Spring Boot 2.0 - WebFlux framework

1、介绍

1.1 什么是响应式编程(Reactive Programming)?

简单来说,响应式编程是针对异步和事件驱动的非阻塞应用程序,并且需要少量线程来垂直缩放(即在 JVM 内)而不是水平(即通过集群)。

响应式应用的一个关键方面是“背压(backpressure)”的概念,这是确保生产者不会压倒消费者的机制。例如,当HTTP连接太慢时,从数据库延伸到HTTP响应的反应组件的流水线、数据存储库也可以减慢或停止,直到网络容量释放。

响应式编程也导致从命令式到声明异步组合逻辑的重大转变。与使用Java 8的 CompletableFuture 编写封锁代码相比,可以通过 lambda 表达式编写后续操作。

1.2 响应式 API(Reactive API)和 构建块(Building Blocks)

Spring Framework 5 将 Reactive Streams 作为通过异步组件和库进行背压通信的合同。Reactive Streams 是通过行业协作创建的规范,也已在Java 9中被采用为 java.util.concurrent.Flow

Spring Framework 在内部使用 Reactor 自己的响应支持。Reactor 是一个 Reactive Streams 实现,进一步扩展基本的 Reactive Streams Publisher 、Flux 和 Mono 可组合的API类型,以提供对 0..N0..1 的数据序列的声明性操作。

Spring Framework 在许多自己的 Reactive API 中暴露了 Flux 和 Mono。然而,在应用级别,一如既往,Spring 提供了选择,并完全支持使用RxJava。有关的更多信息,请查看 Sebastien Deleuze 发表的 "Understanding Reactive Types" 。

2、Spring WebFlux 模块

Spring Framework 5 包括一个新的 spring-webflux 模块。该模块包含对响应式 HTTP 和 WebSocket 客户端的支持,以及对REST,HTML浏览器和 WebSocket风格交互的响应式服务器Web应用程序的支持。

2.1、服务器端

在服务器端 WebFlux 支持2种不同的编程模型:

  • 基于注解的 @Controller 和其他注解也支持 Spring MVC
  • Functional 、Java 8 lambda 风格的路由和处理

WebFlux 可以在支持 Servlet 3.1 非阻塞 IO API 以及其他异步运行时(如 Netty 和 Undertow )的 Servlet 容器上运行。每个运行时都适用于响应型 ServerHttpRequestServerHttpResponse,将请求和响应的正文暴露为 Flux<DataBuffer>,而不是具有响应背压的 InputStreamOutputStream 。顶部作为 Flux<Object> 支持REST风格的 JSON 和 XML 序列化和反序列化,HTML视图呈现和服务器发送事件也是如此。

基于注解的编程模式

WebFlux中也支持相同的 @Controller 编程模型和 Spring MVC 中使用的相同注解。主要区别在于底层核心框架契约(即 HandlerMappingHandlerAdapter )是非阻塞的,并且在响应型 ServerHttpRequestServerHttpResponse 上运行,而不是在 HttpServletRequestHttpServletResponse 上运行。以下是一个响应式 Controller 的例子:

@RestController
public class PersonController {

        private final PersonRepository repository;

        public PersonController(PersonRepository repository) {
                this.repository = repository;
        }

        @PostMapping("/person")
        Mono<Void> create(@RequestBody Publisher<Person> personStream) {
                return this.repository.save(personStream).then();
        }

        @GetMapping("/person")
        Flux<Person> list() {
                return this.repository.findAll();
        }

        @GetMapping("/person/{id}")
        Mono<Person> findById(@PathVariable String id) {
                return this.repository.findOne(id);
        }
}

函数式编程模式

HandlerFunctions

传入的HTTP请求由 HandlerFunction 处理, HandlerFunction 本质上是一个接收 ServerRequest 并返回 Mono<ServerResponse> 的函数。处理函数的注解对应方法将是一个 @RequestMapping 的方法。

ServerRequestServerResponse 是提供JDK-8友好访问底层HTTP消息的不可变接口。两者都通过在反应堆顶部建立完全反应:请求将身体暴露为 FluxMono; 响应接受任何 ReactiveStreamsPublisher 作为主体。

ServerRequest 可以访问各种HTTP请求元素:方法,URI,查询参数,以及通过单独的 ServerRequest.Headers 接口 - 头。通过 body方法 提供对 body 的访问。例如,这是如何将请求体提取为 Mono<String>

Mono<String> string = request.bodyToMono(String.class);

这里是如何将身体提取为 Flux,其中 Person 是可以从body内容反序列化的类(即如果body包含JSON,则由Jackson支持,或者如果是XML,则为JAXB)。

Flux<Person> people = request.bodyToFlux(Person.class);

上面的两个方法( bodyToMonobodyToFlux)实际上是使用通用 ServerRequest.bodyBodyExtractor)函数的便利方法。 BodyExtractor 是一个功能策略界面,允许您编写自己的提取逻辑,但在 BodyExtractors 实用程序类中可以找到常见的 BodyExtractor实例。所以,上面的例子可以替换为:

Mono<String> string = request.body(BodyExtractors.toMono(String.class);
Flux<Person> people = request.body(BodyExtractors.toFlux(Person.class);

类似地, ServerResponse 提供对HTTP响应的访问。由于它是不可变的,您可以使用构建器创建一个 ServerResponse 。构建器允许您设置响应状态,添加响应标题并提供正文。例如,这是如何使用200 OK状态创建响应,JSON内容类型和正文:

Mono<Person> person = ...
ServerResponse.ok().contentType(MediaType.APPLICATION_JSON).body(person);

这里是如何使用201创建的状态,位置标题和空白体来构建响应:

URI location = ...
ServerResponse.created(location).build();

将这些组合在一起可以创建一个 HandlerFunction。例如,这里是一个简单的“Hello World”处理程序 lambda 的示例,它返回一个200状态的响应和一个基于 String 的主体:

HandlerFunction<ServerResponse> helloWorld =
  request -> ServerResponse.ok().body(fromObject("Hello World"));

使用 lambda 写处理函数,就像我们上面所说的那样很方便,但是在处理多个函数时可能缺乏可读性,变得不那么容易维护。因此,建议将相关处理函数分组到一个处理程序或控制器类中。例如,这是一个暴露了一个响应式的 Person 存储库的类:

import static org.springframework.http.MediaType.APPLICATION_JSON;
import static org.springframework.web.reactive.function.BodyInserters.fromObject;

public class PersonHandler {

        private final PersonRepository repository;

        public PersonHandler(PersonRepository repository) {
                this.repository = repository;
        }

        // 1
        public Mono<ServerResponse> listPeople(ServerRequest request) { 
                Flux<Person> people = repository.allPeople();
                return ServerResponse.ok().contentType(APPLICATION_JSON).body(people, Person.class);
        }

        // 2
        public Mono<ServerResponse> createPerson(ServerRequest request) { 
                Mono<Person> person = request.bodyToMono(Person.class);
                return ServerResponse.ok().build(repository.savePerson(person));
        }

        // 3
        public Mono<ServerResponse> getPerson(ServerRequest request) { 
                int personId = Integer.valueOf(request.pathVariable("id"));
                Mono<ServerResponse> notFound = ServerResponse.notFound().build();
                Mono<Person> personMono = this.repository.getPerson(personId);
                return personMono
                                .flatMap(person -> ServerResponse.ok().contentType(APPLICATION_JSON).body(fromObject(person)))
                                .switchIfEmpty(notFound);
        }
}
  • 1/ listPeople 是一个处理函数,它将数据库中发现的所有 Person 对象返回为JSON。
  • 2/ createPerson 是一个处理函数,用于存储请求正文中包含的新 Person。请注意, PersonRepository.savePerson(Person) 返回 Mono<Void>:发出完成信号的空 Mono,当人从请求中读取并存储时,发出完成信号。因此,当接收到完成信号时,即当 Person 已被保存时,我们使用 build(Publisher<Void>) 方法来发送响应。
  • 3/ getPerson 是一个处理函数,它通过路径变量id来标识一个人。我们通过数据库检索该 Person,并创建一个JSON响应(如果找到)。如果没有找到,我们使用 switchIfEmpty(Mono<T>) 来返回 404 Not Found 响应。

RouterFunctions

传入请求将路由到处理函数,并使用一个 RouterFunction,它是一个服务器 ServerRequest 的函数,并返回一个 Mono<HandlerFunction>。如果请求与特定路由匹配,则返回处理函数; 否则返回一个空的 MonoRouterFunction@Controller 类中的 @RequestMapping 注解类似。

通常,您不要自己编写路由器功能,而是使用 RouterFunctions.route(RequestPredicate,HandlerFunction), 使用请求谓词和处理函数创建一个。如果谓词适用,请求将路由到给定的处理函数; 否则不执行路由,导致 404 Not Found 响应。虽然您可以编写自己的 RequestPredicate ,但是您不需要: RequestPredicates 实用程序类提供常用的谓词,基于路径,HTTP方法,内容类型等进行匹配。使用路由,我们可以路由到我们的 “Hello World” 处理函数:

RouterFunction<ServerResponse> helloWorldRoute =
        RouterFunctions.route(RequestPredicates.path("/hello-world"),
        request -> Response.ok().body(fromObject("Hello World")));

两个路由功能可以组成一个新的路由功能,路由到任一处理函数:如果第一个路由的谓词不匹配,则第二个被评估。组合的路由器功能按顺序进行评估,因此在通用功能之前放置特定功能是有意义的。您可以通过调用 RouterFunction.and(RouterFunction) 或通过调用 RouterFunction.andRoute(RequestPredicate,HandlerFunction) 来组成两个路由功能,这是 RouterFunction.and()RouterFunctions.route() 的一种方便组合。

给定我们上面显示的 PersonHandler,我们现在可以定义路由功能,路由到相应的处理函数。我们使用 方法引用(method-references) 来引用处理函数:

import static org.springframework.http.MediaType.APPLICATION_JSON;
import static org.springframework.web.reactive.function.server.RequestPredicates.*;

PersonRepository repository = ...
PersonHandler handler = new PersonHandler(repository);

RouterFunction<ServerResponse> personRoute =
        route(GET("/person/{id}").and(accept(APPLICATION_JSON)), handler::getPerson)
                .andRoute(GET("/person").and(accept(APPLICATION_JSON)), handler::listPeople)
                .andRoute(POST("/person").and(contentType(APPLICATION_JSON)), handler::createPerson);

除路由功能之外,您还可以通过调用 RequestPredicate.and(RequestPredicate)RequestPredicate.or(RequestPredicate) 来构成请求谓词。这些工作正如预期的那样:如果给定的谓词匹配,则生成的谓词匹配; 或者如果任一谓词都匹配。 RequestPredicates 中发现的大多数谓词是组合的。例如, RequestPredicates.GET(String)RequestPredicates.method(HttpMethod)RequestPredicates.path(String) 的组合。

启动服务器

现在只有一个难题遗留:在HTTP服务器中运行路由功能。您可以使用 RouterFunctions.toHttpHandler(RouterFunction) 将路由功能转换为 HttpHandlerHttpHandler允许您运行各种响应场景:Reactor Netty,Servlet 3.1和Undertow。以下是在 Reactor Netty 中运行路由功能的方法,例如:

RouterFunction<ServerResponse> route = ...
HttpHandler httpHandler = RouterFunctions.toHttpHandler(route);
ReactorHttpHandlerAdapter adapter = new ReactorHttpHandlerAdapter(httpHandler);
HttpServer server = HttpServer.create(HOST, PORT);
server.newHandler(adapter).block();

对于 Tomcat ,它看起来像这样:

RouterFunction<ServerResponse> route = ...
HttpHandler httpHandler = RouterFunctions.toHttpHandler(route);
HttpServlet servlet = new ServletHttpHandlerAdapter(httpHandler);
Tomcat server = new Tomcat();
Context rootContext = server.addContext("", System.getProperty("java.io.tmpdir"));
Tomcat.addServlet(rootContext, "servlet", servlet);
rootContext.addServletMapping("/", "servlet");
tomcatServer.start();

待完成:DispatcherHandlerHandlerFilterFunction 路由功能映射的路由可以通过调用 RouterFunction.filter(HandlerFilterFunction) 进行过滤,其中 HandlerFilterFunction 本质上是一个接收 ServerRequestHandlerFunction 的函数,并返回一个 ServerResponse 。处理函数参数表示链中的下一个元素:通常是路由到的 HandlerFunction ,但是如果应用了多个过滤器,也可以是另一个 FilterFunction 。使用注解,可以使用 @ControllerAdvice/ServletFilter 来实现类似的功能。让我们在我们的路由中添加一个简单的安全过滤器,假设我们有一个 SecurityManager 可以确定是否允许特定的路径:

import static org.springframework.http.HttpStatus.UNAUTHORIZED;

SecurityManager securityManager = ...
RouterFunction<ServerResponse> route = ...

RouterFunction<ServerResponse> filteredRoute =
        route.filter(request, next) -> {
                if (securityManager.allowAccessTo(request.path())) {
                        return next.handle(request);
                }
                else {
                        return ServerResponse.status(UNAUTHORIZED).build();
                }
  });

在这个例子中可以看到,调用 next.handle(ServerRequest) 是可选的:我们只允许在允许访问时执行处理函数。

2.2 客户端(Client Side)

WebFlux 包括一个 functional, reactive WebClient,它为 RestTemplate 提供了一种完全无阻塞和响应式的替代方案。 它将网络输入和输出公开为客户端 HttpRequestClientHttpResponse ,其中请求和响应的主体是 Flux<DataBuffer>而不是 InputStreamOutputStream。此外,它还支持与服务器端相同的响应式 JSON,XML和SSE 序列化机制,因此您可以使用类型化对象。以下是使用需要 ClientHttpConnector 实现的 WebClient 插入特定HTTP客户端(如 Reactor Netty)的示例:

WebClient client = WebClient.create("http://example.com");

Mono<Account> account = client.get()
                .url("/accounts/{id}", 1L)
                .accept(APPLICATION_JSON)
                .exchange(request)
                .flatMap(response -> response.bodyToMono(Account.class));

AsyncRestTemplate 还支持非阻塞交互。主要区别在于它不支持非阻塞流,例如 Twitter one ,因为它基本上仍然依赖于 InputStreamOutputStream

2.4 请求体和响应体的转换(Request and Response Body Conversion)

spring-core 模块提供了响应式 Encoder(编码器)Decoder(解码器),使得能够串行化字符串与类型对象的转换。 spring-web 模块添加了 JSON(Jackson)和 XML(JAXB)实现,用于Web应用程序以及其他用于SSE流和零拷贝文件传输。

支持以下 Reactive API:

  • Reactor 3.x 支持开箱即用
  • io.reactivex.rxjava2:rxjava 依赖项在类路径上时支持 RxJava 2.x
  • 当 ·io.reactivex:rxjava io.reactivex:rxjava-reactive-streams`(RxJava 和 Reactive Streams 之间的适配器)依赖关系在类路径上时,支持 RxJava 1.x

例如,请求体可以是以下方式之一,它将在注解和功能编程模型中自动解码:

  • Accountaccount - 在调用控制器之前,account 将无阻塞地被反序列化。
  • Mono<Account>account - controller 可以使用 Mono 来声明在反序列化 account 后执行的逻辑。
  • Single<Account>account - 和 Mono 类似,但是用的是 RxJava
  • Flux<Account>accounts - 输入流场景
  • Observable<Account>accounts - RxJava 的 输入流场景

响应体(response body)可以是以下之一:

  • Mono<Account> - 当 Mono 完成时,序列化而不阻塞给定的Account。
  • Single<Account> - 与上类似,但是使用的 RxJava
  • Flux<Account> - 流式场景,可能是SSE,具体取决于所请求的内容类型。
  • Observable<Account> - 与上类似, 但是使用的 RxJava Observable 类型
  • Flowable<Account> - 与上类似, 但是使用的 RxJava 2 Flowable 类型。
  • Publisher<Account>Flow.Publisher<Account> - 支持任何实现Reactive Streams Publisher 的类型。
  • Flux<ServerSentEvent> - SSE 流。
  • Mono<Void> - 当 Mono 完成时,请求处理完成。
  • Account - 序列化而不阻塞给定的Account; 意味着同步、非阻塞的 Controller 方法。
  • Void - 特定于基于注解的编程模型,方法返回时,请求处理完成; 意味着同步、非阻塞的 Controller 方法。

当使用像 FluxObservable 这样的流类型时,请求/响应或映射/路由级别中指定的媒体类型用于确定数据应如何序列化和刷新。例如,返回 Flux<Account> 的REST端点将默认序列化如下:

  • application/json : Flux<Account> 作为异步集合处理,并在完成事件发布时将其序列化为具有显式刷新的JSON数组。
  • application/stream+json : 一个 Flux<Account> 将作为一系列的 Account 元素处理,作为以新行分隔的单个JSON对象,并在每个元素之后显式刷新。WebClient 支持JSON流解码,因此这对于服务器到服务器的用例来说是一个很好的用例。
  • text/event-stream : 一个 Flux<Account>Flux<ServerSentEvent<Account>> 将作为一个 StreamServerSentEvent 元素的流处理,作为单独的 SSE 元素,使用默认的JSON进行数据编码和每个元素之间的显式刷新。这非常适合将流暴露给浏览器客户端。WebClient 也支持读取SSE流。

2.4 响应式 Websocket 支持

WebFlux 包括响应式 WebSocket 客户端和服务器支持。Java WebSocket API(JSR-356),Jetty,Undertow和Reactor Netty都支持客户端和服务器。

在服务器端,声明一个 WebSocketHandlerAdapter,然后简单地添加映射到基于 WebSocketHandler 的端点:

@Bean
public HandlerMapping webSocketMapping() {
        Map<String, WebSocketHandler> map = new HashMap<>();
        map.put("/foo", new FooWebSocketHandler());
        map.put("/bar", new BarWebSocketHandler());

        SimpleUrlHandlerMapping mapping = new SimpleUrlHandlerMapping();
        mapping.setOrder(10);
        mapping.setUrlMap(map);
        return mapping;
}

@Bean
public WebSocketHandlerAdapter handlerAdapter() {
        return new WebSocketHandlerAdapter();
}

在客户端,为上面列出的支持的库之一创建一个 WebSocketClient

WebSocketClient client = new ReactorNettyWebSocketClient();
client.execute("ws://localhost:8080/echo"), session -> {... }).blockMillis(5000);

2.5 测试

spring-test 模块包括一个 WebTestClient,可用于测试具有或不具有正在运行的服务器的 WebFlux 服务器端点。

没有运行服务器的测试与来自Spring MVC的 MockMvc 相当,其中使用模拟请求和响应,而不是使用套接字通过网络连接。然而, WebTestClient 也可以针对正在运行的服务器执行测试。

更多请查看 sample tests

3、开始入门

3.1 Spring Boot Starter

通过 http://start.spring.io 提供的 Spring Boot WebFlux 启动器是最快的入门方式。它做所有必要的,所以你开始像Spring MVC一样编写@Controller类。只需转到 http://start.spring.io ,选择版本 2.0.0.BUILD-SNAPSHOT,并在依赖关系框中键入 respond。 默认情况下,启动器使用 Reactor Netty 运行,但依赖关系可以像往常一样通过 Spring Boot 更改为不同的运行时。有关更多详细信息和说明,请参阅 Spring Boo t参考文档页面。

3.2 手动引导(Manual Bootstrapping)

对于依赖关系,从 spring-webfluxspring-context 开始。 然后添加 jackson-databindio.netty:netty-buffer(暂时见SPR-14528)以获得JSON支持。最后添加一个支持的运行时的依赖项:

  • Tomcat — org.apache.tomcat.embed:tomcat-embed-core
  • Jetty — org.eclipse.jetty:jetty-server 和 org.eclipse.jetty:jetty-servlet
  • ReactorNetty — io.projectreactor.ipc:reactor-netty
  • Undertow — io.undertow:undertow-core

基于注解编程模式的引导:

ApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(DelegatingWebFluxConfiguration.class);  // (1)
HttpHandler handler = DispatcherHandler.toHttpHandler(context);  // (2)

以上加载默认的 Spring Web 框架配置(1),然后创建一个 DispatcherHandler,主类驱动请求处理(2),并适应 HttpHandler - 响应式HTTP请求处理的最低级别的Spring抽象。

函数编程模式的引导:

AnnotationConfigApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(); // (1)
context.registerBean(FooBean.class, () -> new FooBeanImpl()); // (2)
context.registerBean(BarBean.class); // (3)
context.refresh();

HttpHandler handler = WebHttpHandlerBuilder
                .webHandler(RouterFunctions.toHttpHandler(...))
                .applicationContext(context)
                .build(); // (4)

以上创建了一个 AnnotationConfigApplicationContext 实例(1),可以利用新的功能 bean 注册API(2)使用 Java 8 供应商注册 bean,或者只需通过指定其类(3)即可。 HttpHandler 是使用 WebHttpHandlerBuilder(4)创建的。

然后可以将 HttpHandler 安装在支持的运行服务器之一中:

// Tomcat and Jetty (also see notes below)
HttpServlet servlet = new ServletHttpHandlerAdapter(handler);
...

// Reactor Netty
ReactorHttpHandlerAdapter adapter = new ReactorHttpHandlerAdapter(handler);
HttpServer.create(host, port).newHandler(adapter).block();

// Undertow
UndertowHttpHandlerAdapter adapter = new UndertowHttpHandlerAdapter(handler);
Undertow server = Undertow.builder().addHttpListener(port, host).setHandler(adapter).build();
server.start();

对于特别是使用 WAR 部署的 Servlet 容器,可以使用作为 WebApplicationInitializerAbstractAnnotationConfigDispatcherHandlerInitializer,并由 Servlet容器自动检测。它负责注册 ServletHttpHandlerAdapter ,如上所示。您将需要实现一个抽象方法来指向您的 Spring 配置。

3.3 Examples

您将在以下项目中找到有助于构建反应式 Web 应用程序的代码示例:

  • Functional programming model sample
  • Spring Reactive Playground: playground for most Spring Web reactive features
  • Reactor website: the spring-functional branch is a Spring 5 functional, Java 8 lambda-style application
  • Spring Reactive University session: live-coded project from this Devoxx BE 2106 university talk
  • Reactive Thymeleaf Sandbox
  • Mix-it 2017 website: Kotlin + Reactive + Functional web and bean registration API application
  • Reactor by example: code snippets coming from this InfoQ article
  • Spring integration tests: various features tested with Reactor StepVerifier

Webflux 实战项目

demo地址: https://anyim.cfapps.io/

原文发布于微信公众号 - 程序猿DD(didispace)

原文发表时间:2017-09-22

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