Vert.X企業(yè)級Web應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂海東，葛日波

0 引言

當(dāng)前由于移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，智能手機(jī)和平板請求訪問Web應(yīng)用極為普遍，進(jìn)而產(chǎn)生大量移動客戶端訪問Web應(yīng)用導(dǎo)致Web Server無法滿足如此巨大的高并發(fā)性訪問需求，即所謂的C10K問題，當(dāng)并發(fā)連接超過10,000以上時(shí)使用傳統(tǒng)技術(shù)會引發(fā)暫停，類似微信的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸類應(yīng)用尤為突出。

傳統(tǒng)的企業(yè)級 Web應(yīng)用一般使用基于 Oracle公司的JavaEE的JSSHA（JavaEE+Struts+Spring+Hibernate+AJAX）框架[3]，或基于微軟 DOTNET平臺開發(fā)，它們都使用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)多連接請求，因此都面臨C10K性能瓶頸，要解決大并發(fā)客戶的請求只能進(jìn)行服務(wù)器群集，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備投資巨大，中小企業(yè)難以承受。

為解決以上問題，最先出現(xiàn)的解決方案就是Node,js技術(shù)，通過采用單線程、非阻塞、異步工作模式、事件循環(huán)機(jī)制很好解決了C10K問題，一般情況下單CPU服務(wù)器即可支持超萬個并發(fā)連接。其后Vert.x在Node.js的優(yōu)點(diǎn)之上，將基礎(chǔ)平臺移到JVM上，引入分布式并發(fā)機(jī)制以及自動支持多核CPU的能力，在一個單CPU八核的Intel E5服務(wù)器上即可支持?jǐn)?shù)十萬并發(fā)連接請求，因此Vert.x必將成為未來開發(fā)移動Web應(yīng)用的首選平臺。

本文重點(diǎn)介紹了使用Vert.x服務(wù)器框架實(shí)現(xiàn)企業(yè)級Web應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合一個使用微信公共平臺技術(shù)的Web應(yīng)用的開發(fā)進(jìn)行說明。

1 Vert.x概述

Vert.x是基于JVM平臺的輕量級，高性能的服務(wù)器端框架。專門用于開發(fā)移動應(yīng)用，Web和企業(yè)級應(yīng)用，它的核心特點(diǎn)是單線程，非阻塞，事件驅(qū)動模型，多樣性，高并發(fā)。

Vert.x的核心是Vert.x實(shí)例[4]，它是運(yùn)行所有Vert.x組件的容器，Vert.x框架自動識別CPU內(nèi)核個數(shù)，在每個內(nèi)核上都創(chuàng)建一個實(shí)例，并把所有組件同時(shí)部署在每個實(shí)例中，實(shí)現(xiàn)組件的并行運(yùn)行，并內(nèi)置機(jī)制自動執(zhí)行動態(tài)負(fù)載均衡，當(dāng)一個事件接收時(shí)自動選擇空閑的組件執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)高并發(fā)Web應(yīng)用。更進(jìn)一步Vert.x實(shí)例可以分布到多個服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)分布式處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可伸縮性，實(shí)現(xiàn)超大量級并發(fā)請求。

Vert.x使用基于角色的事件循環(huán)監(jiān)測的并發(fā)模式（Actor-like Concurrency Model）[5]，徹底地解決了C10K問題。Vert.x基本編程組件稱為Verticle，可將企業(yè)級應(yīng)用的各個功能分解為眾多Verticle，每個Verticle執(zhí)行單一的業(yè)務(wù)功能，所有Verticle都獨(dú)立運(yùn)行在Vert.x實(shí)例一個線程中，而非傳統(tǒng)的多線程模式。當(dāng)應(yīng)用業(yè)務(wù)復(fù)雜，使用的Verticle較多時(shí)，可以使用模塊（Module）機(jī)制將相似功能的 Verticle打包到模塊中，整個項(xiàng)目就是由不同的模塊組成，載入模塊時(shí)，模塊中包含的Verticle會自動載入Vert.x實(shí)例中運(yùn)行。

Verticle之間不能直接調(diào)用和傳遞數(shù)據(jù)，只能通過在分布式Event Bus上發(fā)布和接收事件完成。Verticle通過在Event Bus上注冊事件處理器來接收事件和事件中攜帶的數(shù)據(jù)，也可以向Event Bus上發(fā)送事件和傳輸數(shù)據(jù)。

事件的發(fā)送和接收可以采用3種模式：

（1）發(fā)布-訂閱模式：一個Event Bus上的事件可以被所有注冊的接收者接收，實(shí)現(xiàn)群發(fā)功能，如數(shù)據(jù)的檢索和顯示等。

（2）點(diǎn)對點(diǎn)模式：一個事件只能被一個接收者接收，完成定點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸功能，如工作流審批等業(yè)務(wù)可以通過此模式完成。

（3）請求-回復(fù)模式：在點(diǎn)對點(diǎn)基礎(chǔ)上增加自動回復(fù)功能，可以實(shí)現(xiàn)對用戶的操作結(jié)果提示功能。

使用Vert.x框架設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)企業(yè)級應(yīng)用的核心工作就是編寫完成實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)功能的 Verticle，定義各種 Event Bus的事件地址和事件處理器注冊，通過在Event Bus發(fā)布和接收事件，業(yè)務(wù)Verticle之間完成間接調(diào)用，以此實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的企業(yè)級應(yīng)用設(shè)計(jì)開發(fā)中，如基于 JSSHA（JavaEE+Struts+Spring+Hibernate+Ajax），通常采用分層的架構(gòu)設(shè)計(jì)，將整個項(xiàng)目分解為數(shù)據(jù)服務(wù)層（DS-DataBase Service），數(shù)據(jù)訪問層（DAO-Data Access Object），業(yè)務(wù)層（Bo-Business Object），數(shù)據(jù)傳輸層（DTO-Data Transfer Object），控制層（CO-Controller Object），視圖層（VO-View Object）。

本文使用Vert.x開發(fā)設(shè)計(jì)了基于微信公共平臺的高校學(xué)生課程考勤系統(tǒng)，由于在每節(jié)課的課前和課后需要學(xué)生使用微信掃描投影布顯示的二維碼進(jìn)行課程的簽到，全校平均一萬多學(xué)生同時(shí)進(jìn)行掃描并接收處理，使用傳統(tǒng)的Tomcat服務(wù)器，無法完成如此高并發(fā)的請求，因此在綜合評估Node.js和Vert.x后，最終選擇Vert.x框架實(shí)現(xiàn)。

由于Vert.x框架出現(xiàn)較晚，并沒有一個成熟的應(yīng)用開發(fā)架構(gòu)，目前還處于探索和創(chuàng)新階段。本文借鑒JSSHA架構(gòu)成熟的分層設(shè)計(jì)技術(shù)，采用了類似的架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體組成參如圖1所示：

圖1 基于Vert.x的企業(yè)級應(yīng)用架構(gòu)組成

另外在開發(fā)語言選擇時(shí)，雖然Vert.x支持多語言開發(fā)，如 Java、JavaScript、CoffeeScript、Ruby、Python or Groovy等，考慮到Vert.x的異步編程模式，使用Java編程代碼量過大，不適合異步編程，JavaScript是最佳選擇，內(nèi)置的回調(diào)函數(shù)是實(shí)現(xiàn)異步編程的最佳選擇。

2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)服務(wù)層組件Verticle負(fù)責(zé)連接MySQL數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行 SQL語句，完成數(shù)據(jù)的增刪改查操作。該層選擇成熟的第三方模塊 io.vertx~mod-mysql-postgresql_2.10~0.3.1[6]，實(shí)現(xiàn)操作MySQL數(shù)據(jù)庫，并使用異步工作模式，通過在Event Bus上發(fā)送事件，完成對數(shù)據(jù)表的 SQL操作。該層的核心實(shí)現(xiàn)示意代碼如下程序所示。

部署該模塊并傳入數(shù)據(jù)庫配置信息即可，參數(shù) address表示模塊監(jiān)聽的事件地址，通過向地址city.oa.lesson.dao發(fā)送事件，并傳遞標(biāo)準(zhǔn)的SQL 動作即可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作。

2.3 數(shù)據(jù)訪問層（DAO）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)訪問層負(fù)責(zé)對業(yè)務(wù)對象的持久化操作，實(shí)現(xiàn)與Hibernate相同的功能。每個數(shù)據(jù)表的讀寫設(shè)計(jì)為一個Verticle，將所有表的數(shù)據(jù)訪問Verticle打包到DAO模塊中。如下代碼為分院管理的DAO層實(shí)現(xiàn)示意代碼。

MySQL模塊接收標(biāo)準(zhǔn)化的Action參數(shù)，以此完成SQL執(zhí)行并返回執(zhí)行結(jié)果。

2.4 業(yè)務(wù)層（BO）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

業(yè)務(wù)層模塊包含實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)功能的 Verticle，一般情況下將每個業(yè)務(wù)對象的管理形成單獨(dú)的模塊，如本系統(tǒng)中的分院模塊，專業(yè)模塊，班級和選課模塊等。業(yè)務(wù)模塊接收界面模塊發(fā)出的業(yè)務(wù)處理請求事件，對傳輸?shù)膮?shù)進(jìn)行解析，發(fā)出對DAO層調(diào)用的事件，完成業(yè)務(wù)處理。由于編程代碼較多，只簡要示意對分院增加的代碼。

2.5 控制層（CO）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

使用 Vert.x框架，不需要進(jìn)行控制層編程，Event Bus擔(dān)當(dāng)控制層的角色，只需在Event Bus注冊不同的事件地址，并注冊事件接收處理器即可。

2.6 視圖層（UIO）實(shí)現(xiàn)

視圖層負(fù)責(zé)用戶操作界面的顯示和數(shù)據(jù)輸入，采用Web頁面技術(shù) HTML、CSS、JavaScript以及 jQuery，Bootstrap框架，結(jié)合Vert.x的Event Bus Bridge，將服務(wù)器端的Event Bus延伸到客戶端，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，客戶端可以發(fā)送事件調(diào)用服務(wù)器端的 Verticle，也可以定義事件接收處理回調(diào)函數(shù)接收服務(wù)器發(fā)送的事件和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的查詢顯示。并且這種數(shù)據(jù)傳輸是服務(wù)器推送實(shí)現(xiàn)的，不需要客戶端進(jìn)行HTTP請求，因此實(shí)現(xiàn)了與WebSocket技術(shù)相同的實(shí)時(shí)Web（Real Time Web）功能，由于只傳輸包含數(shù)據(jù)的JSON對象，克服了以往普通HTTP或AJAX請求包含的請求頭和響應(yīng)頭信息，傳輸效率高，響應(yīng)速度快，特別適合各種實(shí)時(shí)性場合，如工業(yè)監(jiān)控，股票行情，鐵路航空訂票等。

客戶端頁面要連接Vert.x服務(wù)器的Event Bus，需要在頁面中引入Event Bus Bridge和SockJ，為管理客戶端元素，引入jQuery框架，引入代碼如下：

客戶端頁面通過 jQuery取得表單元素輸入的數(shù)據(jù)，通過Event Bus Bridge連接到服務(wù)器端的Event Bus上，對指定的地址發(fā)送事件即可，服務(wù)器端的業(yè)務(wù)處理Verticle會監(jiān)聽此地址的事件，完成對應(yīng)的業(yè)務(wù)處理，界面的顯示效果如圖2所示：

圖2 增加分院視圖層頁面顯示

2.7 傳輸層的（DTO）實(shí)現(xiàn)

在傳統(tǒng)的Java項(xiàng)目中，需要編程JavaBean實(shí)現(xiàn)各層的數(shù)據(jù)傳遞，在Vert.x中可以直接使用JavaScript的JSON對象完成數(shù)據(jù)的傳輸，而且Vert.x推薦在Event Bus傳輸JSON對象。如下代碼是對分院信息進(jìn)行封裝的JSON對象實(shí)現(xiàn)代碼，顯而易見要比JavaBean簡單得多。

3 總結(jié)

Vert.x天生的大客戶并發(fā)連接請求的的處理能力，以及全新的異步響應(yīng)式工作模式，支持分布式Event Bus，組件調(diào)用完全解耦和，超級簡單的編程能力必將在企業(yè)級應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。Vert.x全面超越 Node.js性能上絕對優(yōu)勢，而Node.js又極大超越傳統(tǒng)Web框架，如JavaEE，DOT.NET，必將推動Vert.x的飛速發(fā)展，進(jìn)而引起Web領(lǐng)域顛覆性的革命，極有可能徹底淘汰以AJAX為主的web2.0客戶端技術(shù)，以及傳統(tǒng)的服務(wù)器框架，引領(lǐng)新的 Web應(yīng)用開發(fā)模式。

[1] Tero Parviainen. Real-time Web Application Development using Vert.x 2.0 [M]. BIRMINGHAM -MUMBAI:Packt Publishing,2013.

[2] Vert.x官方網(wǎng)址 [EB/OL].http://vertx.io/.

[3] 呂海東,張坤著.JavaEE企業(yè)級應(yīng)用開發(fā)實(shí)例教程[M].北京:清華大學(xué)大學(xué)出版社,2009.

[4] Enterprise messaging and integration with Vert.x [EB/OL]http://www.javaworld.com/article/2078838/mobile-java/o pen-source-java-projects-vert-x.html/.

[5] Simone Scarduzio. Instant Vert.x [M]. BIRMINGHAM -MUMBAI: Packt Publishing,2013.

[6] Vert.x mysql官方網(wǎng)址 [EB/OL]. https://github.com/ver t-x/mod-mysql-postgresql.