来源：http://dockone.io/article/8564
翻译：池剑锋
【编者的话】本文通过一个详细的购物例子，展示了如何利用消息队列，Spring Boot 和Kubernetes进行微服务的开发，并阐述了针对微服务的伸缩，监控等方式，帮助用户快速利用这些工具开发健壮的系统。
当你设计和构建大规模应用时，你将面临两个重大挑战： 可伸缩性和健壮性 。
你应该这样设计你的服务，即使它受到间歇性的重负载，它仍能可靠地运行。
以Apple Store为例。
每年都有数百万的Apple客户预先注册购买新的iPhone。
这是数百万人同时购买物品。
如果你要将Apple商店的流量描述为每秒的请求数量，那么它可能是下图的样子：
现在想象一下，你的任务是构建这样的应用程序。
你正在建立一个商店，用户可以在那里购买自己喜欢的商品。
你构建一个微服务来呈现网页并提供静态资产。 你还构建了一个后端REST API来处理传入的请求。
你希望将两个组件分开，因为这样可以使用相同的REST API，为网站和移动应用程序提供服务。
今天是重要的一天，你的商店上线了。
你决定将应用程序扩展为前端四个实例和后端四个实例，因为你预测网站比平常更繁忙。
你开始接收越来越多的流量。
前端服务正在很好得处理流量。 但是你注意到连接到数据库的后端正在努力跟上事务的数量。
不用担心，你可以将后端的副本数量扩展到8。
你收到的流量更多，后端无法应对。
一些服务开始丢弃连接。 愤怒的客户与你的客服取得联系。 而现在你被淹没在大量流量中。
你的后端无法应付它，它会失去很多连接。
你刚丢了一大笔钱，你的顾客也不高兴。
你的应用程序并没有设计得健壮且高可用：
- 前端和后端紧密耦合 - 实际上它不能在没有后端的情况下处理应用
- 前端和后端必须一致扩展 - 如果没有足够的后端，你可能会淹没在流量中
- 如果后端不可用，则无法处理传入的事务。
失去事务意味着收入损失。
你可以重新设计架构，以便将前端和后端用队列分离。
前端将消息发布到队列，而后端则一次处理一个待处理消息。
新架构有一些明显的好处：
- 如果后端不可用，则队列充当缓冲区
- 如果前端产生的消息多于后端可以处理的消息，则这些消息将缓冲在队列中
- 你可以独立于前端扩展后端 - 即你可以拥有数百个前端服务和后端的单个实例
太好了，但是你如何构建这样的应用程序？
你如何设计可处理数十万个请求的服务？ 你如何部署动态扩展的应用程序？
在深入了解部署和扩展的细节之前，让我们关注应用程序。
编写Spring应用程序
该服务有三个组件：前端，后端和消息代理。
前端是一个简单的Spring Boot Web应用程序，带有Thymeleaf模板引擎。
后端是一个消耗队列消息的工作者。
由于Spring Boot与JSM能出色得集成，因此你可以使用它来发送和接收异步消息。
你可以在learnk8s / spring-boot-k8s-hpa中找到一个连接到JSM的前端和后端应用程序的示例项目。
请注意，该应用程序是用Java 10编写的，以利用改进的Docker容器集成能力。
只有一个代码库，你可以将项目配置为作为前端或后端运行。
你应该知道该应用程序具有：
/health
/submit
/metrics
该应用程序可以在两种模式下运行：
作为前端，应用程序呈现人们可以购买物品的网页。
作为工作者，应用程序等待队列中的消息并处理它们。
请注意，在示例项目中，使用 Thread.sleep(5000) 等待五秒钟来模拟处理。
你可以通过更改 application.yaml 中的值来在任一模式下配置应用程序。
模拟应用程序的运行
默认情况下，应用程序作为前端和工作程序启动。
你可以运行该应用程序，只要你在本地运行ActiveMQ实例，你就应该能够购买物品并让系统处理这些物品。
如果检查日志，则应该看到工作程序处理项目。
它确实工作了! 编写Spring Boot应用程序很容易。
一个更有趣的主题是学习如何将Spring Boot连接到消息代理。
使用JMS发送和接收消息
Spring JMS(Java消息服务)是一种使用标准协议发送和接收消息的强大机制。
如果你以前使用过JDBC API，那么你应该熟悉JMS API，因为它的工作方式很类似。
你可以按JMS方式来使用的最流行的消息代理是ActiveMQ - 一个开源消息服务器。
使用这两个组件，你可以使用熟悉的接口（JMS）将消息发布到队列（ActiveMQ），并使用相同的接口来接收消息。
更妙的是，Spring Boot与JMS的集成非常好，因此你可以立即加快速度。
实际上，以下短类封装了用于与队列交互的逻辑：
@Component
public class QueueService implements MessageListener {
private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(QueueService.class);
@Autowired
private JmsTemplate jmsTemplate;
public void send(String destination, String message) {
LOGGER.info("sending message='{}' to destination='{}'", message, destination);
jmsTemplate.convertAndSend(destination, message);
}
@Override
public void onMessage(Message message) {
if (message instanceof ActiveMQTextMessage) {
ActiveMQTextMessage textMessage = (ActiveMQTextMessage) message;
try {
LOGGER.info("Processing task " textMessage.getText());
Thread.sleep(5000);
LOGGER.info("Completed task " textMessage.getText());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (JMSException e) {
e.printStackTrace();
}
} else {
LOGGER.error("Message is not a text message " message.toString());
}
}
}
你可以使用 send 方法将消息发布到命名队列。
此外，Spring Boot将为每个传入消息执行 onMessage 方法。
最后一个难题是指示Spring Boot使用该类。
你可以通过在Spring Boot应用程序中注册侦听器来在后台处理消息，如下所示：
@SpringBootApplication
@EnableJms
public class SpringBootApplication implements JmsListenerConfigurer {
@Autowired
private QueueService queueService;
public static void main(String[] args) {
SpringApplication.run(SpringBootApplication.class, args);
}
@Override
public void configureJmsListeners(JmsListenerEndpointRegistrar registrar) {
SimpleJmsListenerEndpoint endpoint = new SimpleJmsListenerEndpoint();
endpoint.setId("myId");
endpoint.setDestination("queueName");
endpoint.setMessageListener(queueService);
registrar.registerEndpoint(endpoint);
}
}
其中 id 是使用者的唯一标识符， destination 是队列的名称。
你可以从GitHub上的项目中完整地读取Spring队列服务的源代码。
回顾一下你是如何在少于40行代码中编写可靠队列的。
你一定很喜欢Spring Boot。
你在部署时节省的所有时间都可以专注于编码
你验证了应用程序的工作原理，现在是时候部署它了。
此时，你可以启动VPS，安装Tomcat，并花些时间制作自定义脚本来测试，构建，打包和部署应用程序。
或者你可以编写你希望拥有的描述：一个消息代理和两个使用负载均衡器部署的应用程序。
诸如Kubernetes之类的编排器可以阅读你的愿望清单并提供正确的基础设施。
由于花在基础架构上的时间减少意味着更多的时间编码，这次你将把应用程序部署到Kubernetes。但在开始之前，你需要一个Kubernetes集群。
你可以注册Google云平台或Azure，并使用Kubernetes提供的云提供商服务。或者，你可以在将应用程序移动到云上之前在本地尝试Kubernetes。
minikube 是一个打包为虚拟机的本地Kubernetes集群。如果你使用的是Windows，Linux和Mac，那就太好了，因为创建群集需要五分钟。
你还应该安装 kubectl ，即连接到你的群集的客户端。
你可以从官方文档中找到有关如何安装 minikube 和 kubectl 的说明。
如果你在Windows上运行，则应查看有关如何安装Kubernetes和Docker的详细指南。
你应该启动一个具有8GB RAM和一些额外配置的集群：
minikube start \
--memory 8096 \
--extra-config=controller-manager.horizontal-pod-autoscaler-upscale-delay=1m \
--extra-config=controller-manager.horizontal-pod-autoscaler-downscale-delay=2m \
--extra-config=controller-manager.horizontal-pod-autoscaler-sync-period=10s
请注意，如果你使用的是预先存在的 minikube 实例，则可以通过销毁VM来重新调整VM的大小。 只需添加 --memory 8096 就不会有任何影响。
验证安装是否成功。 你应该看到以列表形式展示的一些资源。 集群已经准备就绪， 也许你应该立即开始部署？
还不行。
你必须先装好你的东西。
什么比uber-jar更好？容器
部署到Kubernetes的应用程序必须打包为容器。毕竟，Kubernetes是一个容器编排器，所以它本身无法运行你的jar。
容器类似于fat jar：它们包含运行应用程序所需的所有依赖项。 甚至JVM也是容器的一部分 。所以他们在技术上是一个更胖的fat-jar。
将应用程序打包为容器的流行技术是Docker。
虽然Docker是最受欢迎的，但它并不是唯一能够运行容器的技术。其他受欢迎的选项包括 rkt和 lxd 。
如果你没有安装Docker，可以按照Docker官方网站上的说明进行操作。
通常，你构建容器并将它们推送到仓库。它类似于向Artifactory或Nexus推送jar包。但在这种特殊情况下，你将在本地工作并跳过仓库部分。实际上，你将直接在 minikube 中创建容器镜像。
首先，按照此命令打印的说明将Docker客户端连接到 minikube ：
minikube docker-env
请注意，如果切换终端，则需要重新连接 minikube 内的Docker守护程序。 每次使用不同的终端时都应遵循相同的说明。
并从项目的根目录构建容器镜像：
docker build -t spring-k8s-hp0a .
你可以验证镜像是否已构建并准备好运行：
docker images |grep spring
很好。
群集已准备好，你打包应用程序， 也许你已准备好立即部署？
是的，你最终可以要求Kubernetes部署应用程序。
将你的应用程序部署到Kubernetes
你的应用程序有三个组件：
- 呈现前端的Spring Boot应用程序
- ActiveMQ作为消息代理
- 处理事务的Spring Boot后端
你应该分别部署这三个组件。
对于每个组件你都应该创建：
- Deployment 对象，描述部署的容器及其配置
- 一个 Service 对象，充当 Deployment 部署创建的应用程序的所有实例的负载均衡器
部署中的每个应用程序实例都称为 Pod 。
部署ActiveMQ
让我们从ActiveMQ开始吧。
你应该创建一个 activemq-deployment.yaml 文件，其中包含以下内容：
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
name: queue
spec:
replicas: 1
template:
metadata:
labels:
app: queue
spec:
containers:
- name: web
image: webcenter/activemq:5.14.3
imagePullPolicy: IfNotPresent
ports:
- containerPort: 61616
resources:
limits:
memory: 512Mi
该模板冗长但直接易读：
- 你从名为webcenter / activemq的官方仓库中请求了一个activemq容器
- 容器在端口61616上公开消息代理
- 为容器分配了512MB的内存
- 你要求提供单个副本 - 你的应用程序的单个实例
使用以下内容创建 activemq-service.yaml 文件：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: queue
spec:
ports:
- port: 61616
targetPort: 61616
selector:
app: queue
幸运的是，这个模板更短！
这个yaml表示：
app：queue
targetPort
你可以使用以下命令创建资源：
kubectl create -f activemq-deployment.yaml
kubectl create -f activemq-service.yaml
你可以使用以下命令验证数据库的一个实例是否正在运行：
kubectl get pods -l=app=queue
部署前端
使用以下内容创建 fe-deployment.yaml 文件：
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
name: frontend
spec:
replicas: 1
template:
metadata:
labels:
app: frontend
spec:
containers:
- name: frontend
image: spring-boot-hpa
imagePullPolicy: IfNotPresent
env:
- name: ACTIVEMQ_BROKER_URL
value: "tcp://queue:61616"
- name: STORE_ENABLED
value: "true"
- name: WORKER_ENABLED
value: "false"
ports:
- containerPort: 8080
livenessProbe:
initialDelaySeconds: 5
periodSeconds: 5
httpGet:
path: /health
port: 8080
resources:
limits:
memory: 512Mi
Deployment看起来很像前一个。
但是有一些新的字段：
- 有一个section可以注入环境变量
- 还有liveness探针，可以告诉你应用程序何时可以接受流量
使用以下内容创建 fe-service.yaml 文件：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: frontend
spec:
ports:
- nodePort: 32000
port: 80
targetPort: 8080
selector:
app: frontend
type: NodePort
你可以使用以下命令创建资源：
kubectl create -f fe-deployment.yaml
kubectl create -f fe-service.yaml
你可以使用以下命令验证前端应用程序的一个实例是否正在运行：
kubectl get pods -l=app=frontend
部署后端
使用以下内容创建 backend-deployment.yaml 文件：
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
name: backend
spec:
replicas: 1
template:
metadata:
labels:
app: backend
annotations:
prometheus.io/scrape: 'true'
spec:
containers:
- name: backend
image: spring-boot-hpa
imagePullPolicy: IfNotPresent
env:
- name: ACTIVEMQ_BROKER_URL
value: "tcp://queue:61616"
- name: STORE_ENABLED
value: "false"
- name: WORKER_ENABLED
value: "true"
ports:
- containerPort: 8080
livenessProbe:
initialDelaySeconds: 5
periodSeconds: 5
httpGet:
path: /health
port: 8080
resources:
limits:
memory: 512Mi
使用以下内容创建 backend-service.yaml 文件：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: backend
spec:
ports:
- nodePort: 31000
port: 80
targetPort: 8080
selector:
app: backend
type: NodePort
你可以使用以下命令创建资源：
kubectl create -f backend-deployment.yaml
kubectl create -f backend-service.yaml
你可以验证后端的一个实例是否正在运行：
kubectl get pods -l=app=backend
部署完成。
它真的有效吗？
你可以使用以下命令在浏览器中访问该应用程序：
minikube service backend
和
minikube service frontend
如果它有效，你应该尝试购买一些物品！
工作者在处理交易吗？
是的，如果有足够的时间，工作人员将处理所有待处理的消息。
恭喜！
你刚刚将应用程序部署到Kubernetes！
手动扩展以满足不断增长的需求
单个工作程序可能无法处理大量消息。 实际上，它当时只能处理一条消息。
如果你决定购买数千件物品，则需要数小时才能清除队列。
此时你有两个选择：
- 你可以手动放大和缩小
- 你可以创建自动缩放规则以自动向上或向下扩展
让我们先从基础知识开始。
你可以使用以下方法将后端扩展为三个实例：
kubectl scale --replicas=5 deployment/backend
你可以验证Kubernetes是否创建了另外五个实例：
kubectl get pods
并且应用程序可以处理五倍以上的消息。
一旦工人排空队列，你可以缩小：
kubectl scale --replicas=1 deployment/backend
如果你知道最多的流量何时达到你的服务，手动扩大和缩小都很棒。
如果不这样做，设置自动缩放器允许应用程序自动缩放而无需手动干预。
你只需要定义一些规则。
公开应用程序指标
Kubernetes如何知道何时扩展你的申请？
很简单，你必须告诉它。
自动调节器通过监控指标来工作。 只有这样，它才能增加或减少应用程序的实例。
因此，你可以将队列长度公开为度量标准，并要求autoscaler观察该值。 队列中的待处理消息越多，Kubernetes将创建的应用程序实例就越多。
那么你如何公开这些指标呢？
应用程序具有 /metrics 端点以显示队列中的消息数。 如果你尝试访问该页面，你会注意到以下内容：
# HELP messages Number of messages in the queue
TYPE messages gauge
messages 0
应用程序不会将指标公开为JSON格式。 格式为纯文本，是公开Prometheus指标的标准。 不要担心记忆格式。 大多数情况下，你将使用其中一个Prometheus客户端库。
在Kubernetes中使用应用程序指标
你几乎已准备好进行自动缩放 - 但你应首先安装度量服务器。 实际上，默认情况下，Kubernetes不会从你的应用程序中提取指标。 如果你愿意，可以启用Custom Metrics API。
要安装Custom Metrics API，你还需要Prometheus - 时间序列数据库。 安装Custom Metrics API所需的所有文件都可以方便地打包在learnk8s / spring-boot-k8s-hpa中。
你应下载该存储库的内容，并将当前目录更改为该项目的 monitoring 文件夹。
cd spring-boot-k8s-hpa/monitoring
从那里，你可以创建自定义指标API：
kubectl create -f ./metrics-server
kubectl create -f ./namespaces.yaml
kubectl create -f ./prometheus
kubectl create -f ./custom-metrics-api
你应该等到以下命令返回自定义指标列表：
kubectl get --raw "/apis/custom.metrics.k8s.io/v1beta1" | jq .
任务完成！
你已准备好使用指标。
实际上，你应该已经找到了队列中消息数量的自定义指标：
kubectl get --raw "/apis/custom.metrics.k8s.io/v1beta1/namespaces/default/pods/*/messages" | jq .
恭喜，你有一个公开指标的应用程序和使用它们的指标服务器。
你最终可以启用自动缩放器！
在Kubernetes中进行自动扩展部署
Kubernetes有一个名为Horizontal Pod Autoscaler的对象，用于监视部署并上下调整Pod的数量。
你将需要其中一个来自动扩展实例。
你应该创建一个包含以下内容的 hpa.yaml 文件：
apiVersion: autoscaling/v2beta1
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
name: spring-boot-hpa
spec:
scaleTargetRef:
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
name: backend
minReplicas: 1
maxReplicas: 10
metrics:
- type: Pods
pods:
metricName: messages
targetAverageValue: 10
这个文件很神秘，所以让我为你翻译一下：
- Kubernetes监视 scaleTargetRef 中指定的部署。 在这种情况下，它是工人。
- 你正在使用 messages 指标来扩展你的 Pod 。 当队列中有超过十条消息时，Kubernetes将触发自动扩展。
- 至少，部署应该有两个 Pod 。 10个 Pod 是上限。
你可以使用以下命令创建资源：
kubectl create -f hpa.yaml
提交自动缩放器后，你应该注意到后端的副本数量是两个。 这是有道理的，因为你要求自动缩放器始终至少运行两个副本。
你可以检查触发自动缩放器的条件以及由此产生的事件：
kubectl describe hpa
自动定标器表示它能够将Pod扩展到2，并且它已准备好监视部署。
令人兴奋的东西，但它有效吗？
负载测试
只有一种方法可以知道它是否有效：在队列中创建大量消息。
转到前端应用程序并开始添加大量消息。 在添加消息时，使用以下方法监视Horizontal Pod Autoscaler的状态：
kubectl describe hpa
Pod的数量从2上升到4，然后是8，最后是10。
该应用程序随消息数量而变化！ 欢呼！
你刚刚部署了一个完全可伸缩的应用程序，可根据队列中的待处理消息数进行扩展。
另外，缩放算法如下：
MAX(CURRENT_REPLICAS_LENGTH * 2, 4)
在解释算法时，文档没有多大帮助。 你可以在代码中找到详细信息。
此外，每分钟都会重新评估每个放大，而每两分钟缩小一次。
以上所有都是可以调整的设置。
但是你还没有完成。
什么比自动缩放实例更好？ 自动缩放群集。
跨节点缩放Pod非常有效。 但是，如果群集中没有足够的容量来扩展Pod，该怎么办？
如果达到峰值容量，Kubernetes将使Pods处于暂挂状态并等待更多资源可用。
如果你可以使用类似于Horizontal Pod Autoscaler的自动缩放器，但对于节点则会很棒。
好消息！
你可以拥有一个群集自动缩放器，可以在你需要更多资源时为Kubernetes群集添加更多节点。
群集自动缩放器具有不同的形状和大小。它也是特定于云提供商的。
请注意，你将无法使用 minikube 测试自动缩放器，因为它根据定义是单节点。
你可以在Github上找到有关集群自动调节器和云提供程序实现的更多信息。
概览
设计大规模应用程序需要仔细规划和测试。
基于队列的体系结构是一种出色的设计模式，可以解耦你的微服务并确保它们可以独立扩展和部署。
虽然你可以用脚本来扩展你的应用，但可以更轻松地利用容器编排器（如Kubernetes）自动部署和扩展应用程序。
今天先说到这里。
英文标题： How to scale Microservices with Message Queues, Spring Boot, and Kubernetes
原文网址：https://medium.freecodecamp.org/how-to-scale-microservices-with-message-queues-spring-boot-and-kubernetes-f691b7ba3acf
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