大型Java分布式应用纵横谈(1)

在当今应用架构里，分布式和应用与服务之间的通信都是核心思想。想要从分布式中获益，你必须牢牢记住几条基本的原则，否则你可能会很容易遇到性能和扩展性问题。在开发阶段这些问题不会经常出现,但当你进行负载测试或产品化的时候，你可能会意识到你选择的软件架构不能满足性能和扩展性需求。在这篇文章中，我们重点关注构建分布式应用需要记住的一些关键点。

分布式需要应用之间进行交互。范围包括从大规模集群架构上简单的点到点的交互，到动态的面向服务或基于服务的架构。跨系统边界的通信也是提高软件系统扩展性和可用性的关键。如今软件架构已把分布式作为一个核心的必要的概念。Java平台成为了核心的角色，因为它的分布式、有很好的API和产品支持这些特点。应用场景从像SAP这样在标准软件上的系统集成，到内部或外部的服务集成。SOA提供这样的方法，使服务和应用变的灵活和可重用，可以对新的市场需求很快的做响应。另外，像使用网格计算，虚拟机和多核刀片机的趋势，导致越来越多的集群应用的出现。这主要是由于追求高可扩展性和高可用性驱动的。而且云计算的发展趋势表明，分布式平台将来会更加流行。另外，系统正变得希望能更动态的增加其灵活性。例如，在运行时添加应用节点。这些趋势也导致了系统结构变得越来越复杂。对于开发人员来说，则更难理解产品中服务调用是如何实现的了。这种复杂性和缺乏对相应知识的了解，很容易导致资源消耗的增加（CPU,内存，网络）和性能的降低。

面具后的恶魔

如今，远程技术使分布式应用的实现更加简单。底层通信的细节和服务端和客户端的基础结构对开发人员是透明的。现在，如果要把一个Java类暴露为一个服务，有时只需要简单的加一个注解到这个类上。服务也可以被工具生成的代理很容易的访问。如下图所示，但是，这仅仅是冰山的一角。

 
图1.远程协议的上层架构

远程堆栈的核心块是对象的序列化和传输的格式化。通常，应用的开发者不需要知道这些。但是，这也是很多性能问题产生的原因。效率不高的序列化意味着，通过网络传输了很多不需要的数据。复杂对象的显示和大量的数据，在序列化和反序列化期间，导致CPU和内存的使用会很高。底层的基础架构和它的配置对应用的性能有很大的影响。在客户端，主要是连接的管理和底层线程模型。在分布式应用中使用连接的指导方针和数据库的连接很像。建立一个连接需要一定的时间。但这同样要看是什么协议。例如，建立一个HTTPS的连接的开销要大于一个简单的TCP/IP连接。同时，连接又是系统很重要的资源。所以，使用连接池很重要。正确的配置在这里也很关键，因为错误的配置文件给我们带来的坏处要多于好处。线程的模型涉及到请求如何被处理。重要的是请求是被同步还是异步处理。同步通信阻塞一个进程直到收到相应。在异步通信中，当收到响应时会调用一个回调。这就允许这个线程被其他事务使用。在服务端，可用的工作线程数量就是定义的并行处理的最大服务请求数。网络本身也是分布式应用的一个重要组件。网络是比影响性能更加限制其可扩展性的重要的瓶颈资源。这块通常在开发时会被忽视，因为没有调用实际的网络。

远程调用之美在于...

这有很多可以选择，Java提供了非常多的可能性和技术来实现分布式应用。远程技术的选择对应用的架构、性能和扩展性有十分重要的影响。最“老的”的但是几乎是用的最广的远程协议是RMI（如下图）。

 
图2.RMI架构

RMI是J2EE应用的一个标准协议。像它的名称暗示的一样，设计时就是为了调用远程Java虚拟主机上的对象提供的方法。对象在服务端被暴露出来，这时客户端就可以通过代理调用这个对象。同样的服务端对象被多个线程使用。线程池被RMI基础设施管理。通信通过TCP/IP被处理，并且使用JRMP或针对RMI的基于IIOP GIOP（CORBA协议）的协议。应用服务端也提供自己的属性协议来优化其性能。如服务端的引用需要管理一样，RMI基础设施也提供了垃圾回收器来管理引用。这个分布式垃圾回收器（DGC）本身也使用RMI协议来管理服务器端的对象生命周期。除了客户端和服务端很强大，RMI还有一些其他的实现。关于RMI的详细介绍及应用请参考51CTO之前的文章《用RMI实现基于Java的分布式计算》。

RMI只支持同步通信，缺点上面已经讨论过了。另外，不能为数据驱动的服务提供低级缓存，因为它是基于2进制协议的。开发人员和系统架构能够改变基础设施的配置参数来优化性能。JMS是J2EE平台上使用的第二多的协议。如下图：

 
图3.JMS架构图

有别于RMI, JMS是一个异步的协议。通信是基于队列的，以便监听器可以对消息作出反应。JMS不是一种标准的远程调用协议，但是它仍然能够满足服务与服务之间的交互。在SOA中非常重要的很多ESB的实现，就采用基于JMS的中间件来进行服务之间的信息传递。由于JMS是异步的，一些典型的同步问题就可以避免。在很多系统中，高可扩展性的关键在于能够很快的释放资源（像线程）。在很多情况下，异步处理是唯一合适的方法。JMS提供很多不同的传输格式。XML是最通用的消息格式，但二进制格式也是可能的。消息结构的设计是应用架构的一个重要部分，因为它可以直接影响到应用的性能和可扩展性。

基于SOAP的WEB Service（如下图）和其他相关的WS-*也在Java 企业应用领域中变得越来越重要。

 
图4.同步和异步SOAP架构

设计SOAP是为了替换CORBA，而且一开始就得到了业界的强烈支持。因为WS-I之间的共同努力，不同平台差不多能够很容易的连接起来。SOAP是一种基于XML的RPC协议，所以很容易和浪费带宽联系到一起。