微服务拆分治理最佳实践

Posted 2023-02-22

作者：京东零售 徐强 黄威 张均杰

背景

部门中维护了一个老系统，功能都耦合在一个单体应用中(300+接口)，表也放在同一个库中(200+表)，导致系统存在很多风险和缺陷。经常出现问题：如数据库的单点、性能问题，应用的扩展受限，复杂性高等问题。

从下图可见。各业务相互耦合无明确边界，调用阿关系错综复杂。

随着业务快速发展，各种问题越来越明显，急需对系统进行微服务改造优化。经过思考，整体改造将分为三个阶段进行：

• 数据库拆分：数据库按照业务垂直拆分。
• 应用拆分：应用按照业务垂直拆分。
• 数据访问权限收口：数据权限按照各自业务领域，归属到各自的应用，应用与数据库一对一，禁止交叉访问。

数据库拆分

单体数据库的痛点：未进行业务隔离，一个慢SQL易导致系统整体出现问题；吞吐量高，读写压力大，性能下降；

数据库改造

根据业务划分，我们计划将数据库拆分为9个业务库。数据同步方式采用主从复制的方式，并且通过binlog过滤将对应的表和数据同步到对应的新数据库中。

代码改造方案

如果一个接口中操作了多张表，之前这些表属于同一个库，数据库拆分后可能会分属于不同的库。所以需要针对代码进行相应的改造。

目前存在问题的位置：

• 数据源选择：系统之前是支持多数据源切换的，在service上添加注解来选择数据源。数据库拆分后出现的情况是同一个service中操作的多个mapper从属于不同的库。
• 事务：事务注解目前是存在于service上的，并且事务会缓存数据库链接，一个事务内不支持同时操作多个数据库。

改造点梳理：

• 同时写入多个库，且是同一事务的接口6个：需改造数据源，需改造事务，需要关注分布式事务；
• 同时写入多个库，且不是同一事务的接口50+：需改造数据源，需改造事务，无需关注分布式事务；
• 同时读取多个库 或 读取一个库写入另一个库的接口200+：需改造数据源，但无需关注事务；
• 涉及多个库的表的联合查询8个：需进行代码逻辑改造

梳理方式：

采用部门中的切面工具，抓取入口和表的调用关系（可识别表的读/写操作），找到一个接口中操作了多个表，并且多个表分属于不同业务库的情况；

分布式事务：

进行应用拆分和数据收口之后，是不存在分布式事务的问题的，因为操作第二个库会调用对应系统的RPC接口进行操作。所以本次不会正式支持分布式事务，而是采用代码逻辑保证一致性的方式来解决；

方案一

将service中分别操作多个库的mapper，抽取成多个Service。分别添加切换数据源注解和事务注解。

问题：改动位置多，涉及改动的每个方法都需要梳理历史业务；service存在很多嵌套调用的情况，有时难以理清逻辑；修改200+位置改动工作量大，风险高；

方案二

如图所示，方案二将数据源注解移动到Mapper上，并使用自定义的事务实现来处理事务。

将多数据源注解放到Mapper上的好处是，不需要梳理代码逻辑，只需要在Mapper上添加对应数据源名称即可。但是这样又有新的问题出现，

• 问题1：如上图，事务的是配置在Service层，当事务开启时，数据源的连接并没有获取到，因为真正的数据源配置在Mapper上。所以会报错，这个错误可以通过多数据源组件的默认数据源功能解决。
• 问题2：mybatis的事务实现会缓存数据库链接。当第一次缓存了数据库链接后，后续配置在mapper上的数据源注解并不会重新获取数据库链接，而是直接使用缓存起来的数据库链接。如果后续的mapper要操作其余数据库，会出现找不到表的情况。鉴于以上问题，我们开发了一个自定义的事务实现类，用来解决这个问题。

下面将对方案中出现的两个组件进行简要说明原理。

多数据源组件

多数据源组件是单个应用连接多个数据源时使用的工具，其核心原理是通过配置文件将数据库链接在程序启动时初始化好，在执行到存在注解的方法时，通过切面获取当前的数据源名称来切换数据源，当一次调用涉及多个数据源时，会利用栈的特性解决数据源嵌套的问题。

/**
 * 切面方法
 */
public Object switchDataSourceAroundAdvice(ProceedingJoinPoint pjp) throws Throwable 
        //获取数据源的名字
        String dsName = getDataSourceName(pjp);
        boolean dataSourceSwitched = false;
        if (StringUtils.isNotEmpty(dsName)
                && !StringUtils.equals(dsName, StackRoutingDataSource.getCurrentTargetKey())) 
            // 见下一段代码
            StackRoutingDataSource.setTargetDs(dsName);
            dataSourceSwitched = true;
        
        try 
            // 执行切面方法
            return pjp.proceed();
         catch (Throwable e) 
            throw e;
         finally 
            if (dataSourceSwitched) 
                StackRoutingDataSource.clear();
            
        
    

public static void setTargetDs(String dbName) 
    if (dbName == null) 
    throw new NullPointerException();
    
    if (contextHolder.get() == null) 
        contextHolder.set(new Stack<String>());
    
    contextHolder.get().push(dbName);
    log.debug("set current datasource is " + dbName);

StackRoutingDataSource继承 AbstractRoutingDataSource类，AbstractRoutingDataSource是spring-jdbc包提供的一个了AbstractDataSource的抽象类，它实现了DataSource接口的用于获取数据库链接的方法。

自定义事务实现

从方案二的图中可以看到默认的事务实现使用的是mybatis的SpringManagedTransaction。

如上图，Transaction和SpringManagedTransaction都是mybatis提供的类，他提供了接口供SqlSession使用，处理事务操作。

通过下边的一段代码可以看到，事务对象中存在connection变量，首次获得数据库链接后，后续当前事务内的所有数据库操作都不会重新获取数据库链接，而是会使用现有的数据库链接，从而无法支持跨库操作。

public class SpringManagedTransaction implements Transaction 

  private static final Log LOGGER = LogFactory.getLog(SpringManagedTransaction.class);

  private final DataSource dataSource;

  private Connection connection;

  private boolean isConnectionTransactional;

  private boolean autoCommit;

  public SpringManagedTransaction(DataSource dataSource) 
    notNull(dataSource, "No DataSource specified");
    this.dataSource = dataSource;
  
  // 下略

MultiDataSourceManagedTransaction是我们自定义的事务实现，继承自SpringManagedTransaction类，并在内部支持维护多个数据库链接。每次执行数据库操作时，会根据数据源名称判断，如果当前数据源没有缓存的链接则重新获取链接。这样，service上的事务注解其实控制了多个单库事务，且作用域范围相同，一起进行提交或回滚。

代码如下：

public class MultiDataSourceManagedTransaction extends SpringManagedTransaction 
    private DataSource dataSource;

    public ConcurrentHashMap<String, Connection> CON_MAP = new ConcurrentHashMap<>();


    public MultiDataSourceManagedTransaction(DataSource dataSource) 
        super(dataSource);
        this.dataSource = dataSource;
    

    @Override
    public Connection getConnection() throws SQLException 
        Method getCurrentTargetKey;
        String dataSourceKey;
        try 
            getCurrentTargetKey = dataSource.getClass().getDeclaredMethod("getCurrentTargetKey");
            getCurrentTargetKey.setAccessible(true);
            dataSourceKey = (String) getCurrentTargetKey.invoke(dataSource);
         catch (Exception e) 
            log.error("MultiDataSourceManagedTransaction invoke getCurrentTargetKey 异常", e);
            return null;
        

        if (CON_MAP.get(dataSourceKey) == null) 
            Connection connection = dataSource.getConnection();
            if (!TransactionSynchronizationManager.isActualTransactionActive()) 
                connection.setAutoCommit(true);
             else 
                connection.setAutoCommit(false);
            
            CON_MAP.put(dataSourceKey, connection);
            return connection;
        

        return CON_MAP.get(dataSourceKey);
    

    @Override
    public void commit() throws SQLException 
        if (CON_MAP == null || CON_MAP.size() == 0) 
            return;
        
        Set<Map.Entry<String, Connection>> entries = CON_MAP.entrySet();
        for (Map.Entry<String, Connection> entry : entries) 
            Connection value = entry.getValue();
            if (!value.isClosed() && !value.getAutoCommit()) 
                value.commit();
            
        
    

    @Override
    public void rollback() throws SQLException 
        if (CON_MAP == null || CON_MAP.size() == 0) 
            return;
        
        Set<Map.Entry<String, Connection>> entries = CON_MAP.entrySet();
        for (Map.Entry<String, Connection> entry : entries) 
            Connection value = entry.getValue();
            if (value == null) 
                continue;
            
            if (!value.isClosed() && !value.getAutoCommit()) 
                entry.getValue().rollback();
            
        
    

    @Override
    public void close() throws SQLException 
        if (CON_MAP == null || CON_MAP.size() == 0) 
            return;
        
        Set<Map.Entry<String, Connection>> entries = CON_MAP.entrySet();
        for (Map.Entry<String, Connection> entry : entries) 
            DataSourceUtils.releaseConnection(entry.getValue(), this.dataSource);
        
        CON_MAP.clear();
    

注：上面并不是分布式事务。在数据收口之前，它只存在于同一个JVM中。如果项目允许，可以考虑使用Atomikos和Mybatis整合的方案。

数据安全性

本次进行了很多代码改造，如何保证数据安全，保证数据不丢失，我们的机制如下，分为三种情况进行讨论：

• 跨库事务：6处，采用了代码保证一致性的改造方式；上线前经过重点测试，保证逻辑无问题；
• 单库事务：依赖于自定义事务实现，针对自定义事务实现这一个类进行充分测试即可，测试范围小，安全性有保障；
• 其余单表操作：相关修改是在mapper上添加了数据源切换注解，改动位置几百处，几乎是无脑改动，但也存在遗漏或错改的可能；测试同学可以覆盖到核心业务流程，但边缘业务可能会遗漏；我们添加了线上监测机制，当出现找不到表的错误时（说明数据源切换注解添加错误），记录当前执行sql并报警，我们进行逻辑修复与数据处理。

综上，通过对三种情况的处理来保证数据的安全性。

应用拆分

系统接近单体架构，存在以下风险：

1. 系统性风险：一个组件缺陷会导致整个进程崩溃，如内存泄漏、死锁。
2. 复杂性高：系统代码繁多，每次修改代码都心惊胆战，任何一个bug都可能导致整个系统崩溃，不敢优化代码导致代码可读性也越来越差。
3. 测试环境冲突，测试效率低：业务都耦合在一个系统，只要有需求就会出现环境抢占，需要额外拉分支合并代码。

拆分方案

与数据库拆分相同，系统拆分也是根据业务划分拆成9个新系统。

方案一：搭建空的新系统，然后将老系统的相关代码挪到新系统。

• 优点：一步到位。
• 缺点：需要主观挑选代码，然后挪到新系统，可视为做了全量业务逻辑的变动，需要全量测试，风险高，周期长。

方案二：从老系统原样复制出9个新系统，然后直接上线，通过流量路由将老系统流量转发到新系统，后续再对新系统的冗余代码做删减。

• 优点：拆分速度快, 首次上线前无业务逻辑改动，风险低；后续删减代码时依据接口调用量情况来判定，也可视为无业务逻辑的改动，风险较低，并且各系统可各自进行，无需整体排期, 较为灵活。
• 缺点：分为了两步，拆分上线和删减代码

我们在考虑拆分风险和拆分效率后，最终选择了方案二。

拆分实践

1、搭建新系统

直接复制老系统代码，修改系统名称，部署即可

2、流量路由

路由器是拆分的核心，负责分发流量到新系统，同时需要支持识别测试流量，让测试同学可以提前在线上测试新系统。我们这边用filter来作为路由器的，源码见下方。

@Override
public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain filterChain) throws ServletException, IOException 
    HttpServletRequest servletRequest = (HttpServletRequest) request;
    HttpServletResponse servletResponse = (HttpServletResponse) response;

    // 路由开关(0-不路由, 1-根据指定请求头路由, 2-全量路由)
    final int systemRouteSwitch = configUtils.getInteger("system_route_switch", 1);
    if (systemRouteSwitch == 0) 
        filterChain.doFilter(request, response);
        return;
    
    // 只路由测试流量
    if (systemRouteSwitch == 1) 
        // 检查请求头是否包含测试流量标识 包含才进行路由
        String systemRoute = ((HttpServletRequest) request).getHeader("systemRoute");
        if (systemRoute == null || !systemRoute.equals("1")) 
            filterChain.doFilter(request, response);
            return;
        
    

    String systemRouteMapJsonStr = configUtils.getString("route.map", "");
    Map<String, String> map = JSONObject.parseObject(systemRouteMapJsonStr, Map.class);
    String rootUrl = map.get(servletRequest.getRequestURI());

    if (StringUtils.isEmpty(rootUrl)) 
        log.error("路由失败，本地服务内部处理。原因：请求地址映射不到对应系统, uri : ", servletRequest.getRequestURI());
        filterChain.doFilter(request, response);
        return;
    

    String targetURL = rootUrl + servletRequest.getRequestURI();
    if (servletRequest.getQueryString() != null) 
        targetURL = targetURL + "?" + servletRequest.getQueryString();
    
    RequestEntity<byte[]> requestEntity = null;
    try 
        log.info("路由开始 targetURL = ", targetURL);
        requestEntity = createRequestEntity(servletRequest, targetURL);
        ResponseEntity responseEntity = restTemplate.exchange(requestEntity, byte[].class);
        if (requestEntity != null && requestEntity.getBody() != null && requestEntity.getBody().length > 0) 
            log.info("路由完成-请求信息: requestEntity = , body = ", requestEntity.toString(), new String(requestEntity.getBody()));
         else 
            log.info("路由完成-请求信息: requestEntity = ", requestEntity != null ? requestEntity.toString() : targetURL);
        

        HttpHeaders headers = responseEntity.getHeaders();
        String resp = null;
        if (responseEntity.getBody() != null && headers != null && headers.get("Content-Encoding") != null && headers.get("Content-Encoding").contains("gzip")) 
            byte[] bytes = new byte[30 * 1024];
            int len = new GZIPInputStream(new ByteArrayInputStream((byte[]) responseEntity.getBody())).read(bytes, 0, bytes.length);
            resp = new String(bytes, 0, len);
        

        log.info("路由完成-响应信息: targetURL = , headers = , resp = ", targetURL, JSON.toJSONString(headers), resp);
        if (headers != null && headers.containsKey("Location") && CollectionUtils.isNotEmpty(headers.get("Location"))) 
            log.info("路由完成-需要重定向到 ", headers.get("Location").get(0));
            ((HttpServletResponse) response).sendRedirect(headers.get("Location").get(0));
        
        addResponseHeaders(servletRequest, servletResponse, responseEntity);
        writeResponse(servletResponse, responseEntity);
     catch (Exception e) 
        if (requestEntity != null && requestEntity.getBody() != null && requestEntity.getBody().length > 0) 
            log.error("路由异常-请求信息: requestEntity = , body = ", requestEntity.toString(), new String(requestEntity.getBody()), e);
         else 
            log.error("路由异常-请求信息: requestEntity = ", requestEntity != null ? requestEntity.toString() : targetURL, e);
        
        response.setCharacterEncoding("UTF-8");
        ((HttpServletResponse) response).addHeader("Content-Type", "application/json");
        response.getWriter().write(JSON.toJSONString(ApiResponse.failed("9999", "网络繁忙哦~，请您稍后重试")));
    

3、接口抓取&归类

路由filter是根据接口路径将请求分发到各个新系统的，所以需要抓取一份接口和新系统的映射关系。
我们这边自定义了一个注解@TargetSystem，用注解标识接口应该路由到的目标系统域名，

@TargetSystem(value = "http://order.demo.com")
@GetMapping("/order/info")
public ApiResponse orderInfo(String orderId) 
    return ApiResponse.success();

然后遍历获取所有controller根据接口地址和注解生成路由映射关系map

/**
     * 生成路由映射关系MAP
     * key：接口地址 ，value：路由到目标新系统的域名
     */
    public Map<String, String> generateRouteMap() 
        Map<RequestMappingInfo, HandlerMethod> handlerMethods = requestMappingHandlerMapping.getHandlerMethods();
        Set<Map.Entry<RequestMappingInfo, HandlerMethod>> entries = handlerMethods.entrySet();
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        for (Map.Entry<RequestMappingInfo, HandlerMethod> entry : entries) 
            RequestMappingInfo key = entry.getKey();
            HandlerMethod value = entry.getValue();
            Class declaringClass = value.getMethod().getDeclaringClass();
            TargetSystem targetSystem = (TargetSystem) declaringClass.getAnnotation(TargetSystem.class);
            String targetUrl = targetSystem.value();
            String s1 = key.getPatternsCondition().toString();
            String url = s1.substring(1, s1.length() - 1);
            map.put(url, targetUrl);
        
        return map;
    

4、测试流量识别

测试可以用利用抓包工具charles，为每个请求都添加固定的请求头，也就是测试流量标识，路由器拦截请求后判断请求头内是否包含测试流量标，包含就路由到新系统，不包含就是线上流量留在老系统执行。

5、需求代码合并

执行系统拆分的过程中，还是有需求正在并行开发，并且需求代码是写在老系统的，系统拆分完成上线后，需要将这部分需求的代码合并到新系统，同时要保证git版本记录不能丢失，那应该怎么做呢？

我们利用了git可以添加多个多个远程仓库来解决需求合并的痛点，命令：git remote add origin 仓库地址，把新系统的git仓库地址添加为老系统git的远程仓库，老系统的git变动就可以同时push到所有新系统的仓库内，新系统pull下代码后进行合并。

6、上线风险

风险一：JOB在新老系统并行执行。新系统是复制的老系统，JOB也会复制过来，导致新老系统有相同的JOB，如果这时候上线新系统，新系统的JOB就会执行，老系统的JOB也一直在run，这样一个JOB就会执行2次。新系统刚上线还没经过测试验证，这时候执行JOB是有可能失败的。以上2种情况都会引起线上Bug，影响系统稳定性。

风险二：新系统提前消费MQ。和风险一一样，新系统监听和老系统一样的topic，如果新系统直接上线，消息是有可能被新系统消费的，新系统刚上线还没经过测试验证，消费消息有可能会出异常，造成消息丢失或其他问题，影响系统稳定性。

如何解决以上2个上线风险呢？

我们用“动态开关”解决了上述风险，为新老系统的JOB和MQ都加了开关，用开关控制JOB和MQ在新/老系统执行。上线后新系统的JOB和MQ都是关掉的，待QA测试通过后，把老系统的JOB和MQ关掉，把新系统的JOB和MQ打开就可以了。

系统瘦身

拆分的时候已经梳理出了一份“入口映射关系map”，每个新系统只需要保留自己系统负责的接口、JOB、MQ代码就可以了，除此之外都可以进行删除。

拆分带来的好处

1. 系统架构更合理，可用性更高：即使某个服务挂了也不会导致整个系统崩溃
2. 复杂性可控：每个系统都是单一职责，系统逻辑清晰
3. 系统性能提升上限大：可以针对每个系统做优化，如加缓存
4. 测试环境冲突的问题解决，不会因为多个系统需求并行而抢占环境

数据访问权限收口

问题介绍

数据访问权限未收口：一个业务的数据库被其余业务应用直接访问，未通过rpc接口将数据访问权限收口到数据拥有方自己的应用。数据访问逻辑分散，存在业务耦合，阻碍后续迭代和优化。

问题产生的背景：之前是单体应用和单体数据库，未进行业务隔离。在进行数据库拆分和系统拆分时，为解决系统稳定性的问题需快速上线，所以未优化拆分后跨业务访问数据库的情况。本阶段是对数据库拆分和应用拆分的延伸和补充。

改造过程

1. RPC接口统计（如图一）

进行比对，如程序入口归类和调用的业务DB归类不一致，则认为Dao方法需提供RPC接口

经统计，应用访问非本业务数据库的位置有260+。由于涉及位置多，人工改造成本高、效率较低，且有错改和漏掉的风险，我们采用了开发工具，用工具进行代码生成和批量修改的方式进行改造。

1. RPC接口生成（如图二）

• 读取需要生成RPC接口的Dao文件，进行解析
• 获取文件名称，Dao方法列表，import导包列表等，放入ClassContext上下文
• 匹配api、rpc文件模板，从classContext内取值替换模板变量，通过package路径生成java文件到指定服务内
• 批量将服务内Dao名称后缀替换为Rpc服务名，减少人工改动风险，例：SettleRuleDao -> SettleRuleRpc

名词解释：

• ftl：Freemarker模板的文件后缀名，FreeMarker是一个模版引擎，一个基于文本的模板输出工具。
• interfaceName：用存放api文件名称
• className：用于存放serviceImpl文件名称
• methodList：用于存放方法列表，包含入参、出参、返回值等信息
• importList：用于存放api和impl文件内其他引用实体的导包路径
• apiPackage：用于存放生成的Api接口类包名
• implPackage：用于存放生成的Api实现类包名
• rpcPackage：用于存放生成的rpc调用类包名

1. 灰度方案（如图三）

• 数据操作统一走RPC层处理，初期阶段RPC层兼顾RPC调用，也有之前的DAO调用，使用开关切换。
• RPC层进行双读，进行Api层和Dao层返回结果的比对，前期优先返回Dao层结果，验证无问题后，在全量返回RPC的结果，清除其他业务数据库连接。
• 支持开关一键切换，按流量进行灰度，降低数据收口风险

收益

1. 业务数据解耦，数据操作统一由各自垂直系统进行，入口统一
2. 方便后续在接口粒度上增加缓存和降级处理

总结

以上，是我们对单体系统的改造过程，经过了三步优化、上线，将单体系统平滑过渡到了微服务结构。解决了数据库的单点问题、性能问题，应用业务得到了简化，更利于分工，迭代。并且可以针对各业务单独进行优化升级，扩容、缩容，提升了资源的利用率。