Spring Cloud Stream 体系及原理介绍

1.原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/61819803

 Spring Cloud Stream 在 Spring Cloud 体系内用于构建高度可扩展的基于事件驱动的微服务，其目的是为了简化消息在 Spring Cloud 应用程序中的开发。Spring Cloud Stream (后面以 SCS 代替 Spring Cloud Stream) 本身内容很多，而且它还有很多外部的依赖，想要熟悉 SCS，必须要先了解 Spring Messaging 和 Spring Integration 这两个项目，接下来文章将从以下几点跟大家进行介绍：

• 什么是 Spring Messaging；
• 什么是 Spring Integration；
• 什么是 SCS及其功能；

Spring Messaging

Spring Messaging 是 Spring Framework 中的一个模块，其作用就是统一消息的编程模型。

• 比如消息 Messaging 对应的模型就包括一个消息体 Payload 和消息头 Header:

package org.springframework.messaging;
public interface Message<T> {
    T getPayload();
    MessageHeaders getHeaders();
}

• 消息通道 MessageChannel 用于接收消息，调用 send 方法可以将消息发送至该消息通道中 :

@FunctionalInterface
public interface MessageChannel {
    long INDEFINITE_TIMEOUT = -1;
    default boolean send(Message<?> message) {
        return send(message, INDEFINITE_TIMEOUT);
    }
    boolean send(Message<?> message, long timeout);
}

消息通道里的消息如何被消费呢？

• 由消息通道的子接口可订阅的消息通道 SubscribableChannel 实现，被 MessageHandler 消息处理器所订阅:

public interface SubscribableChannel extends MessageChannel {
    boolean subscribe(MessageHandler handler);
    boolean unsubscribe(MessageHandler handler);
}

• 由MessageHandler 真正地消费/处理消息:

@FunctionalInterface
public interface MessageHandler {
    void handleMessage(Message<?> message) throws MessagingException;
}

Spring Messaging 内部在消息模型的基础上衍生出了其它的一些功能，如：

1. 消息接收参数及返回值处理：消息接收参数处理器 HandlerMethodArgumentResolver 配合@Header, @Payload 等注解使用；消息接收后的返回值处理器HandlerMethodReturnValueHandler 配合 @SendTo 注解使用；
2. 消息体内容转换器 MessageConverter；
3. 统一抽象的消息发送模板 AbstractMessageSendingTemplate；
4. 消息通道拦截器 ChannelInterceptor；

Spring Integration

Spring Integration 提供了 Spring 编程模型的扩展用来支持企业集成模式(Enterprise Integration Patterns)，是对 Spring Messaging 的扩展。它提出了不少新的概念，包括消息的路由 MessageRoute、消息的分发 MessageDispatcher、消息的过滤 Filter、消息的转换Transformer、消息的聚合 Aggregator、消息的分割 Splitter 等等。同时还提供了MessageChannel和MessageHandler 的实现，分别包括DirectChannel、ExecutorChannel、PublishSubscribeChannel 和MessageFilter、ServiceActivatingHandler、MethodInvokingSplitter 等内容。

首先为大家介绍几种消息的处理方式：

• 消息的分割：

• 消息的聚合：

• 消息的过滤：

• 消息的分发：

接下来，我们以一个最简单的例子来尝试一下 Spring Integration:

SubscribableChannel messageChannel = new DirectChannel(); // 1

messageChannel.subscribe(msg -> { // 2
  System.out.println("receive: " + msg.getPayload());
});

messageChannel.send(MessageBuilder.withPayload("msg from alibaba").build()); // 3

1. 构造一个可订阅的消息通道 MessageChannel；
2. 使用 MessageHandler 去消费这个消息通道里的消息；
3. 发送一条消息到这个消息通道，消息最终被消息通道里的 MessageHandler所消费，最后控制台打印出: receive: msg from alibaba；

DirectChannel 内部有个 UnicastingDispatcher 类型的消息分发器，会分发到对应的消息通道MessageChannel 中，从名字也可以看出来，UnicastingDispatcher 是个单播的分发器，只能选择一个消息通道。那么如何选择呢? 内部提供了 LoadBalancingStrategy 负载均衡策略，默认只有轮询的实现，可以进行扩展。

我们对上段代码做一点修改，使用多个 MessageHandler 去处理消息：

SubscribableChannel messageChannel = new DirectChannel();

messageChannel.subscribe(msg -> {
  System.out.println("receive1: " + msg.getPayload());
});

messageChannel.subscribe(msg -> {
  System.out.println("receive2: " + msg.getPayload());
});

messageChannel.send(MessageBuilder.withPayload("msg from alibaba").build());
messageChannel.send(MessageBuilder.withPayload("msg from alibaba").build());

由于 DirectChannel 内部的消息分发器是 UnicastingDispatcher 单播的方式，并且采用轮询的负载均衡策略，所以这里两次的消费分别对应这两个 MessageHandler。控制台打印出：

receive1: msg from alibaba
receive2: msg from alibaba

既然存在单播的消息分发器 UnicastingDispatcher，必然也会存在广播的消息分发器，那就是BroadcastingDispatcher，它被 PublishSubscribeChannel 这个消息通道所使用。广播消息分发器会把消息分发给所有的 MessageHandler：

SubscribableChannel messageChannel = new PublishSubscribeChannel();

messageChannel.subscribe(msg -> {
  System.out.println("receive1: " + msg.getPayload());
});

messageChannel.subscribe(msg -> {
  System.out.println("receive2: " + msg.getPayload());
});

messageChannel.send(MessageBuilder.withPayload("msg from alibaba").build());
messageChannel.send(MessageBuilder.withPayload("msg from alibaba").build());

发送两个消息，都被所有的 MessageHandler 所消费。控制台打印：

receive1: msg from alibaba
receive2: msg from alibaba
receive1: msg from alibaba
receive2: msg from alibaba

Spring Cloud Stream

SCS与各模块之间的关系是：

• SCS 在 Spring Integration 的基础上进行了封装，提出了 Binder, Binding,@EnableBinding, @StreamListener 等概念;
• SCS 与 Spring Boot Actuator 整合，提供了 /bindings, /channelsendpoint;
• SCS 与 Spring Boot Externalized Configuration 整合，提供了 BindingProperties,BinderProperties 等外部化配置类;
• SCS 增强了消息发送失败的和消费失败情况下的处理逻辑等功能。
• SCS 是 Spring Integration 的加强，同时与 Spring Boot 体系进行了融合，也是 Spring Cloud Bus 的基础。它屏蔽了底层消息中间件的实现细节，希望以统一的一套 API 来进行消息的发送/消费，底层消息中间件的实现细节由各消息中间件的 Binder 完成。

Binder 是提供与外部消息中间件集成的组件，为构造 Binding提供了 2 个方法，分别是bindConsumer 和 bindProducer ，它们分别用于构造生产者和消费者。目前官方的实现有Rabbit Binder 和 Kafka Binder， Spring Cloud Alibaba 内部已经实现了 RocketMQ Binder。

从图中可以看出，Binding 是连接应用程序跟消息中间件的桥梁，用于消息的消费和生产。我们来看一个最简单的使用 RocketMQ Binder 的例子，然后分析一下它的底层处理原理：

• 启动类及消息的发送：

@SpringBootApplication
@EnableBinding({ Source.class, Sink.class }) // 1
public class SendAndReceiveApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(SendAndReceiveApplication.class, args);
    }

    @Bean // 2
    public CustomRunner customRunner() {
        return new CustomRunner();
    }

    public static class CustomRunner implements CommandLineRunner {

        @Autowired
        private Source source;

        @Override
        public void run(String... args) throws Exception {
            int count = 5;
            for (int index = 1; index <= count; index++) {
                source.output().send(MessageBuilder.withPayload("msg-" + index).build()); // 3
            }
        }
    }
}

• 消息的接收：

@Service
public class StreamListenerReceiveService {

    @StreamListener(Sink.INPUT) // 4
    public void receiveByStreamListener1(String receiveMsg) {
        System.out.println("receiveByStreamListener: " + receiveMsg);
    }

}

这段代码很简单，没有涉及到 RocketMQ 相关的代码，消息的发送和接收都是基于 SCS 体系完成的。如果想切换成 RabbitMQ 或 kafka，只需修改配置文件即可，代码无需修改。

我们分析这段代码的原理:

1. @EnableBinding 对应的两个接口属性 Source 和 Sink 是 SCS 内部提供的。SCS 内部会基于 Source 和 Sink 构造 BindableProxyFactory，且对应的 output 和 input 方法返回的 MessageChannel 是 DirectChannel。output 和 input 方法修饰的注解对应的 value 是配置文件中 binding 的 name。

public interface Source {
    String OUTPUT = "output";
    @Output(Source.OUTPUT)
    MessageChannel output();
}
public interface Sink {
    String INPUT = "input";
    @Input(Sink.INPUT)
    SubscribableChannel input();
}

配置文件里 bindings 的 name 为 output 和 input，对应 Source 和 Sink 接口的方法上的注解里的 value：

spring.cloud.stream.bindings.output.destination=test-topic
spring.cloud.stream.bindings.output.content-type=text/plain
spring.cloud.stream.rocketmq.bindings.output.producer.group=demo-group

spring.cloud.stream.bindings.input.destination=test-topic
spring.cloud.stream.bindings.input.content-type=text/plain
spring.cloud.stream.bindings.input.group=test-group1

1. 构造 CommandLineRunner，程序启动的时候会执行 CustomRunner 的 run 方法。
2. 调用 Source 接口里的 output 方法获取 DirectChannel，并发送消息到这个消息通道中。这里跟之前 Spring Integration 章节里的代码一致。

• Source 里的 output 发送消息到 DirectChannel 消息通道之后会被AbstractMessageChannelBinder#SendingHandler 这个 MessageHandler 处理，然后它会委托给 AbstractMessageChannelBinder#createProducerMessageHandler创建的 MessageHandler 处理(该方法由不同的消息中间件实现)；
• 不同的消息中间件对应的 AbstractMessageChannelBinder#createProducerMessageHandler 方法返回的 MessageHandler 内部会把 Spring Message 转换成对应中间件的 Message 模型并发送到对应中间件的 broker；

1. 使用 @StreamListener 进行消息的订阅。请注意，注解里的 Sink.input 对应的值是 "input"，会根据配置文件里 binding 对应的 name 为 input 的值进行配置：

• 不同的消息中间件对应的 AbstractMessageChannelBinder#createConsumerEndpoint 方法会使用 Consumer 订阅消息，订阅到消息后内部会把中间件对应的 Message 模型转换成 Spring Message；
• 消息转换之后会把 Spring Message 发送至 name 为 input 的消息通道中；
• @StreamListener 对应的 StreamListenerMessageHandler 订阅了 name 为 input 的消息通道，进行了消息的消费；

这个过程文字描述有点啰嗦，用一张图总结一下(黄色部分涉及到各消息中间件的 Binder 实现以及 MQ 基本的订阅发布功能)：

SCS 章节的最后，我们来看一段 SCS 关于消息的处理方式的一段代码：

@StreamListener(value = Sink.INPUT, condition = "headers['index']=='1'")
public void receiveByHeader(Message msg) {
  System.out.println("receive by headers['index']=='1': " + msg);
}

@StreamListener(value = Sink.INPUT, condition = "headers['index']=='9999'")
public void receivePerson(@Payload Person person) {
  System.out.println("receive Person: " + person);
}

@StreamListener(value = Sink.INPUT)
public void receiveAllMsg(String msg) {
  System.out.println("receive allMsg by StreamListener. content: " + msg);
}

@StreamListener(value = Sink.INPUT)
public void receiveHeaderAndMsg(@Header("index") String index, Message msg) {
  System.out.println("receive by HeaderAndMsg by StreamListener. content: " + msg);
}

有没有发现这段代码跟 Spring MVC Controller 中接收请求的代码很像? 实际上他们的架构都是类似的，Spring MVC 对于 Controller 中参数和返回值的处理类分别是org.springframework.web.method.support.HandlerMethodArgumentResolver、org.springframework.web.method.support.HandlerMethodReturnValueHandler。

Spring Messaging 中对于参数和返回值的处理类之前也提到过，分别是org.springframework.messaging.handler.invocation.HandlerMethodArgumentResolver、org.springframework.messaging.handler.invocation.HandlerMethodReturnValueHandler。

它们的类名一模一样，甚至内部的方法名也一样。

总结

上图是 SCS 体系相关类说明的总结，关于 SCS 以及 RocketMQ Binder 更多相关的示例，可以参考 RocketMQ Binder Demos，包含了消息的聚合、分割、过滤；消息异常处理；消息标签、sql过滤；同步、异步消费等等。