Spring Boot集成Hazelcast实现集群与分布式内存缓存

Hazelcast是Hazelcast公司开源的一款分布式内存数据库产品，提供弹性可扩展、高性能的分布式内存计算。并通过提供诸如Map，Queue，ExecutorService，Lock和JCache等Java的许多开发人员友好的分布式实现。

了解Hazelcast

Hazelcast特性

• 简单易用
  Hazelcast是用Java编写的，没有其他依赖关系。只需简单的把jar包引入项目的classpath即可创建集群。
• 无主从模式
  与许多NoSQL解决方案不同，Hazelcast节点是点对点的。没有主从关系; 所有成员都存储相同数量的数据，并进行相等的处理,避免了单点故障。
• 弹性可扩展
  Hazelcast旨在扩展成千上万的成员。新成员启动，将自动发现群集，并线性增加存储和处理能力。成员之间通过TCP保持连接和通讯。
• 读写快速高效
  Hazelcast所有数据都存储在内存中，提供基于内存快速高效的读写能力。

Hazelcast部署拓扑
在Hazelcast官方提供两种方式部署集群（图片均来自官方文档）：

如需聚焦异步或高性能大批量任务的缓存服务，嵌入式方式是相对有优势的，最明显嵌入式方式访问数据延迟性低。

独立创建Hazelcast集群，统一管理，所有的应用程序如果需要访问缓存，可通过Hazelcast客户端（有java .NET C++的实现）或Memcache客户端或简单的REST客户端访问。后续demo示例以嵌入式为例。

Hazelcast数据分区
在Hazelcast分布式环境中，默认情况下，Hazelcast有271个分区。
当启动第一个成员的时候，成员1在集群中的分区如下图：

当在集群中新添加一个节点2时，分区图如下：

在图示中，黑色分区是主分区，蓝色分区是副本分区（备份）。第一个成员具有135个主分区（黑色），并且每个分区都备份在第二个成员（蓝色）中。同时，第一个成员还具有第二个成员的主分区的副本分区。

随着成员的增多，Hazelcast将一些主要和副本分区逐个移动到新成员，使所有成员相等和冗余。只有最小量的分区将被移动到扩展Hazelcast。以下是具有四个成员的Hazelcast集群中的分区图示如下：

Hazelcast在群集成员之间平均分配分区。Hazelcast创建分区的备份，并将其分配给成员之间进行冗余。

上述插图中的分区是为了方便描述。通常，Hazelcast分区不会按照顺序分配（如这些图所示），而是随机分布。Hazelcast在成员间平均分配了分区和备份。

Hazelcast优势

• Hazelcast提供开源版本。
• Hazelcast无需安装，只是个极小jar包。
• Hazelcast提供开箱即用的分布式数据结构，如Map，Queue，MultiMap，Topic，Lock和Executor。
• Hazelcast集群非传统主从关系，避免了单点故障；集群中所有成员共同分担集群功能。
• Hazelcast集群提供弹性扩展，新成员在内存不足或负载过高时能动态加入集群。
• Hazelcast集群中成员分担数据缓存的同时互相冗余备份其他成员数据，防止某成员离线后数据丢失。
• Hazelcast提供SPI接口支持用户自定义分布式数据结构。

Hazelcast适用场景

• 频繁读写数据
• 需要高可用分布式缓存
• 内存行NoSql存储
• 分布式环境中弹性扩展

下面我们来使用Spring Boot集成Hazelcast实现分布式集群服务看看

Spring Boot集成Hazelcast实现分布式集群服务

首先新建一个Spring Boot的gradle项目，引入Hazelcast相关jar包：

dependencies {
   compile 'com.hazelcast:hazelcast'
   compile 'org.springframework.boot:spring-boot-starter-web'
}

当Hazelcast包在classpath上，Spring Boot将通过下面两种方式之一为我们创建一个HazelcastInstance实例：

方式一，通过配置属性指定的Hazelcast.xml文件创建：
spring.hazelcast.config = classpath:hazelcast.xml
该方式需要编写一个hazelcast.xml文件，通过xml文件描述Hazelcast集群

方式二，通过提供一个com.hazelcast.config.Config javabean到Spring容器中（下面所有demo是基于java config方式）

@Bean
   public Config hazelCastConfig() {
       //如果有集群管理中心，可以配置
       ManagementCenterConfig centerConfig = new ManagementCenterConfig();
       centerConfig.setUrl("http://127.0.0.1:8200/mancenter");
       centerConfig.setEnabled(true);
       return new Config()
               .setInstanceName("hazelcast-instance")
               .setManagementCenterConfig(centerConfig)
               .addMapConfig(
                       new MapConfig()
                               .setName("instruments")
                               .setMaxSizeConfig(new MaxSizeConfig(200, MaxSizeConfig.MaxSizePolicy.FREE_HEAP_SIZE))
                               .setEvictionPolicy(EvictionPolicy.LRU)
                               .setTimeToLiveSeconds(20000));
   }

上面代码通过提供Config的bean时候，主要做了如下几个事：

• 创建一个默认名为hazelcast-instance的HazelcastInstance实例；
• 使用默认的组播发现模式，组播传播地址默认为：224.2.2.3，如果想修改信息或修改为TCP模式可通过setNetworkConfig()接口设置相关信息；
• 创建一个名为dev，访问密码为dev-pass的group保障节点加入，如果想修改组，可通过setGroupConfig()接口设置相关信息；
• 创建了一个名为instruments的分布式map数据结构，并设置了该map的最大容量200／逐出策略LRU／有效期20000ms等信息，当集群启动后，我们可以在任一成员节点上通过HazelcastInstance读写该map。

完整代码：

@SpringBootApplication
public class StartUp {

   private Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(StartUp.class);

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

   @Bean
   public Config hazelCastConfig() {
       //如果有集群管理中心，可以配置
       ManagementCenterConfig centerConfig = new ManagementCenterConfig();
       centerConfig.setUrl("http://127.0.0.1:8200/mancenter");
       centerConfig.setEnabled(true);
       return new Config()
               .setInstanceName("hazelcast-instance")
               .setManagementCenterConfig(centerConfig)
               .addMapConfig(
                       new MapConfig()
                               .setName("instruments")
                               .setMaxSizeConfig(new MaxSizeConfig(200, MaxSizeConfig.MaxSizePolicy.FREE_HEAP_SIZE))
                               .setEvictionPolicy(EvictionPolicy.LRU)
                               .setTimeToLiveSeconds(20000));
   }
}

下面我们通过修改server.port分别启动端口为8080和8081的成员服务
当启动完8080成员的时候，可以在8080控制台看到如下日志：

Members [1] {
   Member [172.17.42.1]:5701 - 0d39dd66-d4fb-4af4-8ddb-e9f4c7bbe5a1 this
}

因我们使用的是组播传播模式，5701为节点在组播网络中分配的端口
当启动完8081成员的时候，可以在8081控制台看到如下日志：

Members [2] {
   Member [172.17.42.1]:5701 - 0d39dd66-d4fb-4af4-8ddb-e9f4c7bbe5a1
   Member [172.17.42.1]:5702 - a46ceeb4-e079-43a5-9c9d-c74265211bf7 this
}

回到8080控制台，发现多了一行日志：

Members [2] {
   Member [172.17.42.1]:5701 - 0d39dd66-d4fb-4af4-8ddb-e9f4c7bbe5a1 this
   Member [172.17.42.1]:5702 - a46ceeb4-e079-43a5-9c9d-c74265211bf7
}

发现8081成员也加入进来了。两个控制台都能看到成员列表。集群就已经搭建成功。

为了验证结果，上面我们在集群中已经创建了一个名为instruments的分布式map数据结构，现在我们通过写个接口证明：

@GetMapping("/greet")
   public Object greet() {
       Object value = Hazelcast.getHazelcastInstanceByName("hazelcast-instance").getMap("instruments").get("hello");
       if (Objects.isNull(value)) {
           Hazelcast.getHazelcastInstanceByName("hazelcast-instance").getMap("instruments").put("hello", "world!");

       }        LOGGER.info("从分布式缓存获取到 key=hello,value={}", value);
       return value;
   }

首先通过访问8080服务的/greet，第一次访问instruments中是没有key为hello的键值对，会往里面塞入{"helo":"world!"}，然后访问8081服务的/greet，这个时候应该是能取得改键值对的。

完整代码：

@RestController
@SpringBootApplication
public class StartUp {

   private Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(StartUp.class);

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

   @Bean
   public Config hazelCastConfig() {
       //如果有集群管理中心，可以配置
       ManagementCenterConfig centerConfig = new ManagementCenterConfig();
       centerConfig.setUrl("http://127.0.0.1:8200/mancenter");
       centerConfig.setEnabled(true);
       return new Config()
               .setInstanceName("hazelcast-instance")
               .setManagementCenterConfig(centerConfig)
               .addMapConfig(
                       new MapConfig()
                               .setName("instruments")
                               .setMaxSizeConfig(new MaxSizeConfig(200, MaxSizeConfig.MaxSizePolicy.FREE_HEAP_SIZE))
                               .setEvictionPolicy(EvictionPolicy.LRU)
                               .setTimeToLiveSeconds(20000));
   }


   @GetMapping("/greet")
   public Object greet() {
       Object value = Hazelcast.getHazelcastInstanceByName("hazelcast-instance").getMap("instruments").get("hello");
       if (Objects.isNull(value)) {
           Hazelcast.getHazelcastInstanceByName("hazelcast-instance").getMap("instruments").put("hello", "world!");

       }        LOGGER.info("从分布式缓存获取到 key=hello,value={}", value);
       return value;
   }
}

重启8080和8081服务
通过浏览器请求http://localhost:8080/greet
查看8080控制台日志：
2017-10-23 13:52:27.865 INFO 13848 --- [nio-8080-exec-1] com.hazelcast.StartUp: 从分布式缓存获取到 key=hello,value=nul

通过浏览器请求http://localhost:8081/greet
查看8081控制台日志：
2017-10-23 13:52:40.116 INFO 13860 --- [nio-8081-exec-2] com.hazelcast.StartUp: 从分布式缓存获取到 key=hello,value=world

Spring Boot为Hazelcast提供了明确的缓存支持。如果启用缓存， HazelcastInstance则会自动包含在CacheManager实现中。所以完全可以支持Spring Cache。

以往我们用Spring Cache都是基于Redis做存储后端，现在我们使用Hazelcast来尝试一下 首先在启动类上开启缓存
@EnableCaching

建立个service类，demo为了方便，写在一起
完整代码：

@EnableCaching
@RestController
@SpringBootApplication
public class StartUp {

   private Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(StartUp.class);

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

   @Bean
   public Config hazelCastConfig() {
       //如果有集群管理中心，可以配置
       ManagementCenterConfig centerConfig = new ManagementCenterConfig();
       centerConfig.setUrl("http://127.0.0.1:8200/mancenter");
       centerConfig.setEnabled(true);
       return new Config()
               .setInstanceName("hazelcast-instance")
               .setManagementCenterConfig(centerConfig)
               .addMapConfig(
                       new MapConfig()
                               .setName("instruments")
                               .setMaxSizeConfig(new MaxSizeConfig(200, MaxSizeConfig.MaxSizePolicy.FREE_HEAP_SIZE))
                               .setEvictionPolicy(EvictionPolicy.LRU)
                               .setTimeToLiveSeconds(20000));
   }


   @GetMapping("/greet")
   public Object greet() {
       Object value = Hazelcast.getHazelcastInstanceByName("hazelcast-instance").getMap("instruments").get("hello");
       if (Objects.isNull(value)) {
           Hazelcast.getHazelcastInstanceByName("hazelcast-instance").getMap("instruments").put("hello", "world!");

       }        LOGGER.info("从分布式缓存获取到 key=hello,value={}", value);
       return value;
   }

   @Autowired
   private DemoService demoService;

   @GetMapping("/cache")
   public Object cache() {
       String value = demoService.greet("hello");        LOGGER.info("从分布式缓存获取到 key=hello,value={}", value);
       return value;
   }

}

@Service
@CacheConfig(cacheNames = "instruments")
class DemoService {

   private Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(DemoService.class);

   @Cacheable(key = "#key")
   public String greet(String key) {        LOGGER.info("缓存内没有取到key={}", key);
       return "world！";
   }

}

连续访问两次8080服务的/cache接口 第一次控制台输出日志：

2017-10-23 14:10:02.201  INFO 13069 --- [nio-8081-exec-1] com.hazelcast.DemoService: 缓存内没有取到key=hello
2017-10-23 14:10:02.202  INFO 13069 --- [nio-8081-exec-1] com.hazelcast.StartUp: 从分布式缓存获取到 key=hello,value=world！

第二次控制台输出日志：
2017-10-23 14:11:51.966 INFO 13069 --- [nio-8081-exec-3] com.hazelcast.StartUp: 从分布式缓存获取到 key=hello,value=world！

第二次比第一次相比少了执行service方法体内容，证明第二次是通过了缓存获取。

• 在Hazelcast官网上，有使用Hazelcast集群和Redis集群做缓存的对比
• 单只性能上来说，写入速度Hazelcast比Redis快44%，读取速度Hazelcast比Redis快56%
• 详情移步底下参考资料中链接
• 下面，我们再来一个尝试，既然有分布式缓存了，我们可以把我们的8080和8081服务做成一个web集群，web服务集群主要标志是前端负载均衡和session共享，我们来实现8080和8081的session共享。

Spring Session已经支持使用Hazelcast作为会话缓存后端，首先引入Spring Session jar包

dependencies {
   compile 'com.hazelcast:hazelcast'
   compile 'org.springframework.boot:spring-boot-starter-web'
   compile 'org.springframework.session:spring-session'
}

要启用Hazelcast作为集群会话缓存后端，有两种方式
第一种Spring Boot配置文件里面配置spring.session.*属性：
spring.session.store-type=hazelcast

第二种使用java注解开启：
@EnableHazelcastHttpSession

这里选择第二种方式，要证明集群会话共享，我们定一个简单接口打印一下sessionId，通过同一浏览器访问8080和8081服务的该接口，看看不同服务请求的时候sessionId是否一致，完整代码如下：

@EnableCaching
@RestController
@EnableHazelcastHttpSession
@SpringBootApplication
public class StartUp {

   private Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(StartUp.class);

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

   @Bean
   public Config hazelCastConfig() {
       //如果有集群管理中心，可以配置
       ManagementCenterConfig centerConfig = new ManagementCenterConfig();
       centerConfig.setUrl("http://127.0.0.1:8200/mancenter");
       centerConfig.setEnabled(true);
       return new Config()
               .setInstanceName("hazelcast-instance")
               .setManagementCenterConfig(centerConfig)
               .addMapConfig(
                       new MapConfig()
                               .setName("instruments")
                               .setMaxSizeConfig(new MaxSizeConfig(200, MaxSizeConfig.MaxSizePolicy.FREE_HEAP_SIZE))
                               .setEvictionPolicy(EvictionPolicy.LRU)
                               .setTimeToLiveSeconds(20000));
   }


   @GetMapping("/greet")
   public Object greet() {
       Object value = Hazelcast.getHazelcastInstanceByName("hazelcast-instance").getMap("instruments").get("hello");
       if (Objects.isNull(value)) {
           Hazelcast.getHazelcastInstanceByName("hazelcast-instance").getMap("instruments").put("hello", "world!");

       }        LOGGER.info("从分布式缓存获取到 key=hello,value={}", value);
       return value;
   }

   @Autowired
   private DemoService demoService;

   @GetMapping("/cache")
   public Object cache() {
       String value = demoService.greet("hello");        LOGGER.info("从分布式缓存获取到 key=hello,value={}", value);
       return value;
   }

   @GetMapping("/session")
   public Object session(HttpSession session) {
       String sessionId = session.getId();        LOGGER.info("当前请求的sessionId={}", sessionId);
       return sessionId;
   }
}

@Service
@CacheConfig(cacheNames = "instruments")
class DemoService {

   private Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(DemoService.class);

   @Cacheable(key = "#key")
   public String greet(String key) {        LOGGER.info("缓存内没有取到key={}", key);
       return "world！";
   }

}

访问8080服务/session接口，控制台日志如下：
2017-10-23 14:28:41.991 INFO 14140 --- [nio-8080-exec-2] com.hazelcast.StartUp: 当前请求的sessionId=e75ffc53-90bc-41cd-8de9-e9ddb9c2a5ee

访问8081服务/session接口，控制台日志如下：
2017-10-23 14:28:45.615 INFO 14152 --- [nio-8081-exec-1] com.hazelcast.StartUp: 当前请求的sessionId=e75ffc53-90bc-41cd-8de9-e9ddb9c2a5ee
集群会话共享生效。

集群管理界面

在上面的demo中，在创建Config的时候，设置了一个ManagementCenterConfig配置，该配置是指向一个Hazelcast集群管理平台，比如demo中表示在本地启动了一个管理平台服务。该功能也是相对其他NoSql服务的一个优势。

要部署ManagementCenter管理平台有多种方式
比如通过https://download.hazelcast.com/management-center/management-center-3.8.3.zip地址下载，解压后启动；
sh ./startManCenter.sh 8200 /mancenter

如果有docker环境，直接可以docker部署：
docker run -ti -p 8200:8080 hazelcast/management-center:latest

部署成功后，访问http://ip:8200/mancenter，首次访问会让你配置个用户名密码，进入后 ：

在左侧菜单栏，能看到现有支持的分布式数据格式，比如Maps下面名为instruments的是我们前面demo自己创建的，名为spring:session:sessions是我们用了Hazelcast做集群会话同步的时候Spring为我们创建的。

中间区域能看到所有节点成员的系统相关实时使用率，随便点击一个节点进去，能看到当前节点的系统实时使用率：

红圈里面的即是上面提到的节点数据分区数，通过左侧菜单栏的数据结构进去，能看到当前对应的数据结构的详细信息和实时吞吐量：

更多内容请参考下方参考资料。
示例代码可以通过https://github.com/zggg/hazelcast-in-spring-boot下载。

参考资料

• 为什么选Hazelcast：https://hazelcast.com/why-hazelcast/imdg/
• Hazelcast官方文档：http://docs.hazelcast.org/docs/3.8.6/manual/html-single/index.html
• Redis对比：https://hazelcast.com/use-cases/nosql/redis-replacement/
• Redis 3.2.8 vs Hazelcast 3.8 集群基准测试对比：https://hazelcast.com/resources/benchmark-redis-vs-hazelcast/

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