Project Loom 结构化并发与 Spring Batch 远程分片作业悬停问题深度剖析
大家好，今天我们来深入探讨一个比较棘手的问题：当 Project Loom 的结构化并发应用于 Spring Batch 的远程分片架构时，由于 Scope 未正常关闭，可能导致作业悬停的现象。这个问题涉及到多个技术点，包括 Project Loom 的结构化并发机制、Spring Batch 的远程分片原理，以及 Spring 的 Scope 管理。理解并解决这个问题，需要我们对这些技术有深入的理解。
1. 问题背景：Spring Batch 远程分片与 Project Loom 结构化并发
首先，让我们快速回顾一下 Spring Batch 远程分片和 Project Loom 的结构化并发。
Spring Batch 远程分片:
Spring Batch 提供了一种将大型作业分解成多个独立的分片，并在多个远程工作节点上并行执行的机制，称为远程分片。其核心思想是将一个大的数据集分割成更小的块，每个块由一个单独的 Step 实例处理，这些 Step 实例分布在不同的工作节点上。
- 主节点 (Master): 负责作业的整体控制，生成分片，并将分片任务发送给工作节点。
- 工作节点 (Worker): 接收并执行分片任务，将结果返回给主节点。
- 消息队列: 主节点和工作节点之间通常通过消息队列（如 RabbitMQ, Kafka）进行通信，传递分片任务和结果。
Project Loom 结构化并发:
Project Loom 是 Java 的一个项目，旨在显著提升 Java 的并发性能。它引入了两个关键概念：虚拟线程 (Virtual Threads) 和结构化并发 (Structured Concurrency)。
- 虚拟线程: 是一种轻量级的线程，由 JVM 管理，可以大量创建和销毁，而不会像操作系统线程那样带来巨大的开销。
- 结构化并发: 是一种编程模型，它限制了并发任务的生命周期和作用域，确保并发任务的执行具有清晰的父子关系。结构化并发的核心目标是简化并发编程，提高代码的可读性和可维护性，并减少并发错误。Java 21 引入了
StructuredTaskScope类，提供了结构化并发的支持。
问题产生的情景:
当我们将 Project Loom 的结构化并发应用到 Spring Batch 的远程分片架构中时，可能会遇到一些意想不到的问题。例如，我们可能在一个虚拟线程中启动一个分片任务，而该任务的执行依赖于 Spring 的某个 Scope (例如 StepScope 或 JobScope)。如果该 Scope 在任务完成后没有被正确关闭，可能会导致一些资源无法释放，最终导致作业悬停。
2. 问题根源分析：Scope 管理与结构化并发的交互
问题的核心在于 Spring 的 Scope 管理机制与 Project Loom 结构化并发的交互方式。在 Spring Batch 中，StepScope 和 JobScope 提供了在 Step 和 Job 执行期间存储和访问 bean 的能力。这些 Scope 是基于 AOP 代理实现的，它们在 Step 或 Job 的执行开始时激活，在执行结束时销毁。
正常的 Scope 生命周期:
在传统的 Spring Batch 应用中，Scope 的生命周期由 Spring 容器管理。当一个 Step 或 Job 开始执行时，相应的 Scope 被激活，允许访问该 Scope 内的 bean。当 Step 或 Job 执行完成后，Scope 被销毁，释放相关的资源。
结构化并发带来的挑战:
当我们在虚拟线程中使用 StepScope 或 JobScope 时，传统的 Scope 管理机制可能会失效。原因如下：
- 线程上下文切换: 虚拟线程可以在不同的操作系统线程上执行，这会导致线程上下文的频繁切换。如果 Scope 的激活和销毁操作与线程上下文绑定，可能会出现 Scope 没有被正确销毁的情况。
- 父子关系断裂: 结构化并发强调任务的父子关系。如果一个分片任务在虚拟线程中启动，而该虚拟线程的生命周期超出了
Step或Job的生命周期，可能会导致 Scope 的销毁操作无法执行。 - 资源泄漏: 如果 Scope 没有被正确销毁，可能会导致一些资源（如数据库连接、文件句柄等）无法释放，最终导致资源泄漏和作业悬停。
代码示例：错误的使用方式
以下代码示例演示了可能导致问题的场景：
@Component
public class MyTasklet implements Tasklet {
@Autowired
@StepScope
private String stepScopedBean; // 一个 StepScope 的 Bean
@Override
public RepeatStatus execute(StepContribution contribution, ChunkContext chunkContext) throws Exception {
try (var scope = new StructuredTaskScope<Void>()) {
scope.fork(() -> {
// 在虚拟线程中访问 StepScope 的 Bean
System.out.println("Step Scoped Bean: " + stepScopedBean);
return null;
});
scope.join();
scope.close();
}
return RepeatStatus.FINISHED;
}
}在这个例子中，我们尝试在 StructuredTaskScope 中启动一个虚拟线程，并在该线程中访问 StepScope 的 bean。虽然我们使用了 StructuredTaskScope 来管理虚拟线程的生命周期，但是 StepScope 的销毁操作仍然依赖于 Spring 的 AOP 代理，而该代理可能无法感知到虚拟线程的结束，从而导致 StepScope 没有被正确销毁。
3. 解决方案：显式管理 Scope 的生命周期
解决这个问题的关键在于显式地管理 Scope 的生命周期，确保 Scope 在任务完成后被正确销毁。以下是一些可行的解决方案：
方案一：使用 ScopeCallback 手动管理 Scope
Spring Batch 提供了一个 ScopeCallback 接口，允许我们手动管理 Scope 的生命周期。我们可以使用 ScopeCallback 在虚拟线程启动前激活 Scope，在虚拟线程结束后销毁 Scope。
@Component
public class MyTasklet implements Tasklet {
@Autowired
private StepScope stepScope;
@Autowired
@Lazy // 延迟注入，避免在 Tasklet 初始化时就创建 Bean
private String stepScopedBean;
@Override
public RepeatStatus execute(StepContribution contribution, ChunkContext chunkContext) throws Exception {
stepScope.execute(new ScopeCallback<RepeatStatus>() {
@Override
public RepeatStatus doInScope(AttributeAccessor attributes) {
try (var scope = new StructuredTaskScope<Void>()) {
scope.fork(() -> {
// 在虚拟线程中访问 StepScope 的 Bean
System.out.println("Step Scoped Bean: " + stepScopedBean);
return null;
});
scope.join();
scope.close();
}
return RepeatStatus.FINISHED;
}
});
return RepeatStatus.FINISHED;
}
}在这个例子中，我们使用 stepScope.execute() 方法来显式地激活和销毁 StepScope。ScopeCallback 确保 StepScope 在 doInScope() 方法执行前被激活，在 doInScope() 方法执行后被销毁，即使在虚拟线程中执行任务，也能保证 StepScope 的生命周期正确管理。
方案二：自定义 Scope 管理器
我们可以自定义一个 Scope 管理器，用于管理 StepScope 或 JobScope 的生命周期。该管理器可以基于 ThreadLocal 存储当前线程的 Scope 实例，并在虚拟线程启动前将 Scope 实例传递给虚拟线程，在虚拟线程结束后销毁 Scope 实例。
public class ScopeManager {
private static final ThreadLocal<AttributeAccessor> scopeContext = new ThreadLocal<>();
public static void activate(AttributeAccessor attributes) {
scopeContext.set(attributes);
}
public static void deactivate() {
scopeContext.remove();
}
public static AttributeAccessor getContext() {
return scopeContext.get();
}
}然后在 Tasklet 中使用自定义的 Scope 管理器：
@Component
public class MyTasklet implements Tasklet {
@Autowired
private StepScope stepScope;
@Autowired
@Lazy
private String stepScopedBean;
@Override
public RepeatStatus execute(StepContribution contribution, ChunkContext chunkContext) throws Exception {
AttributeAccessor attributes = new SimpleAttributeAccessor();
ScopeManager.activate(attributes);
try {
stepScope.execute(new ScopeCallback<RepeatStatus>() {
@Override
public RepeatStatus doInScope(AttributeAccessor attributes) {
try (var scope = new StructuredTaskScope<Void>()) {
scope.fork(() -> {
// 在虚拟线程中访问 StepScope 的 Bean
System.out.println("Step Scoped Bean: " + stepScopedBean);
return null;
});
scope.join();
scope.close();
}
return RepeatStatus.FINISHED;
}
});
} finally {
ScopeManager.deactivate();
}
return RepeatStatus.FINISHED;
}
}方案三：避免在虚拟线程中使用 Scope Bean
最简单的解决方案是避免在虚拟线程中使用 StepScope 或 JobScope 的 bean。如果可能，可以将需要访问的数据传递给虚拟线程，而不是直接在虚拟线程中访问 Scope bean。
选择哪种方案？
选择哪种方案取决于具体的应用场景和需求。
- 如果只需要在少数几个地方使用虚拟线程，并且可以方便地使用
ScopeCallback，那么方案一是最简单的选择。 - 如果需要在多个地方使用虚拟线程，并且需要更灵活地管理 Scope 的生命周期，那么方案二可能更适合。
- 如果可以避免在虚拟线程中使用 Scope bean，那么方案三是最理想的选择。
4. ShutdownPolicy.ABORT 的影响
ShutdownPolicy.ABORT 是 StructuredTaskScope 的一个配置选项，用于指定当一个虚拟线程失败时如何处理其他虚拟线程。如果设置为 ABORT，那么当一个虚拟线程抛出异常时，StructuredTaskScope 会立即中断所有其他虚拟线程。
ShutdownPolicy.ABORT 与 Scope 管理的关系:
ShutdownPolicy.ABORT 可能会加剧 Scope 管理的问题。如果一个虚拟线程抛出异常，导致 StructuredTaskScope 中断所有其他虚拟线程，那么可能会导致一些 Scope 没有被正确销毁。
示例:
@Component
public class MyTasklet implements Tasklet {
@Autowired
@StepScope
private String stepScopedBean;
@Override
public RepeatStatus execute(StepContribution contribution, ChunkContext chunkContext) throws Exception {
try (var scope = new StructuredTaskScope<Void>(ShutdownPolicy.ABORT)) {
scope.fork(() -> {
// 模拟一个可能抛出异常的虚拟线程
if (Math.random() < 0.5) {
throw new RuntimeException("Virtual thread failed!");
}
System.out.println("Step Scoped Bean: " + stepScopedBean);
return null;
});
scope.join();
scope.close();
} catch (Exception e) {
// 处理异常
System.err.println("StructuredTaskScope failed: " + e.getMessage());
}
return RepeatStatus.FINISHED;
}
}在这个例子中，如果虚拟线程抛出异常，ShutdownPolicy.ABORT 会导致 StructuredTaskScope 中断所有其他虚拟线程。如果其他虚拟线程正在访问 StepScope 的 bean，那么可能会导致 StepScope 没有被正确销毁。
如何避免 ShutdownPolicy.ABORT 带来的问题:
- 谨慎使用
ShutdownPolicy.ABORT: 只有在确实需要立即中断所有虚拟线程的情况下才使用ShutdownPolicy.ABORT。 - 确保 Scope 能够被正确销毁: 即使在使用
ShutdownPolicy.ABORT的情况下，也要确保 Scope 能够被正确销毁。可以使用ScopeCallback或自定义 Scope 管理器来显式地管理 Scope 的生命周期。 - 使用
ShutdownPolicy.JOIN: 如果不需要立即中断所有虚拟线程，可以使用ShutdownPolicy.JOIN。ShutdownPolicy.JOIN会等待所有虚拟线程执行完成后再结束StructuredTaskScope。
5. 总结与启示
在 Spring Batch 远程分片架构中使用 Project Loom 的结构化并发可以显著提升并发性能，但也需要注意 Scope 管理的问题。由于虚拟线程的特殊性，传统的 Scope 管理机制可能会失效，导致 Scope 没有被正确销毁，最终导致资源泄漏和作业悬停。
为了解决这个问题，我们需要显式地管理 Scope 的生命周期，可以使用 ScopeCallback、自定义 Scope 管理器或避免在虚拟线程中使用 Scope bean。在使用 ShutdownPolicy.ABORT 时，更要谨慎，确保 Scope 能够被正确销毁。
正确理解和解决这个问题，可以帮助我们更好地利用 Project Loom 的优势，构建高性能、高可靠的 Spring Batch 应用。
希望今天的分享对大家有所帮助，谢谢！