深入剖析 Spring WebFlux

一、WebFlux 简介

WebFlux 是 Spring Framework5.0 中引入的一种新的反应式Web框架。通过Reactor项目实现Reactive Streams规范，完全异步和非阻塞框架。本身不会加快程序执行速度，但在高并发情况下借助异步IO能够以少量而稳定的线程处理更高的吞吐，规避文件IO/网络IO阻塞带来的线程堆积。

1.1 WebFlux 的特性

WebFlux 具有以下特性：

  • 异步非阻塞 – 可以举一个上传例子。相对于 Spring MVC 是同步阻塞IO模型，Spring WebFlux这样处理：线程发现文件数据没传输好，就先做其他事情，当文件准备好时通知线程来处理（这里就是输入非阻塞方式），当接收完并写入磁盘（该步骤也可以采用异步非阻塞方式）完毕后再通知线程来处理响应（这里就是输出非阻塞方式）。

  • 响应式函数编程 – 相对于Java8 Stream 同步、阻塞的Pull模式，Spring Flux 采用Reactor Stream 异步、非阻塞Push模式。书写采用 Java lambda 方式,接近自然语言形式且容易理解。

  • 不拘束于Servlet – 可以运行在传统的Servlet 容器（3.1+版本），还能运行在Netty、Undertow等NIO容器中。

1.2 WebFlux 的设计目标

  • 适用高并发

  • 高吞吐量

  • 可伸缩性

二、Spring WebFlux 组件介绍

2.1 HTTPHandler

一个简单的处理请求和响应的抽象，用来适配不同HTTP服务容器的API。

2.2 WebHandler

一个用于处理业务请求抽象接口，定义了一系列处理行为。相关核心实现类如下；

2.3 DispatcherHandler

请求处理的总控制器，实际工作是由多个可配置的组件来处理。

WebFlux是兼容Spring MVC 基于@Controller，@RequestMapping等注解的编程开发方式的，可以做到平滑切换。

2.4 Functional Endpoints

这是一个轻量级函数编程模型。是基于@Controller，@RequestMapping等注解的编程模型的替代方案，提供一套函数式API 用于创建Router,Handler和Filter。调用处理组件如下：

简单的RouterFuntion 路由注册和业务处理过程：

@Bean
public RouterFunction<ServerResponse> initRouterFunction() {
    return RouterFunctions.route()
        .GET("/hello/{name}", serverRequest -> {
            String name = serverRequest.pathVariable("name");
            return ServerResponse.ok().bodyValue(name);
        }).build();
}

请求转发处理过程：

2.5 Reactive Stream

这是一个重要的组件，WebFlux 就是利用Reactor 来重写了传统Spring MVC 逻辑。其中Flux和Mono 是Reactor中两个关键概念。掌握了这两个概念才能理解WebFlux工作方式。

Flux和Mono 都实现了Reactor的Publisher接口,属于时间发布者，对消费者提供订阅接口，当有事件发生的时候，Flux或者Mono会通过回调消费者的相应的方法来通知消费者相应的事件。这就是所谓的响应式编程模型。

Mono工作流程图

只会在发送出单个结果后完成。

Flux工作流程图

发送出零个或者多个，可能无限个结果后才完成。

对于流式媒体类型：application/stream+json 或者 text/event-stream ，可以让调用端获得服务器滚动结果。
对于非流类型：application/json  WebFlux 默认JSON编码器会将序列化的JSON 一次性刷新到网络，这并不意味着阻塞，因为结果Flux<?> 是以反应式方式写入网络的，没有任何障碍。

三、WebFlux 工作原理

3.1 组件装配过程

流程相关源码解析-WebFluxAutoConfiguration

@Configuration
//条件装配 只有启动的类型是REACTIVE时加载
@ConditionalOnWebApplication(type = ConditionalOnWebApplication.Type.REACTIVE)
//只有存在 WebFluxConfigurer实例  时加载
@ConditionalOnClass(WebFluxConfigurer.class)
//在不存在  WebFluxConfigurationSupport实例时 加载
@ConditionalOnMissingBean({ WebFluxConfigurationSupport.class })
//在之后装配
@AutoConfigureAfter({ ReactiveWebServerFactoryAutoConfiguration.class,
      CodecsAutoConfiguration.class, ValidationAutoConfiguration.class })
//自动装配顺序
@AutoConfigureOrder(Ordered.HIGHEST_PRECEDENCE + 10)
public class WebFluxAutoConfiguration {
   @Configuration
   @EnableConfigurationProperties({ ResourceProperties.class, WebFluxProperties.class })
   //接口编程 在装配WebFluxConfig 之前要先 装配EnableWebFluxConfiguration
   @Import({ EnableWebFluxConfiguration.class })
   public static class WebFluxConfig implements WebFluxConfigurer {
      //隐藏部分源码
     /**
     * Configuration equivalent to {@code @EnableWebFlux}.
     */
   } 
    @Configuration
    public static class EnableWebFluxConfiguration
            extends DelegatingWebFluxConfiguration {
        //隐藏部分代码
    }
    @Configuration
    @ConditionalOnEnabledResourceChain
    static class ResourceChainCustomizerConfiguration {
        //隐藏部分代码
    }
    private static class ResourceChainResourceHandlerRegistrationCustomizer
            implements ResourceHandlerRegistrationCustomizer {
        //隐藏部分代码
    }

WebFluxAutoConfiguration 自动装配时先自动装配EnableWebFluxConfiguration 而EnableWebFluxConfiguration->DelegatingWebFluxConfiguration ->WebFluxConfigurationSupport。

最终WebFluxConfigurationSupport 不仅配置DispatcherHandler 还同时配置了其他很多WebFlux核心组件包括 异常处理器WebExceptionHandler,映射处理器处理器HandlerMapping，请求适配器HandlerAdapter，响应处理器HandlerResultHandler 等。

DispatcherHandler 创建初始化过程如下；

public class WebFluxConfigurationSupport implements ApplicationContextAware {
   //隐藏部分代码
   @Nullable
   public final ApplicationContext getApplicationContext() {
      return this.applicationContext;
   }
	//隐藏部分代码
   @Bean
   public DispatcherHandler webHandler() {
      return new DispatcherHandler();
   }

public class DispatcherHandler implements WebHandler, ApplicationContextAware {
   @Nullable
   private List<HandlerMapping> handlerMappings;
   @Nullable
   private List<HandlerAdapter> handlerAdapters;
   @Nullable
   private List<HandlerResultHandler> resultHandlers;
   	@Override
   public void setApplicationContext(ApplicationContext applicationContext) {
		initStrategies(applicationContext);
   }
   protected void initStrategies(ApplicationContext context) {
   	  //注入handlerMappings
      Map<String, HandlerMapping> mappingBeans = BeanFactoryUtils.beansOfTypeIncludingAncestors(
            context, HandlerMapping.class, true, false);

      ArrayList<HandlerMapping> mappings = new ArrayList<>(mappingBeans.values());
      AnnotationAwareOrderComparator.sort(mappings);
      this.handlerMappings = Collections.unmodifiableList(mappings);
 	  //注入handlerAdapters
      Map<String, HandlerAdapter> adapterBeans = BeanFactoryUtils.beansOfTypeIncludingAncestors(
            context, HandlerAdapter.class, true, false);

      this.handlerAdapters = new ArrayList<>(adapterBeans.values());
      AnnotationAwareOrderComparator.sort(this.handlerAdapters);
      //注入resultHandlers
      Map<String, HandlerResultHandler> beans = BeanFactoryUtils.beansOfTypeIncludingAncestors(
            context, HandlerResultHandler.class, true, false);

      this.resultHandlers = new ArrayList<>(beans.values());
      AnnotationAwareOrderComparator.sort(this.resultHandlers);
   }

流程相关源码解析-HTTPHandlerAutoConfiguration

上面已讲解过WebFlux 核心组件装载过程，那么这些组件又是什么时候注入到对应的容器上下文中的呢？其实是在刷新容器上下文时注入进去的。

org.springframework.boot.web.reactive.context.ReactiveWebServerApplicationContext#onRefresh

public class ReactiveWebServerApplicationContext extends GenericReactiveWebApplicationContext
      implements ConfigurableWebServerApplicationContext {
   @Override
   protected void onRefresh() {
      super.onRefresh();
      try {
         createWebServer();
      }
      catch (Throwable ex) {
         throw new ApplicationContextException("Unable to start reactive web server", ex);
      }
   }
   private void createWebServer() {
      WebServerManager serverManager = this.serverManager;
      if (serverManager == null) {
         String webServerFactoryBeanName = getWebServerFactoryBeanName();
         ReactiveWebServerFactory webServerFactory = getWebServerFactory(webServerFactoryBeanName);
         boolean lazyInit = getBeanFactory().getBeanDefinition(webServerFactoryBeanName).isLazyInit();
         // 这里创建容器管理时注入httpHandler
         this.serverManager = new WebServerManager(this, webServerFactory, this::getHttpHandler, lazyInit);
         getBeanFactory().registerSingleton("webServerGracefulShutdown",
               new WebServerGracefulShutdownLifecycle(this.serverManager));
         // 注册一个 web容器启动服务类,该类继承了SmartLifecycle
         getBeanFactory().registerSingleton("webServerStartStop",
               new WebServerStartStopLifecycle(this.serverManager));
      }
      initPropertySources();
   }
   protected HttpHandler getHttpHandler() {
		String[] beanNames = getBeanFactory().getBeanNamesForType(HttpHandler.class);
		if (beanNames.length == 0) {
			throw new ApplicationContextException(
					"Unable to start ReactiveWebApplicationContext due to missing HttpHandler bean.");
		}
		if (beanNames.length > 1) {
			throw new ApplicationContextException(
					"Unable to start ReactiveWebApplicationContext due to multiple HttpHandler beans : "
							+ StringUtils.arrayToCommaDelimitedString(beanNames));
		}
        //容器上下文获取httpHandler
		return getBeanFactory().getBean(beanNames[0], HttpHandler.class);
	}

而这个HTTPHandler 是由HTTPHandlerAutoConfiguration装配进去的。

@Configuration
@ConditionalOnClass({ DispatcherHandler.class, HttpHandler.class })
@ConditionalOnWebApplication(type = ConditionalOnWebApplication.Type.REACTIVE)
@ConditionalOnMissingBean(HttpHandler.class)
@AutoConfigureAfter({ WebFluxAutoConfiguration.class })
@AutoConfigureOrder(Ordered.HIGHEST_PRECEDENCE + 10)
public class HttpHandlerAutoConfiguration {
   @Configuration
   public static class AnnotationConfig {
      private ApplicationContext applicationContext;
      public AnnotationConfig(ApplicationContext applicationContext) {
         this.applicationContext = applicationContext;
      }
      //构建WebHandler
      @Bean
      public HttpHandler httpHandler() {
         return WebHttpHandlerBuilder.applicationContext(this.applicationContext)
               .build();
      }
   }

流程相关源码解析-web容器

org.springframework.boot.web.reactive.context.ReactiveWebServerApplicationContext#createWebServer 。在创建WebServerManager 容器管理器时会获取对应web容器实例，并注入响应的HTTPHandler。

class WebServerManager {
   private final ReactiveWebServerApplicationContext applicationContext;
   private final DelayedInitializationHttpHandler handler;
   private final WebServer webServer;
   WebServerManager(ReactiveWebServerApplicationContext applicationContext, ReactiveWebServerFactory factory,
         Supplier<HttpHandler> handlerSupplier, boolean lazyInit) {
      this.applicationContext = applicationContext;
      Assert.notNull(factory, "Factory must not be null");
      this.handler = new DelayedInitializationHttpHandler(handlerSupplier, lazyInit);
      this.webServer = factory.getWebServer(this.handler);
   }
}

以Tomcat 容器为例展示创建过程，使用的是 TomcatHTTPHandlerAdapter 来连接Servlet 请求到HTTPHandler组件。

public class TomcatReactiveWebServerFactory extends AbstractReactiveWebServerFactory implements ConfigurableTomcatWebServerFactory {
    //隐藏部分代码   
    @Override
    public WebServer getWebServer(HttpHandler httpHandler) {
        if (this.disableMBeanRegistry) {
            Registry.disableRegistry();
        }
        Tomcat tomcat = new Tomcat();
        File baseDir = (this.baseDirectory != null) ? this.baseDirectory : createTempDir("tomcat");
        tomcat.setBaseDir(baseDir.getAbsolutePath());
        Connector connector = new Connector(this.protocol);
        connector.setThrowOnFailure(true);
        tomcat.getService().addConnector(connector);
        customizeConnector(connector);
        tomcat.setConnector(connector);
        tomcat.getHost().setAutoDeploy(false);
        configureEngine(tomcat.getEngine());
        for (Connector additionalConnector : this.additionalTomcatConnectors) {
            tomcat.getService().addConnector(additionalConnector);
        }
        TomcatHttpHandlerAdapter servlet = new TomcatHttpHandlerAdapter(httpHandler);
        prepareContext(tomcat.getHost(), servlet);
        return getTomcatWebServer(tomcat);
    }
}

最后Spring容器加载后通过SmartLifecycle实现类WebServerStartStopLifecycle 来启动Web容器。

WebServerStartStopLifecycle 注册过程详见：org.springframework.boot.web.reactive.context.ReactiveWebServerApplicationContext#createWebServer

3.2 完整请求处理流程

(引用自：//blog.csdn.net)

该图给出了一个HTTP请求处理的调用链路。是采用Reactor Stream 方式书写，只有最终调用 subscirbe 才真正执行业务逻辑。基于WebFlux 开发时要避免controller 中存在阻塞逻辑。列举下面例子可以看到Spring MVC 和Spring Webflux 之间的请求处理区别。

@RestControllerpublic
class TestController {
    private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(this.getClass());
    @GetMapping("sync")
    public String sync() {
        logger.info("sync method start");
        String result = this.execute();
        logger.info("sync method end");
        return result;
    }
    @GetMapping("async/mono")
    public Mono<String> asyncMono() {
        logger.info("async method start");
        Mono<String> result = Mono.fromSupplier(this::execute);
        logger.info("async method end");
        return result;
    }
    private String execute() {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "hello";
    }
}

日志输出

2021-05-31 20:14:52.384  INFO 3508 --- [nio-8080-exec-2] c.v.internet.webflux.web.TestController  : sync method start
2021-05-31 20:14:57.385  INFO 3508 --- [nio-8080-exec-2] c.v.internet.webflux.web.TestController  : sync method end
2021-05-31 20:15:09.659  INFO 3508 --- [nio-8080-exec-3] c.v.internet.webflux.web.TestController  : async method start
2021-05-31 20:15:09.660  INFO 3508 --- [nio-8080-exec-3] c.v.internet.webflux.web.TestController  : async method end

从上面例子可以看出sync() 方法阻塞了请求，而asyncMono() 没有阻塞请求并立刻返回的。asyncMono() 方法具体业务逻辑 被包裹在了Mono 中Supplier中的了。当execute 处理完业务逻辑后通过回调方式响应给浏览器。

四、存储支持

一旦控制层使用了 Spring Webflux 则安全认证层、数据访问层都必须使用 Reactive API 才真正实现异步非阻塞。

NOSQL Database

  • MongoDB (org.springframework.boot:spring-boot-starter-data-mongodb-reactive)。

  • Redis(org.springframework.boot:spring-boot-starter-data-redis-reactive)。

Relational Database

  • H2 (io.r2dbc:r2dbc-h2)

  • MariaDB (org.mariadb:r2dbc-mariadb)

  • Microsoft SQL Server (io.r2dbc:r2dbc-mssql)

  • MySQL (dev.miku:r2dbc-mysql)

  • jasync-sql MySQL (com.github.jasync-sql:jasync-r2dbc-mysql)

  • Postgres (io.r2dbc:r2dbc-postgresql)

  • Oracle (com.oracle.database.r2dbc:oracle-r2dbc)

五、总结

关于Spring MVC 和Spring WebFlux 测评很多，本文引用下做简单说明。参考：《Spring: Blocking vs non-blocking: R2DBC vs JDBC and WebFlux vs Web MVC》。

基本依赖

<dependency> 
    <groupId>org.springframework.boot</groupId> 
    <artifactId>spring-boot-starter-data-r2dbc</artifactId> 
</dependency> 
<!-- r2dbc 连接池 --> 
<dependency> 
    <groupId >io.r2dbc</groupId> 
    <artifactId>r2dbc-pool</artifactId> 
</dependency> 
<!--r2dbc mysql 库--> 
<dependency> 
    <groupId>dev.miku</groupId> 
    <artifactId>r2dbc- mysql</artifactId> 
</dependency> 
<!--自动配置需要引入一个嵌入式数据库类型对象--> 
<dependency> 
    <groupId>org.springframework.boot</groupId> 
    <artifactId>spring-boot-starter-data-jdbc</artifactId> 
</dependency>
<!-- 反应方程式 web 框架 webflux--> 
<dependency> 
    <groupId>org.springframework.boot</groupId> 
    <artifactId>spring-boot-starter-webflux</artifactId> 
</dependency>

相同数据下效果如下；

Spring MVC + JDBC 在低并发下表现最好，但 WebFlux + R2DBC 在高并发下每个处理请求使用的内存最少。

Spring WebFlux + R2DBC 在高并发下，吞吐量表现优异。

作者：vivo互联网服务器团队-Zhou Changqing

Tags:

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