenge {
    static abstract class Simpson {
        void talk() {
            System.out.println("Simpson!");
        }
        protected void prank(String prank) {
            System.out.println(prank);
        }
    }
    static class Bart extends Simpson {
        String prank;
        Bart(String prank) { this.prank = prank; }
        protected void talk() {
            System.out.println("Eat my shorts!");
        }
        protected void prank() {
            super.prank(prank);
            System.out.println("Knock Homer down");
        }
    }
    static class Lisa extends Simpson {
        void talk(String toMe) {
            System.out.println("I love Sax!");
        }
    }
    public static void main(String... doYourBest) {
        new Lisa().talk("Sax :)");
        Simpson simpson = new Bart("D'oh");
        simpson.talk();
        Lisa lisa = new Lisa();
        lisa.talk();
        ((Bart) simpson).prank();
    }
}

你认为最终输出是什么?不要使用IDE!重点是提升代码分析能力,请自行推断结果。

选项:
A)

I love Sax!  
 D'oh  
 Simpson!  
 D'oh  

B)

Sax :)  
 Eat my shorts!  
 I love Sax!  
 D'oh  
 Knock Homer down  

C)

Sax :)  
 D'oh  
 Simpson!  
 Knock Homer down  

D)

I love Sax!  
 Eat my shorts!  
 Simpson!  
 D'oh  
 Knock Homer down

解答挑战
对于以下方法调用:

new Lisa().talk("Sax :)");

输出为“I love Sax!”,因为我们向方法传递了字符串且Lisa类有此方法。

下一调用:

Simpson simpson = new Bart("D'oh");
simpson.talk();

输出为“Eat my shorts!”,因为我们用Bart实例化了Simpson类型。

以下调用较为复杂:

Lisa lisa = new Lisa();
lisa.talk();

此处通过继承使用了方法重载。由于未向talk方法传递参数,因此调用Simpsontalk方法,输出为:

"Simpson!"

最后一个调用:

((Bart) simpson).prank();

此例中,prank字符串在实例化Bart时通过new Bart("D'oh")传入。此时首先调用super.prank方法,再执行Bart的特定prank方法。输出为:

"D'oh"
"Knock Homer down"

因此正确答案是D。输出为:

I love Sax!
Eat my shorts! 
Simpson!
D'oh
Knock Homer down

【注】本文译自:Polymorphism and inheritance in Java | InfoWorld