Spring系列之批处理Spring Batch介绍

概述

官网，GitHub

A lightweight, comprehensive batch framework designed to enable the development of robust batch applications vital for the daily operations of enterprise systems.

执行流程
在这里插入图片描述

实战

假设有个待处理的任务，如文件batch-test.csv：

1,TODO
2,TODO
3,TODO

Maven引入依赖：

<dependency><groupId>org.springframework.batch</groupId><artifactId>spring-batch-core</artifactId>
</dependency>

测试类：

private static final String CSV_FILE = "batch-test.csv";@Resource
private JobLauncher jobLauncher;@Resource
private JobRepository jobRepository;@Resource
private PlatformTransactionManager manager;@Test
public static void test() throws JobParametersInvalidException, JobExecutionAlreadyRunningException, JobRestartException, JobInstanceAlreadyCompleteException {// 创建readerFlatFileItemReader<TodoItem> reader = new FlatFileItemReader<>();reader.setResource(new FileSystemResource(CSV_FILE));reader.setLineMapper(new TestLineMapper());// 创建processorTestItemProcessor processor = new TestItemProcessor();// 创建writerFlatFileItemWriter<TodoItem> writer = new FlatFileItemWriter<>();writer.setResource(new FileSystemResource(CSV_FILE));writer.setLineAggregator(new TestLineAggregator());// 创建StepStepBuilderFactory stepBuilderFactory = new StepBuilderFactory(jobRepository, manager);Step step = stepBuilderFactory.get("step").<TodoItem, TodoItem>chunk(1).reader(reader).processor(processor).writer(writer).build();// 创建JobJobBuilderFactory jobBuilderFactory = new JobBuilderFactory(jobRepository);Job job = jobBuilderFactory.get("job").start(step).build();// 启动任务jobLauncher.run(job, new JobParameters());
}

POJO实体类：

@Data
public class TodoItem {private String id;private String status;
}

其中处理器如下：

public class TestItemProcessor implements ItemProcessor<TodoItem, TodoItem> {@Overridepublic TodoItem process(TodoItem item) {// 模拟任务处理逻辑log.info("doing item, id=" + item.getId());item.setStatus("DONE");return item;}
}

行（记录）聚合器如下：

public class TestLineAggregator implements LineAggregator<TodoItem> {@Overridepublic String aggregate(TodoItem item) {return item.getId() + "," + item.getStatus();}
}

行映射器如下：

public class TestLineMapper implements LineMapper<TodoItem> {@Overridepublic TodoItem mapLine(String line, int lineNumber) {String[] args = line.split(",");TodoItem item = new TodoItem();item.setId(args[0]);item.setStatus(args[1]);return item;}
}

方法执行成功时，console控制台输出：

doing item, id=1
doing item, id=2
doing item, id=3

另外batch-test.csv会变成：

1,DONE
2,DONE
3,DONE

概念

Job

Job和Step是Spring Batch执行批处理任务最为核心的两个概念。Job是一个封装整个批处理过程的一个概念。Job在Spring Batch的体系当中是最顶层的抽象概念，是最上层接口：

/*** 重启策略应用于整个作业，而不是某个步骤*/
public interface Job {String getName();default boolean isRestartable() {return true;}void execute(JobExecution execution);@Nullabledefault JobParametersIncrementer getJobParametersIncrementer() {return null;}default JobParametersValidator getJobParametersValidator() {return new DefaultJobParametersValidator();}
}

定义有五个方法，实现类主要有两种类型的Job，SimpleJob，FlowJob。除Job外还有JobInstance、JobExecution两个更加底层的抽象。

Job是运行的基本单位，内部由Step组成，本质上可看成Step的容器。一个Job可按照指定的逻辑顺序组合Step，并提供给所有Step设置相同属性的方法，如一些事件监听，跳过策略。

Spring Batch以SimpleJob类的形式提供Job接口的默认简单实现，在Job之上创建一些标准功能：

@Bean
public Job footballJob() {return this.jobBuilderFactory.get("footballJob").start(playerLoad()).next(gameLoad()).next(playerSummarization()).end().build();
}

JobInstance

源码如下：

public class JobInstance extends Entity {private final String jobName;
}

其中Entity如下：

public class Entity implements Serializable {private Long id;private volatile Integer version;
}

JobInstance指的是Job运行当中，作业执行过程当中的概念。Instance即实例。

JobParameters

同一个Job每天运行一次的话，则每天都有一个JobIntsance，但他们的Job定义都是一样的，怎么来区别一个Job的不同JobIntsance？

Spring Batch提供JobParameters用来唯一标识JobIntsance。JobParameters对象包含一组用于启动批处理作业的参数，它可以在运行期间用于识别或甚至用作参考数据。JobInstance=Job+JobParameters。

JobExecution指的是单次尝试运行一个定义好的Job的代码层面的概念。Job的一次执行可能失败或成功。只有当执行成功完成时，给定的与执行相对应的JobInstance才也被视为完成。

JobParameters源码如下：

public class JobParameters implements Serializable {private final Map<String, JobParameter<?>> parameters;
}

可知，JobParameters是JobParameter的Map集合。而JobParameter是一个泛型类：

public class JobParameter<T> implements Serializable {private final T value;private final Class<T> type;private final boolean identifying;
}

JobExecution

public class JobExecution extends Entity {private final JobParameters jobParameters;private JobInstance jobInstance;private volatile Collection<StepExecution> stepExecutions;private volatile BatchStatus status;private volatile LocalDateTime startTime;private volatile LocalDateTime createTime;private volatile LocalDateTime endTime;private volatile LocalDateTime lastUpdated;private volatile ExitStatus exitStatus;private volatile ExecutionContext executionContext;private transient volatile List<Throwable> failureExceptions;
}

JobExecution当中提供getStatus方法用于获取一个Job某一次特地执行的一个状态。BatchStatus代表Job枚举状态：

public enum BatchStatus {COMPLETED,STARTING,STARTED,STOPPING,STOPPED,FAILED,ABANDONED,UNKNOWN;
}

这些属性对于一个Job的执行来说是非常关键的信息，且Spring Batch会将其持久到数据库当中，用于存储JobExecution的表为batch_job_execution。

Step

每一个Step对象都封装批处理作业的一个独立阶段。事实上每一个Job本质上都是由一个或多个步骤组成。每一个Step包含定义和控制实际批处理所需的所有信息。任何特定的内容都由编写Job的开发人员自行决定。

一个Step可非常简单也可非常复杂。如，一个Step的功能是将文件中的数据加载到数据库中，基于现在Spring Batch的支持则几乎不需要写代码。更复杂的Step可能具有复杂的业务逻辑，这些逻辑作为处理的一部分。

与Job一样，Step具有与JobExecution类似的StepExecution。

StepExecution

StepExecution表示一次执行Step，每次运行一个Step时都会创建一个新的StepExecution，类似于JobExecution。但是，某个步骤可能由于其之前的步骤失败而无法执行。且仅当Step实际启动时才会创建StepExecution。

一次Step执行的实例由StepExecution类的对象表示。每个StepExecution都包含对其相应步骤的引用以及JobExecution和事务相关的数据，例如提交和回滚计数以及开始和结束时间。

此外，每个步骤执行都包含一个ExecutionContext，其中包含开发人员需要在批处理运行中保留的任何数据，例如重新启动所需的统计信息或状态信息。下面是一个从数据库当中截图的实例：

ExecutionContext

ExecutionContext即每一个StepExecution的执行环境。它包含一系列的键值对。获取ExecutionContext：

ExecutionContext ecStep = stepExecution.getExecutionContext();
ExecutionContext ecJob = jobExecution.getExecutionContext();

JobRepository

JobRepository用于存储任务执行的状态信息，比如什么时间点执行什么任务、任务执行结果如何等。提供2种实现，一种是通过Map形式保存在内存中，程序重启后任务信息丢失，在分布式下无法获取其他节点的任务执行情况；另一种是保存在数据库中，将数据保存在下面6张表里：

  • BATCH_JOB_INSTANCE
  • BATCH_JOB_EXECUTION_PARAMS
  • BATCH_JOB_EXECUTION
  • BATCH_STEP_EXECUTION
  • BATCH_JOB_EXECUTION_CONTEXT
  • BATCH_STEP_EXECUTION_CONTEXT

JobRepository是一个用于将上述Job，Step等概念进行持久化的一个类。它同时给Job和Step以及下文会提到的JobLauncher实现提供CRUD操作。首次启动Job时，将从repository中获取JobExecution，并且在执行批处理的过程中，StepExecution和JobExecution将被存储到repository当中。@EnableBatchProcessing注解可以为JobRepository提供自动配置。

支持主流数据库：DB2、Derby、H2、HSQLDB、MySQL、Oracle、PostgreSQL、SQLServer、Sybase。

源码：

public interface JobRepository {default List<String> getJobNames() {return Collections.emptyList();}default List<JobInstance> findJobInstancesByName(String jobName, int start, int count) {return Collections.emptyList();}default List<JobExecution> findJobExecutions(JobInstance jobInstance) {return Collections.emptyList();}boolean isJobInstanceExists(String jobName, JobParameters jobParameters);JobInstance createJobInstance(String jobName, JobParameters jobParameters);JobExecution createJobExecution(String jobName, JobParameters jobParameters) throws JobExecutionAlreadyRunningException, JobRestartException, JobInstanceAlreadyCompleteException;void update(JobExecution jobExecution);void add(StepExecution stepExecution);void addAll(Collection<StepExecution> stepExecutions);void update(StepExecution stepExecution);void updateExecutionContext(StepExecution stepExecution);void updateExecutionContext(JobExecution jobExecution);@Nullabledefault JobInstance getJobInstance(String jobName, JobParameters jobParameters) {throw new UnsupportedOperationException();}@NullableStepExecution getLastStepExecution(JobInstance jobInstance, String stepName);long getStepExecutionCount(JobInstance jobInstance, String stepName);@NullableJobExecution getLastJobExecution(String jobName, JobParameters jobParameters);default void deleteStepExecution(StepExecution stepExecution) {throw new UnsupportedOperationException();}default void deleteJobExecution(JobExecution jobExecution) {throw new UnsupportedOperationException();}default void deleteJobInstance(JobInstance jobInstance) {throw new UnsupportedOperationException();}
}

JobLauncher

用于启动指定JobParameters的Job：

@FunctionalInterface
public interface JobLauncher {JobExecution run(Job job, JobParameters jobParameters) throws JobExecutionAlreadyRunningException, JobRestartException, JobInstanceAlreadyCompleteException, JobParametersInvalidException;
}

run方法根据传入的Job以及jobparamaters从JobRepository获取一个JobExecution并执行Job。

Line、Item、Field

三个很重要的概念：

  • Line：表示行，Spring Batch提供LineAggregator、LineMapper、LineTokenizer、LineCallbackHandler等接口；
  • Item：表示记录，逻辑概念，可包含多行，Spring Batch提供ItemReader、ItemWriter、ItemProcessor等接口；
  • Field：表示字段，Spring Batch提供FieldExtractor、FieldSet、FieldSetFactory等接口；
特性LineItemField
定义层次数据源中未解析的基础单元逻辑层级，业务数据的领域对象数据（字段/属性）
关系Line是Item的输入由Field组成一个ItemItem组成部分

ItemReader

public interface ItemReader<T> {@NullableT read() throws Exception, UnexpectedInputException, ParseException, NonTransientResourceException;
}

ItemReader是一个读数据的接口，为每一个Step提供数据输入。当ItemReader读完所有数据时，它会返回null来告诉后续操作数据已经读完。

Spring Batch提供很多实现类，支持各种读取数据源，包括各种类型数据库，文件，数据流等，几乎涵盖所有场景：

  • FlatFileItemReader
  • JdbcPagingItemReader
  • JdbcCursorItemReader

FlatFileItemReader

实战例子即为FlatFileItemReader，用于读取表格文件，文本文件，有如下属性：

  • setResource 指定文件资源的位置：通过ClassPathResource（类所在路径）或者FileSystemResource（文件系统所在路径）来指定要读取的文件
  • setLineMapper 行映射：指定行与实体对象之间的映射关系，示例代码使用DefaultLineMapper
  • seEncoding 读取编码格式，默认为‘iso-8859-1’
  • setStrict 严格模式，输入文件不存在会抛出异常，阻断当前Job，默认为true

JdbcPagingItemReader

例子：

@Bean
public JdbcPagingItemReader itemReader(DataSource source, PagingQueryProvider provider) {Map<String, Object> params = new HashMap<>();params.put("status", "NEW");return new JdbcPagingItemReaderBuilder<CustomerCredit>().name("creditReader").dataSource(source).queryProvider(provider).parameterValues(params).rowMapper(customerCreditMapper()).pageSize(1000).build();
}@Bean
public SqlPagingQueryProviderFactoryBean queryProvider() {SqlPagingQueryProviderFactoryBean provider = new SqlPagingQueryProviderFactoryBean();provider.setSelectClause("select id, name, credit");provider.setFromClause("from customer");provider.setWhereClause("where status=:status");provider.setSortKey("id");return provider;
}

JdbcPagingItemReader必须指定一个PagingQueryProvider，负责提供SQL查询语句来按分页返回数据。

JdbcCursorItemReader

例子：

private JdbcCursorItemReader<Map<String, Object>> buildItemReader(final DataSource dataSource, String tableName, String tenant) {JdbcCursorItemReader<Map<String, Object>> reader = new JdbcCursorItemReader<>();reader.setDataSource(dataSource);reader.setSql("sql here");reader.setRowMapper(new RowMapper());return reader;
}

ItemWriter

public interface ItemWriter<T> {void write(List<? extends T> items) throws Exception;
}

写数据的抽象，为每一个Step提供数据写出的功能。单位是可以配置的，可以一次写一条、一个chunk的数据，ItemWriter对于读入的数据是不能做任何操作的。

提供多种ItemWriter接口的实现类，包括对文本文件、XML文件、数据库、JMS消息等写的处理，支持自定义writer功能。

Spring Batch提供很多实现类，支持各种读取数据源，包括各种类型数据库，文件，数据流等，几乎涵盖所有场景：

  • FlatFileItemWriter
  • StaxEventItemWriter

FlatFileItemWriter

StaxEventItemWriter

用于写到XML文件，需引入如下依赖，用法和FlatFileItemWriter类似：

<dependency><groupId>org.springframework</groupId><artifactId>spring-oxm</artifactId>
</dependency>

默认编码为utf-8，其他属性：

  • setRootTagName：设置根节点标签名称
  • setMarshaller：指定对象与节点映射关系

ItemProcessor

处理操作，其接口：

public interface ItemProcessor<I, O> {O process(I item) throws Exception;
}

ItemProcessor主要负责数据的转换与处理，process方法的形参传入I类型的对象，通过处理后返回O型的对象。支持自定义业务代码来对数据进行处理。

ItemProcessor对项目的业务逻辑处理的一个抽象, 当ItemReader读取到一条记录之后，ItemWriter还未写入这条记录之前，可以借助temProcessor提供一个处理业务逻辑的功能，并对数据进行相应操作。如果在ItemProcessor发现一条数据不应该被写入，可以通过返回null来表示。ItemProcessor和ItemReader以及ItemWriter可以非常好的结合在一起工作，他们之间的数据传输也非常方便，直接使用即可。

进阶

注解

Spring Batch提供的注解：

  • EnableBatchProcessing
  • JobScope
  • StepScope
  • AfterChunk
  • AfterChunkError
  • AfterJob
  • AfterProcess
  • AfterRead
  • AfterStep
  • AfterWrite
  • BeforeChunk
  • BeforeJob
  • BeforeProcess
  • BeforeRead
  • BeforeStep
  • BeforeWrite
  • OnProcessError
  • OnReadError
  • OnSkipInProcess
  • OnSkipInRead
  • OnSkipInWrite
  • OnWriteError

异常

包括：

  • UnexpectedJobExecutionException
  • FatalStepExecutionException
  • StartLimitExceededException
  • NonTransientResourceException
  • ItemWriterException
  • ItemReaderException
  • ItemStreamException
  • ReaderNotOpenException
  • UnexpectedInputException
  • WriterNotOpenException
  • WriteFailedException
  • RepeatException
  • FlushFailedException
  • JobExecutionAlreadyRunningException
  • JobRestartException
  • JobInstanceAlreadyCompleteException
  • JobParametersInvalidException
  • UnsupportedOperationException
  • 还有很多

每种异常的出错场景，问题根源，以及解决方法，有待进一步学习。

问题

如何默认不启动Job？
在使用Java config使用Spring Batch的Job时，如果不做任何配置，项目在启动时就会默认去跑定义好的批处理Job。如何让项目在启动时不自动去跑Job呢？在application.properties中添加如下属性：spring.batch.job.enabled=false

在读数据时内存不够？
在使用Spring Batch做数据迁移时，发现在Job启动后，执行到一定时间点时就卡在一个地方不动，且log也不再打印，等待一段时间之后，得到如下错误：
红字的信息为：Resource exhaustion event：the JVM was unable to allocate memory from the heap.

项目发出一个资源耗尽的事件，告诉JVM无法再为堆分配内存？
造成这个错误的原因是：batch Job的reader是一次性拿回数据库里的所有数据，并没有进行分页，当这个数据量太大时，就会导致内存不够用。解决办法有两个：

  1. 调整reader读数据逻辑，按分页读取，但实现上会麻烦一些，且运行效率会下降
  2. 增大service内存

原则

构建批处理任务时，应考虑以下关键原则和注意事项：

  1. 批处理体系结构通常会影响体系结构
  2. 尽可能简化并避免在单批应用程序中构建复杂的逻辑结构
  3. 保持数据的处理和存储在物理上靠得很近（换句话说，将数据保存在处理过程中）
  4. 最大限度地减少系统资源的使用，尤其是IO，在internal memory中执行尽可能多的操作
  5. 分析SQL语句，查看应用程序IO，以确保避免不必要的物理IO，特别是，需要寻找以下四个常见缺陷：
    1. 当数据可以被读取一次并缓存或保存在工作存储中时，读取每个事务的数据
    2. 重新读取先前在同一事务中读取数据的事务的数据
    3. 导致不必要的表或索引扫描
    4. 未在SQL语句的WHERE子句中指定键值
  6. 在批处理运行中不要做两次一样的事情。例如，如果需要数据汇总以用于报告目的，则应该（如果可能）在最初处理数据时递增存储的总计，因此您的报告应用程序不必重新处理相同的数据
  7. 在批处理应用程序开始时分配足够的内存，以避免在此过程中进行耗时的重新分配
  8. 总是假设数据完整性最差。插入适当的检查和记录验证以维护数据完整性
  9. 尽可能实施校验和以进行内部验证。例如，对于一个文件里的数据应该有一个数据条数纪录，告诉文件中的记录总数以及关键字段的汇总
  10. 在具有真实数据量的类似生产环境中尽早计划和执行压力测试
  11. 在大批量系统中，数据备份可能具有挑战性，特别是如果系统以24-7在线的情况运行。数据库备份通常在在线设计中得到很好的处理，但文件备份应该被视为同样重要。如果系统依赖于文件，则文件备份过程不仅应该到位并记录在案，还应定期进行测试。

参考

  • 批处理框架Spring Batch

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