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使用 Spring Batch 构建企业级批处理应用: 第 1 部分

 
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转自:http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-springbatch1/#resources

引言

总述

本 系列文章旨在通过示例搭建以及特性介绍,详细讲述如何利用 Spring Batch 开发企业批处理应用。本系列文章共分为三部分,第一部分初步介绍了批处理以及 Spring Batch 的相关概念,同时搭建了一个简单的基于 Spring Batch 的批处理应用。第二部分介绍了 Step Flow 以及并发支持。第三部分则主要介绍了 Spring Batch 对任务监控的支持。下面让我们进入第一部分内容。

什么是批处理

在现代企业应用当中,面对复杂的业务以及海量的数据,除了通过庞杂的人机交互界面进行各种处理外,还有一类工作,不需要人工干预,只需要定期读入大批量数据,然后完成相应业务处理并进行归档。这类工作即为“批处理”。

从上面的描述可以看出,批处理应用有如下几个特点:

  • 数据量大,少则百万,多则上亿的数量级。
  • 不需要人工干预,由系统根据配置自动完成。
  • 与时间相关,如每天执行一次或每月执行一次。

同时,批处理应用又明显分为三个环节:

  • 读数据,数据可能来自文件、数据库或消息队列等
  • 数据处理,如电信支撑系统的计费处理
  • 写数据,将输出结果写入文件、数据库或消息队列等

因此,从系统架构上,应重点考虑批处理应用的事务粒度、日志监控、执行、资源管理(尤其存在并发的情况下)。从系统设计上,应重点考虑数据读写与业务处理的解耦,提高复用性以及可测试性。

什么是 Spring Batch

Spring Batch 作为 Spring 的子项目,是一款基于 Spring 的企业批处理框架。通过它可以构建出健壮的企业批处理应用。Spring Batch 不仅提供了统一的读写接口、丰富的任务处理方式、灵活的事务管理及并发处理,同时还支持日志、监控、任务重启与跳过等特性,大大简化了批处理应用开发,将 开发人员从复杂的任务配置管理过程中解放出来,使他们可以更多地去关注核心的业务处理过程。

另外我们还需要知道,Spring Batch 是一款批处理应用框架,不是调度框架。它只关注批处理任务相关的问题,如事务、并发、监控、执行等,并不提供相应的调度功能。因此,如果我们希望批处理任务定期执行,可结合 Quartz 等成熟的调度框架实现。

下 面将通过一个示例详细介绍如何使用 Spring Batch 搭建批处理应用。这个示例比较简单,对系统中所有用户发送一封缴费提醒通知。此处,我们简单地将缴费提醒输出到控制台。当然,随着介绍的深入,我将逐渐丰 富该功能,使其最终完整展示 Spring Batch 的各种特性。

环境搭建

首先,从 Spring 官方网站下载 Spring Batch 发布包(见 参考资源)。 本文基于 Spring Batch 2.1.6(当前最新版本为 2.1.8)以及 Spring 2.5.6 版本构建。我们可以看到 Spring Batch 共包含 spring-batch-core 和 spring-batch-infrastructure 两个包。spring-batch-core 主要包含批处理领域相关类,而 spring-batch-infrastructure 提供了一个基础访问处理框架。

接下来,让我们新建一个 Eclipse 工程,并将 Spring Batch 以及 Spring 相关包添加到依赖环境,如 图 1 所示

图 1. 依赖环境

图 1. 依赖环境

环境搭建完成后,让我们看一下如何一步步构建一个批处理应用。

构建应用

如 “引言”中所述 Spring Batch 按照关注点的不同,将整个批处理过程分为三部分:读、处理、写,从而将批处理应用进行合理解耦。同时,Spring Batch 还针对读、写操作提供了多种实现,如消息、文件、数据库。对于数据库,还提供了 Hibernate、iBatis、JPA 等常见 ORM 框架的读、写接口支持。

对象定义

首先我们需要编写用户以及消息类,比较简单,如清单 1 和 清单 2 所示:

清单 1. User 类
package org.springframework.batch.sample;

public class User {
	private String name;
	private Integer age;
	public String getName() {return name;}
	public void setName(String name) {this.name = name;}
	public Integer getAge() {return age;}
	public void setAge(Integer age) {this.age = age;}
}
清单 2. Message 类
package org.springframework.batch.sample;

public class Message {
	private String content;
	public String getContent() {return content;}
	public void setContent(String content) {this.content = content;}
}

读写及处理接口

首先,所有 Spring Batch 的读操作均需要实现 ItemReader 接口,而且 Spring Batch 为我们提供了多种默认实现,尤其是基于 ORM 框架的读接口,同时支持基于游标和分页两类操作。因此,多数情况下我们并不需要手动编写 ItemReader 类,而是直接使用相应实现类即可。

在该示例中,我们使用 org.springframework.batch.item.file.FlatFileItemReader 类从文件中进行信息读入,用户信息格式定义如 清单 3 所示。

清单 3. 用户信息
 User1,20 
 User2,21 
 User3,22 
 User4,23 
 User5,24 
 User6,25 
 User7,26 
 User8,27 
 User9,28 
 User10,29

该类封装了文件读操作,仅仅需要我们手动设置 LineMapper 与访问文件路径即可。Spring Batch 通过 LineMapper 可以将文件中的一行映射为一个对象。我们不难发现,Spring Batch 将文件操作封装为类似 Spring JDBC 风格的接口,这也与 Spring 一贯倡导的接口统一是一致的。此处我们使用 org.springframework.batch.item.file.mapping.DefaultLineMapper 进行行映射。读操作的配置信息如 清单 4 所示:

清单 4. message_job.xml
<beans:bean id="messageReader" 
      class="org.springframework.batch.item.file.FlatFileItemReader">
	<beans:property name="lineMapper" ref="lineMapper">
	</beans:property>
	<beans:property name="resource" 
	value="classpath:/users.txt"></beans:property>
</beans:bean>
<beans:bean id="lineMapper"
	class="org.springframework.batch.item.file.mapping.DefaultLineMapper">
	<beans:property name="lineTokenizer">
		<beans:bean 
class="org.springframework.batch.item.file.transform.DelimitedLineTokenizer">
        </beans:bean>
	</beans:property>
	<beans:property name="fieldSetMapper">
		<beans:bean class="org.springframework.batch.sample.UserMapper">
        </beans:bean>
	</beans:property>
</beans:bean>

从清单我们可以知道,DefaultLineMapper 需要设置 lineTokenizer 和 fieldSetMapper 两个属性,首先通过 lineTokenizer 完成文件行拆分,并封装为一个属性结果集,因为我们使用“,”分隔用户属性,所以需要将 lineTokenizer 设置为 DelimitedLineTokenizer。最后通过 fieldSetMapper 完成将结果集封装为一个 POJO 对象。具体实现如 清单 5 所示:

清单 5. UserMapper 类
 package org.springframework.batch.sample;

import org.springframework.batch.item.file.mapping.FieldSetMapper;
import org.springframework.batch.item.file.transform.FieldSet;
import org.springframework.validation.BindException;

public class UserMapper implements FieldSetMapper<User> {
	public User mapFieldSet(FieldSet fs) throws BindException {
		User u = new User();
		u.setName(fs.readString(0));
		u.setAge(fs.readInt(1));
		return u;
	}
}

该接口的实现方式与 Spring JDBC 的 RowMapper 极其相似。

接下来,再让我们看一 下如何实现写操作。Spring Batch 所有写操作均需要实现 ItemWriter 接口。该接口只有一个方法 void write(List<? extends T> items),参数是输出结果的列表。之所以如此定义,是为了便于我们进行批量操作,以提高性能。每次传入的列表由事务提交粒度确定,也就是说 Spring Batch 每次将提交的结果集传入写操作接口。因为我们要做的仅仅是将缴费通知输出到控制台,所以,写操作实现如 清单 6 所示:

清单 6. MessagesItemWriter 类
package org.springframework.batch.sample;

import java.util.List;
import org.springframework.batch.item.ItemWriter;

public class MessagesItemWriter implements ItemWriter<Message>{
	public void write(List<? extends Message> messages) throws Exception {
		System.out.println("write results");
		for (Message m : messages) {
			System.out.println(m.getContent());
		}
	}
}

同 ItemReader 一样,Spring Batch 也为我们提供了多样的写操作支持,具体可阅读 Spring Batch 参考手册,此处不再赘述。

最后,再看一下如何实现业务处理。Spring Batch 提供了 ItemProcessor 接口用于完成相应业务处理。在本示例中,即为根据用户信息生成一条缴费通知信息,如 清单 7 所示:

清单 7. MessagesItemProcessor 类
package org.springframework.batch.sample;

import org.springframework.batch.item.ItemProcessor;

public class MessagesItemProcessor implements ItemProcessor<User, Message> {

	public Message process(User user) throws Exception {
		Message m = new Message();
		m.setContent("Hello " + user.getName()
				+ ",please pay promptly at the end of this month.");
		return m;
	}

}

任务定义

通过上面一节,我们已经完成了批处理任务的读数据、处理过程、写数据三个过程。那么,我们如何将这三部分结合在一起完成批处理任务呢?

Spring Batch 将批处理任务称为一个 Job,同时,Job 下分为多个 Step。Step 是一个独立的、顺序的处理步骤,包含该步骤批处理中需要的所有信息。多个批处理 Step 按照一定的流程组成一个 Job。通过这样的设计方式,我们可以灵活配置 Job 的处理过程。

接下来,让我们看一下如何配置缴费通知的 Job,如 清单 8 所示:

清单 8. message_job.xml
<job id="messageJob">
  <step id="messageStep">
	<tasklet>
	   <chunk reader="messageReader" processor="messageProcessor" 
	       writer="messageWriter" commit-interval="5" 
	       chunk-completion-policy="">
		</chunk>
	</tasklet>
   </step>
</job>

如上,我们定义了一个名为“messageJob”的 Job,该 Job 仅包含一个 Step。在配置 Step 的过程中,我们不仅要指定读数据、处理、写数据相关的 bean,还要指定 commit-interval 和 chunk-completion-policy 属性。前者指定了该 Step 中事务提交的粒度,取值为 5 即表明每当处理完毕读入的 5 条数据时,提交一次事务。后者指定了 Step 的完成策略,即当什么情况发生时表明该 Step 已经完成,可以转入后续处理。由于没有明确指定相应的类,Spring Batch 使用默认策略,即当读入数据为空时认为 Step 结束。

最后,我们还需要配置一个 JobRepository 并为其指定一个事务管理器,该类用于对 Job 进行管理,如 清单 9 所示:

清单 9. message_job.xml
<beans:bean id="jobRepository"
class="org.springframework.batch.core.repository.support.MapJobRepositoryFactoryBean">
		<beans:property name="transactionManager" ref="transactionManager" />
</beans:bean>

<beans:bean id="transactionManager"
class="org.springframework.batch.support.transaction.ResourcelessTransactionManager"/>

因为我们整个示例不需要数据库操作,所以选择了使用 MapJobRepositoryFactoryBean 和 ResourcelessTransactionManager。

所有配置完成以后,进入最后一步——任务执行。

任务执行

那么如何运行一个 Job 呢? Spring Batch 提供了 JobLauncher 接口用于运行 Job,并提供了一个默认实现 SimpleJobLauncher。先让我们看一下具体执行代码,如 清单 10 所示:

清单 10. Main 类
 public class Main {
	public static void main(String[] args) {
        ClassPathXmlApplicationContext c = 
                 new ClassPathXmlApplicationContext("message_job.xml");
        SimpleJobLauncher launcher = new SimpleJobLauncher();
        launcher.setJobRepository((JobRepository) c.getBean("jobRepository"));
        launcher.setTaskExecutor(new SimpleAsyncTaskExecutor());
        try {
             launcher.run((Job) c.getBean("messageJob"), new JobParameters());
        } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
        }
	}
}

首先,我们需要为 JobLauncher 指定一个 JobRepository,该类负责创建一个 JobExecution 对象来执行 Job,此处直接从上下文获取即可。其次,需要指定一个任务执行器,我们使用 Spring Batch 提供的 SimpleAsyncTaskExecutor。最后,通过 run 方法来执行指定的 Job,该方法包含两个参数,需要执行的 Job 以及执行参数。您可以通过运行示例工程查看运行结果。由于 MessageItemWriter 在每次输出结果前,先打印了一行提示,因此您可以明显看出输出分 2 组进行打印,即事务被提交了 2 次(因为我们设置的事务粒度为 5。)。

从 业务功能上考虑,同一任务应该尽量避免重复执行(即相同条件下的任务只能成功运行一次),试想如果本示例中发送缴费通知过多只能导致用户不满,那么电信计 费批处理任务重复执行则将导致重复计费,从而使用户遭受损失。幸运的是,Spring Batch 已经为我们考虑好了这些。

对于 Spring Batch 来说,JobParameters 相同的任务只能成功运行一次。您如果在示例 Main 类中连续运行同一 Job,将会得到如下异常(见 清单 11 ):

清单 11. 异常信息
org.springframework.batch.core.repository.JobInstanceAlreadyCompleteException: 
A job instance already exists and is complete for parameters={}.  
If you want to run this job again, change the parameters.

因此,如果我们希望该任务是周期执行的(如每月执行一次),那么必须保证周期内参数是唯一。假如该客户要求我们每月为用户发送一次缴费通知。我们的任务执行可以如 清单 12 所示:

清单 12. Main 类
Map<String,JobParameter> parameters = new HashMap<String,JobParameter>();
parameters.put(RUN_MONTH_KEY,new JobParameter("2011-10"));
launcher.run((Job) c.getBean("messageJob"),new JobParameters(parameters));
parameters.put(RUN_MONTH_KEY,new JobParameter("2011-11"));
launcher.run((Job) c.getBean("messageJob"),new JobParameters(parameters));

在示例中,我将执行月份作为 Job 的参数传入,分别执行了 10、11 月两个月的任务。

任务重试

既然相同参数的任务只能成功执行一次,那么,如果任务失败该如何处理?此时,需要考虑的是,既然任务步骤有事务提交粒度,那么可能任务已经提交了部分处理结果,这部分不应该被重复处理。也就是说,此时应该有重试操作。

在 Spring Batch 中,通过配置可以实现步骤 Step 的重试,如 清单 13 所示:

清单 13. message_job.xml
 <job id="messageJob" restartable="true">
	<step id="messageStep">
		<tasklet>
			<chunk reader="messageReader" processor="messageProcessor" 
			                                       writer="messageWriter"
                commit-interval="5" chunk-completion-policy="" retry-limit="2">
				<retryable-exception-classes>
					<include class="java.lang.RuntimeException" />
				</retryable-exception-classes>
			</chunk>
		</tasklet>
	</step>
</job>

我们可以看到,主要分两部分:首先,需要设置重试次数,其次是当执行过程中捕获到哪些异常时需要 重试。如果在执行过程中捕获到重试异常列表中的异常信息,则进行重试操作。如果重试操作达到最大次数仍提示异常,则认为任务执行失败。对于异常信息的配 置,除了通过 include 配置包含列表外,也可以通过 exclude 配置排除列表。

由于通过配置进行的 Step 重试是自动的,因此较难控制(多用于网络访问异常等不需要人工干预的情况)。可以考虑一下本示例,如果有一个用户的信息有问题,名字为空,不能发送缴费通知,步骤重试便不合适了,此时我们可以对 Job 进行重试操作。

Spring Batch 允许重复执行未成功的 Job,而每次执行即为一次重试操作。示例代码如 清单 14 所示:

清单 14. Main 类
 Map<String,JobParameter> parameters = new HashMap<String,JobParameter>(); 
 parameters.put(RUN_MONTH_KEY,new JobParameter("2011-10")); 
 launcher.run((Job) c.getBean("messageJob"),new JobParameters(parameters)); 
 Thread.sleep(10000); 
 launcher.run((Job) c.getBean("messageJob"),new JobParameters(parameters));

您 可以通过如下步骤查看运行结果:首先,将 users.txt 文件中的第 7 行(之所以指定该行,便于验证事务提交以及重复执行的起始位置)的用户名修改为空。其次,运行示例。最后,在程序出现异常提示时,更新第 7 行的用户名(为了便于演示,程序在两次任务执行过程中等待 10 秒钟)。

您可以在控制台中很明显的看到,任务先打印了 5 条记录(第一次事务提交),然后出现异常信息,待我们将错误更正后,又打印了 5 条记录,任务最终成功完成。

从输出结果,我们可以知道 Spring Batch 是从出错的事务边界内第一条记录重复执行的,这样便确保了数据完整性,而且所有这一切对于用户均是透明的。

那么 Spring Batch 是如何做到这一步的呢?这与 Spring Batch 的运行时管理是分不开的。

运行时管理

Spring Batch 提供了如 表 1 所示的类用于记录每个 Job 的运行信息:

表 1. 运行时类信息
类名 描述
JobInstance 该类记录了 Job 的运行实例。举例:10 月和 11 月分别执行同一 Job,将生成两个 JobInstance。主要信息有:标识、版本、Job 名称、Job 参数
JobExecution 该类记录了 Job 的运行记录。如上面的示例,Job 第一次运行失败,第二次运行成功,那么将形成两条运行记录,但是对应的是同一个运行实例。主要信息有:Job 的运行时间、运行状态等。
JobParameters 该类记录了 Job 的运行参数
ExecutionContext 该类主要用于开发人员存储任务运行过程中的相关信息(以键值对形式),主要分为 Job 和 Step 两个范围
StepExecution 该类与 JobExecution 类似,主要记录了 Step 的运行记录。包括此次运行读取记录条数、输出记录条数、提交次数、回滚次数、读跳过条数、处理跳过条数、写跳过条数等信息

Spring Batch 通过 JobRepository 接口维护所有 Job 的运行信息,此外 JobLauncher 的 run 方法也返回一个 JobExecution 对象,通过该对象可以方便的获得 Job 其他的运行信息,代码如 清单 15 所示:

清单 15. Main 类
 Map<String,JobParameter> parameters = new HashMap<String,JobParameter>(); 
 parameters.put(RUN_MONTH_KEY,new JobParameter("2011-10")); 
 JobExecution je = 
        launcher.run((Job) c.getBean("messageJob"),new JobParameters(parameters)); 
 System.out.println(je); 
 System.out.println(je.getJobInstance()); 
 System.out.println(je.getStepExecutions());

输出信息如 清单 16 所示:

清单 16. 输出结果
JobExecution: id=0, version=2, startTime=Tue Nov 15 21:00:09 CST 2011, 
endTime=Tue Nov 15 21:00:09 CST 2011, lastUpdated=Tue Nov 15 21:00:09 CST 2011, 
status=COMPLETED, exitStatus=exitCode=COMPLETED;exitDescription=, 
job=[JobInstance: id=0, version=0, JobParameters=[{run.month=2011-10}], Job=[messageJob]]

 JobInstance: id=0, version=0, JobParameters=[{run.month=2011-10}], Job=[messageJob] 

 [StepExecution: id=1, version=5, name=messageStep, status=COMPLETED, 
 exitStatus=COMPLETED, readCount=10, filterCount=0, writeCount=10 readSkipCount=0,
  writeSkipCount=0, processSkipCount=0, commitCount=3 , rollbackCount=0, 
  exitDescription=]

从日志您可以发现事务一共提交了 3 次,这与前面的说明是不一致的。之所以会如此是因为当事务提交粒度恰好可以被记录数整除时,事务会有一次空提交。

关于 Spring Batch 运行时信息管理,将在讲解 Job 监控时再详细介绍,此处不再赘述,你也可以查看 Spring Batch 参考资料了解相关信息。

总结

本 文通过一个简单示例演示了如何构建 Spring Batch 应用,同时介绍了 Spring Batch 的相关核心概念。希望您通过本文可以掌握 Spring Batch 的基本功能。在接下来的文章中,我将继续介绍 Spring Batch 的两个重要特性:Job 流和并发。

 

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参考资料

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