瓜瓜头条

ShardingSphere如何完成与Spring家族无缝整合的？

2024-05-21 22:46 由 公众号-JavaEdge 发表于 #后端开发

系统集成即ShardingSphere 和 Spring 框架的集成。

ShardingSphere 实现两种系统集成机制：

  • 命名空间（namespace）机制，通过扩展 Spring Schema 来实现与 Spring 框架的集成
  • 编写自定义 starter 组件完成与 Spring Boot 的集成

1 基于命名空间集成 Spring

扩展性角度，基于 XML Schema 的扩展机制常见而实用。Spring允许我们自定义 XML 结构，并且用自己的 Bean 解析器解析。通过对 Spring Schema 的扩展，ShardingSphere 可以完成与 Spring 框架的有效集成。

1.1 基于命名空间集成 Spring 的通用开发流程

基于命名空间机制实现与 Spring 的整合，开发通常采用固定流程：

  • 编写业务对象
  • 编写XSD文件
  • 编写BeanDefinitionParser实现类
  • 编写NamespaceHandler实现类
  • 编写 spring.handlers 和 spring.schemas 配置文件

2 ShardingSphere 集成 Spring

ShardingSphere存在两个“spring-namespace”结尾的代码工程：

  • sharding-jdbc-spring-namespace

  • sharding-jdbc-orchestration-spring-namespace

    关注编排治理相关功能的集成，相对简单。命名空间机制的实现过程也基本一致，因此，以 sharding-jdbc-spring-namespace 为例讨论。

sharding-jdbc-spring-namespace又包含:

  • 普通分片
  • 读写分离
  • 数据脱敏

三块核心功能的集成内容，实现也都是采用类似方式，因此也不重复说明，以普通分片为例介绍。

专门用于与 Spring 进行集成的

SpringShardingDataSource 类，即业务对象类：

public class SpringShardingDataSource extends ShardingDataSource {
    
    public SpringShardingDataSource(final Map<String, DataSource> dataSourceMap, final ShardingRuleConfiguration shardingRuleConfiguration, final Properties props) throws SQLException {
        super(dataSourceMap, new ShardingRule(shardingRuleConfiguration, dataSourceMap.keySet()), props);
    }
}

只是对 ShardingDataSource 的简单封装，无任何实际操作。

配置项标签的定义类

简单的工具类，定义标签的名称。ShardingSphere的这些类都以“BeanDefinitionParserTag”结尾，如ShardingDataSourceBeanDefinitionParserTag：

public final class ShardingDataSourceBeanDefinitionParserTag {
    public static final String ROOT_TAG = "data-source";
    public static final String SHARDING_RULE_CONFIG_TAG = sharding-rule";
    public static final String PROPS_TAG = "props";
	public static final String DATA_SOURCE_NAMES_TAG = "data-source-names";
	public static final String DEFAULT_DATA_SOURCE_NAME_TAG = "default-data-source-name";
    public static final String TABLE_RULES_TAG = "table-rules"; 
    …
}

定义一批 Tag、Attribute。可以对照如下所示的基于 XML 的配置示例来对这些定义的配置项进行理解：

<sharding:data-source id="shardingDataSource">
        <sharding:sharding-rule data-source-names="ds0,ds1">
            <sharding:table-rules>
                <sharding:table-rule …/>
	            <sharding:table-rule …/>
	            …
            </sharding:table-rules>
            …
        </sharding:sharding-rule>
</sharding:data-source>

在 sharding-jdbc-spring-namespace 代码工程的 META-INF/namespace 文件夹找到 sharding.xsd 文件，其基本结构：

<xsd:schema xmlns="http://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/sharding"
            xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema"
            xmlns:beans="http://www.springframework.org/schema/beans"
            xmlns:encrypt="http://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/encrypt"
            targetNamespace="http://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/sharding"
            elementFormDefault="qualified" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
            xsi:schemaLocation="http://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/encrypt http://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/encrypt/encrypt.xsd">
    <xsd:import namespace="http://www.springframework.org/schema/beans" schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd" />
    <xsd:import namespace="http://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/encrypt" schemaLocation="http://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/encrypt/encrypt.xsd"/>
    <xsd:element name="data-source">
        <xsd:complexType>
            <xsd:all>
                <xsd:element ref="sharding-rule" />
                <xsd:element ref="props" minOccurs="0" />
            </xsd:all>
            <xsd:attribute name="id" type="xsd:string" use="required" />
        </xsd:complexType>
	</xsd:element>
	…
</xsd:schema>

“data-source”这 element包含“sharding-rule”和“props”这两个子 element。

“data-source”还包含一个“id”属性。对“sharding-rule”，可有很多内嵌的属性，sharding.xsd 文件中对这些属性都做了定义。

sharding.xsd 中通过使用 xsd:import 标签还引入两个 namespace：

有了业务对象类、XSD 文件的定义，来看 NamespaceHandler 实现类 ShardingNamespaceHandler：

public final class ShardingNamespaceHandler extends NamespaceHandlerSupport {
  @Overridepublic void init() {        registerBeanDefinitionParser(ShardingDataSourceBeanDefinitionParserTag.ROOT_TAG, new ShardingDataSourceBeanDefinitionParser());  registerBeanDefinitionParser(ShardingStrategyBeanDefinitionParserTag.STANDARD_STRATEGY_ROOT_TAG, new ShardingStrategyBeanDefinitionParser());  …   } }

直接使用 registerBeanDefinitionParser 方法来完成标签项与具体的 BeanDefinitionParser 类之间的对应关系。

看ShardingDataSourceBeanDefinitionParser#parseInternal：

@Override
protected AbstractBeanDefinition parseInternal(final Element element, final ParserContext parserContext) {
	    //构建针对 SpringShardingDataSource 的 BeanDefinitionBuilder
        BeanDefinitionBuilder factory = BeanDefinitionBuilder.rootBeanDefinition(SpringShardingDataSource.class);
       //解析构造函数中的 DataSource 参数
        factory.addConstructorArgValue(parseDataSources(element));
//解析构造函数中 ShardingRuleConfiguration 参数        factory.addConstructorArgValue(parseShardingRuleConfiguration(element));
       //解析构造函数中 Properties 参数
        factory.addConstructorArgValue(parseProperties(element, parserContext));
        factory.setDestroyMethodName("close");
        return factory.getBeanDefinition();
}

自定义一个 BeanDefinitionBuilder 并将其绑定到前面定义的业务对象类 SpringShardingDataSource。然后，通过三个 addConstructorArgValue 方法的调用，分别为 SpringShardingDataSource 构造函数中所需的 dataSourceMap、shardingRuleConfiguration 以及 props 参数进行赋值。

parseDataSources方法

private Map<String, RuntimeBeanReference> parseDataSources(final Element element) {
        Element shardingRuleElement = DomUtils.getChildElementByTagName(element, ShardingDataSourceBeanDefinitionParserTag.SHARDING_RULE_CONFIG_TAG);
        List<String> dataSources = Splitter.on(",").trimResults().splitToList(shardingRuleElement.getAttribute(ShardingDataSourceBeanDefinitionParserTag.DATA_SOURCE_NAMES_TAG));
        Map<String, RuntimeBeanReference> result = new ManagedMap<>(dataSources.size());
        for (String each : dataSources) {
            result.put(each, new RuntimeBeanReference(each));
        }
        return result;
}

获取配置的“ds0,ds1”字符串并拆分，然后基于每个代表具体 DataSource 的名称构建 RuntimeBeanReference 对象并进行返回，这样就可以把在 Spring 容器中定义的其他 Bean 加载到 BeanDefinitionBuilder。

最后，在 META-INF 目录提供spring.schemas 文件：

http\://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/sharding/sharding.xsd=META-INF/namespace/sharding.xsd
http\://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/masterslave/master-slave.xsd=META-INF/namespace/master-slave.xsd
http\://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/encrypt/encrypt.xsd=META-INF/namespace/encrypt.xsd

spring.handlers 内容：

http\://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/sharding=org.apache.shardingsphere.shardingjdbc.spring.namespace.handler.ShardingNamespaceHandler
http\://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/masterslave=org.apache.shardingsphere.shardingjdbc.spring.namespace.handler.MasterSlaveNamespaceHandler
http\://shardingsphere.apache.org/schema/shardingsphere/encrypt=org.apache.shardingsphere.shardingjdbc.spring.namespace.handler.EncryptNamespaceHandler

ShardingSphere 中基于命名空间机制与 Spring 进行系统集成的实现过程介绍完。

3 自定义 starter 集成 Spring Boot

与基于命名空间实现方式一样，ShardingSphere 提供：

  • sharding-jdbc-spring-boot-starter
  • sharding-jdbc-orchestration-spring-boot-starter

Spring Boot 工程先关注 META-INF 文件夹下的 spring.factories 文件。Spring Boot 提供

3.1 SpringFactoriesLoader 类

运行机制类似SPI 机制，只不过以服务接口命名的文件放在 META-INF/spring.factories，对应 Key 为 EnableAutoConfiguration。

SpringFactoriesLoader 查找所有 META-INF/spring.factories 下的配置文件，把 Key=EnableAutoConfiguration 对应配置项通过反射，实例化为配置类并加载到容器。如sharding-jdbc-spring-boot-starter 中的文件内容：

org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
org.apache.shardingsphere.shardingjdbc.spring.boot.SpringBootConfiguration

SpringBootConfiguration类就会在 Spring Boot 启动过程中都能够通过 SpringFactoriesLoader 被加载到运行时环境。

① SpringBootConfiguration 中的注解

@Configuration
@ComponentScan("org.apache.shardingsphere.spring.boot.converter")
@EnableConfigurationProperties({
        SpringBootShardingRuleConfigurationProperties.class, 
        SpringBootMasterSlaveRuleConfigurationProperties.class, SpringBootEncryptRuleConfigurationProperties.class, SpringBootPropertiesConfigurationProperties.class})
@ConditionalOnProperty(prefix = "spring.shardingsphere", name = "enabled", havingValue = "true", matchIfMissing = true)
@AutoConfigureBefore(DataSourceAutoConfiguration.class)
@RequiredArgsConstructor
public class SpringBootConfiguration implements EnvironmentAware

@Configuration 注解属于 Spring 容器管理的内容，表明该类是一个配置类，可启动组件扫描，将带 @Bean 注解的实体实例化为 bean。

Spring 容器管理的@ComponentScan 注解：扫描基于 @Component 等注解所标注的类所在包下的所有需要注入的类，并把相关 Bean 定义批量加载到IoC容器。

Spring Boot 应用程序中同样需要这个功能。这里需要进行扫描的包路径位于另一代码工程 sharding-spring-boot-util 的 org.apache.shardingsphere.spring.boot.converter 包。

然后，看到 @EnableConfigurationProperties 注解：使添加 @ConfigurationProperties 注解的类生效。Spring Boot 中，若一个类只用 @ConfigurationProperties 注解，然后该类没有在扫描路径下或没使用 @Component 等注解，就会导致无法被扫描为 bean，就须在配置类使用 @EnableConfigurationProperties 注解去指定这个类，才能使 @ConfigurationProperties 生效，并作为一个 bean 添加进 spring 容器中。

这里的 @EnableConfigurationProperties 注解包含四个具体的 ConfigurationProperties。

如SpringBootShardingRuleConfigurationProperties定义，直接继承 sharding-core-common 的 YamlShardingRuleConfiguration：

@ConfigurationProperties(prefix = "spring.shardingsphere.sharding")
public class SpringBootShardingRuleConfigurationProperties extends YamlShardingRuleConfiguration {
}

SpringBootConfiguration 上的下一注解是 @ConditionalOnProperty，只有当所提供的属性属于 true 时才实例化 Bean。

@AutoConfigureBefore用在类名上，标识在加载当前类之前需要加载注解中所设置的配置类。明确在加载 SpringBootConfiguration 类之前，Spring Boot 会先加载 DataSourceAutoConfiguration。这作用与创建各种 DataSource 相关。

② SpringBootConfiguration 中的功能

ShardingSphere对外入口就是各种 DataSource，因此SpringBootConfiguration中提供一批创建不同 DataSource 的入口方法，如shardingDataSource：

@Bean
@Conditional(ShardingRuleCondition.class)
public DataSource shardingDataSource() throws SQLException {
        return ShardingDataSourceFactory.createDataSource(dataSourceMap, new ShardingRuleConfigurationYamlSwapper().swap(shardingRule), props.getProps());
}

该方法上添加两个注解：

  • @Bean
  • @Conditional 注解，只有满足指定条件的情况下才加载这 Bean。@Conditional 注解设置了一个 ShardingRuleCondition：
public final class ShardingRuleCondition extends SpringBootCondition {
    
    @Override
    public ConditionOutcome getMatchOutcome(final ConditionContext conditionContext, final AnnotatedTypeMetadata annotatedTypeMetadata) {
        boolean isMasterSlaveRule = new MasterSlaveRuleCondition().getMatchOutcome(conditionContext, annotatedTypeMetadata).isMatch();
        boolean isEncryptRule = new EncryptRuleCondition().getMatchOutcome(conditionContext, annotatedTypeMetadata).isMatch();
        return isMasterSlaveRule || isEncryptRule ? ConditionOutcome.noMatch("Have found master-slave or encrypt rule in environment") : ConditionOutcome.match();
    }
}

ShardingRuleCondition 是一个标准的 SpringBootCondition，实现 getMatchOutcome 抽象方法。SpringBootCondition 的作用就是代表一种用于注册类或加载 Bean 的条件。ShardingRuleCondition 类的实现上分别调用了 MasterSlaveRuleCondition 和 EncryptRuleCondition 来判断是否满足这两个 SpringBootCondition。对ShardingRuleCondition，只有在两个条件都不满足的情况下才被加载。

SpringBootConfiguration 实现 Spring 的 EnvironmentAware 接口。在 Spring Boot 中，当一个类实现了 EnvironmentAware 接口并重写setEnvironment，在代码工程启动时就可获得 application.properties 配置文件中各个配置项的属性值。SpringBootConfiguration#setEnvironment ：

@Override
public final void setEnvironment(final Environment environment) {
        String prefix = "spring.shardingsphere.datasource.";
        for (String each : getDataSourceNames(environment, prefix)) {
            try {
                dataSourceMap.put(each, getDataSource(environment, prefix, each));
            } catch (final ReflectiveOperationException ex) {
                throw new ShardingException("Can't find datasource type!", ex);
            } catch (final NamingException namingEx) {
                throw new ShardingException("Can't find JNDI datasource!", namingEx);
            }
        }
}

获取“spring.shardingsphere.datasource.name”或“spring.shardingsphere.datasource.names”配置项，然后根据该配置项中所指定的 DataSource 信息构建新的 DataSource 并加载到 dataSourceMap 这个 LinkedHashMap。

spring.shardingsphere.datasource.names=ds0,ds1
 
spring.shardingsphere.datasource.ds0.type=com.alibaba.druid.pool.DruidDataSource
spring.shardingsphere.datasource.ds0.driver-class-name=com.mysql.jdbc.Driver
spring.shardingsphere.datasource.ds0.url=jdbc:mysql://localhost/ds0
spring.shardingsphere.datasource.ds0.username=root
spring.shardingsphere.datasource.ds0.password=root
 
spring.shardingsphere.datasource.ds1.type=com.alibaba.druid.pool.DruidDataSource
spring.shardingsphere.datasource.ds1.driver-class-name=com.mysql.jdbc.Driver
spring.shardingsphere.datasource.ds1.url=jdbc:mysql://localhost/ds1
spring.shardingsphere.datasource.ds1.username=root
spring.shardingsphere.datasource.ds1.password=root

至此，整个 SpringBootConfiguration 的实现过程介绍完毕。

3.2 源码解析到开发

如需要实现一个自定义的框架或工具类，从面向开发人员的角度讲，最好能与 Spring 等主流的开发框架进行集成，以便提供最低的学习和维护成本。与 Spring 框架的集成过程都有固定的开发步骤，就可模仿 ShardingSphere 中的做法自己实现这些步骤。

FAQ

Q：ShardingSphere 集成 Spring Boot 时，SpringBootConfiguration 类上的注解有哪些，分别起啥作用？

在集成 ShardingSphere 和 Spring Boot 时，通常在 SpringBootConfiguration 类上使用以下几个注解：

  1. @SpringBootApplication

    • 作用：这是一个组合注解，包含了 @Configuration, @EnableAutoConfiguration, 和 @ComponentScan 三个注解的功能。
    • 详细解释：
      • @Configuration：表明这个类是一个 Spring 配置类，可以定义 Spring beans。
      • @EnableAutoConfiguration：启用 Spring Boot 的自动配置机制，尝试根据类路径下的 jar 包和已定义的 beans 自动配置 Spring 应用程序。
      • @ComponentScan：告诉 Spring 扫描 @Component (包括 @Service, @Repository, @Controller 等) 注解所在的包，以便发现和注册这些 beans。

  2. @EnableTransactionManagement

    • 作用：启用 Spring 的注解驱动的事务管理功能，允许在方法上使用 @Transactional 注解进行事务管理。

  3. @ShardingSphereDataSource

    • 作用：这是一个 ShardingSphere 提供的注解，用于创建和配置 ShardingSphere 的数据源，支持分库分表和读写分离等功能。
    • 详细解释：该注解的具体作用包括配置 ShardingSphere 的数据源策略、分片策略、读写分离策略等。

一个典型的 SpringBootConfiguration 类可能会如下所示：

import org.apache.shardingsphere.driver.api.yaml.YamlShardingSphereDataSourceFactory;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.transaction.annotation.EnableTransactionManagement;

import javax.sql.DataSource;
import java.io.File;

@SpringBootApplication
@EnableTransactionManagement
public class SpringBootConfiguration {

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

    @Bean
    public DataSource dataSource() throws Exception {
        // 假设有一个 sharding 配置文件 sharding-databases-tables.yaml
        return YamlShardingSphereDataSourceFactory.createDataSource(new File("path/to/sharding-databases-tables.yaml"));
    }
}

详解各个注解的作用

  1. @SpringBootApplication

    • @Configuration：将类标识为配置类，可以用来定义 Spring beans。
    • @EnableAutoConfiguration：启用 Spring Boot 自动配置，这样 Spring Boot 会根据类路径下的 jar 包和已定义的 beans 自动配置 Spring 应用。
    • @ComponentScan：告诉 Spring 在指定包下扫描 @Component 注解的类并注册这些类为 Spring beans。

  2. @EnableTransactionManagement

    • 允许使用 @Transactional 注解来管理事务，使得可以通过注解的方式声明事务的范围。

  3. @ShardingSphereDataSource

    • 配置 ShardingSphere 数据源，使得可以使用 ShardingSphere 提供的分库分表和读写分离功能。这个注解需要结合具体的 ShardingSphere 配置来使用，如上面的 YamlShardingSphereDataSourceFactory.createDataSource 方法。

通过这些注解，可以快速且简洁地配置和使用 ShardingSphere 与 Spring Boot 集成，利用 Spring Boot 的自动配置和管理功能，加上 ShardingSphere 的分库分表和读写分离功能，构建一个高效且可扩展的分布式数据库系统。

关注我，紧跟本系列专栏文章，咱们下篇再续！

作者简介：魔都技术专家，多家大厂后端一线研发经验，在分布式系统、和大数据系统等方面有多年的研究和实践经验，拥有从零到一的大数据平台和基础架构研发经验，对分布式存储、数据平台架构、数据仓库等领域都有丰富实践经验。

各大技术社区头部专家博主。具有丰富的引领团队经验，深厚业务架构和解决方案的积累。

负责：

  • 中央/分销预订系统性能优化
  • 活动&优惠券等营销中台建设
  • 交易平台及数据中台等架构和开发设计
  • 车联网核心平台-物联网连接平台、大数据平台架构设计及优化

目前主攻降低软件复杂性设计、构建高可用系统方向。

参考：

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