架构设计：文件服务的设计与实现

忘是亡心i 2022-10-23 11:14 251阅读 0赞

# 功能 #

文件服务器的核心功能就两个：「**文件上传**」和「**文件下载**」！其中上传可能需要支持断点续传、分片上传。而下载可能需要进行下载保护，例如非指定客户端无法下载。除了这两个核心功能，一般都会有一个额外功能，就是「转换」！转换包括：

*  **图片规格转换**：一张图片需要切分多个不同的尺寸
 *  **添加水印**：图片或视频需要添加水印
 *  **格式转换**：
 *  **文件格式转换**：office转pdf，pdf转word，pdf转图片，office转图片等
 *  **视频格式转换**：mp4转m3u8，码率转换等

除了上面的业务功能外，还包括如下非功能性约束：

*  **安全性**：是否需要认证后才能上传或下载
 *  **伸缩性**：是否支持扩容，提高访问量
 *  **可用性**：作为基础服务，可用性不低于4个9
 *  **可配置性**：对于转换方式、上传下载方式等内容需要提供可配置能力
 *  **扩展性**：能方便的进行功能扩展，例如对转换方式的扩展

# 初步流程 #

*  上传流程

![架构设计：文件服务的设计与实现][7a615d61873f0ea7e1099536cdd112b3.png]

*  下载流程

![架构设计：文件服务的设计与实现][99f68efdc4dea002cd2d6c0dd34973a5.png]

# 初步模块划分 #

根据功能，可划分如下功能模块：

*  **上传模块（核心模块）**：处理文件上传
 *  **下载模块（核心模块）**：处理文件下载
 *  **转换模块**：处理文件类型转换
 *  **配置模块**：对文件服务进行配置
 *  **安全模块**：对文件服务进行安全保护

# 架构设计 #

首先通过分层架构对模块进行一个大致的划分，按照领域设计的分层方式：

*  **应用层**：配置模块，安全模块
 *  **领域层**：上传模块，下载模块，转换模块

![架构设计：文件服务的设计与实现][5429d73dc4c091fe411707c451841a95.png]

从上面的流程可以看到「上传模块」对「转换模块」有一定的依赖，像下面这样：

![架构设计：文件服务的设计与实现][8c3e4ebdd17af12914858dbe013935e4.png]

但是，「上传模块」是核心模块，而「转换模块」是非核心模块。核心模块的功能相对稳定，非核心模块的功能相对不稳定。让稳定的模块去依赖不稳定的模块，会导致稳定的模块也不稳定，所以需要对依赖进行「倒置」。

![架构设计：文件服务的设计与实现][528bf12a14af1e9064c28422d5874081.png]

「依赖倒置」解决了模块依赖问题。但是转换是个很耗时的过程，例如用户上传视频，在不转换的情况下，只要上传完成就可以得到响应，但是如果转换的话，可能就需要双倍甚至三四倍的时间才能得到反馈，体验非常的不好。且一般上传和观看的时效性并不需要即时性，所以转换应该是个异步的过程。异步执行的方式很多，比如基于事件，自定义线程等。这里通过事件的方式来进行处理。（领域事件可参考[领域设计：领域事件][Link 1]）

![架构设计：文件服务的设计与实现][ac0d4e8d41a7d5a9115dea396cd2e9bc.png]

文件上传会创建UploadEvent，UploadListener监听UploadEvent事件，当监听到了UploadEvent，则执行转换。转换流程异步化后，如何告知客户端转换结果呢？有几种方案：

*  上传完成后，文件服务返回一个token，后续业务系统通过token来获取转换后的URL。此方案需要业务系统请求两次。
 *  文件服务转换完成后入库，业务系统从数据库获取。此方案也需要业务系统请求两次，且对不同的业务需要有不同的实现。
 *  文件服务转换完成后回调业务系统。此方案可能需要实现不同的业务回调接口。
 *  文件服务器返回一个事先生成的URL，在文件转换完成时返回特定状态码，在转换完成后，返回文件。对于某些场景无法事先生成URL，例如office转图片，一个文档会转成多张图片，转换前无法得知图片URL

目前主流做法是第一种，不过为保证文件服务器的适用性，需要能支持多种方案。故对转换后的通知也基于事件进行处理，转换后创建对应事件，关注该事件的对象来做出对应的处理。一个可能处理流程如下：

*  上传完成后，文件服务器返回原始文件地址以及token。业务系统在redis针对此token创建监听
 *  文件服务器在转换完成后创建转换事件，转换事件监听对象监听到此事件后，向redis发送通知
 *  业务系统接收到通知，更新URL

另外对于下载来说，实际直接通过Nginx这样的web服务器就可以了，所以下载模块可以直接独立。对于配置模块来说，配置可以分为两种：

*  文件服务自身需要的配置信息。例如：上传文件目录。这属于「静态配置」
 *  各个调用系统需要的各自的配置。例如：某些系统需要切100\*100的图，而有些系统需要切200\*200的图。这属于「动态配置」

「静态配置」可以使用属性文件进行配置即可。「动态配置」需要根据不同的系统进行相应的配置，故针对图片和视频等资源配置，创建对应的配置类，根据参数通过Respository动态构建。整体结构如下：

![架构设计：文件服务的设计与实现][ab824565d7e89a959c63389244553423.png]

# 流程调整 #

基于上面的设计，流程需要进行相应的调整。

*  上传流程

![架构设计：文件服务的设计与实现][d1f5824bc3e16bdf7491169fe132aaf9.png]

下载流程不变，多了一个获取转换后文件链接的流程：

![架构设计：文件服务的设计与实现][90d892ddc9ea6f4926133f4cf24e94c9.png]

# 模块调整 #

相应的模块也有调整，新增了一个**消息模块**，用于处理消息的发送与监听。这个消息属于领域事件，所以也放在领域层。

![架构设计：文件服务的设计与实现][20b015961ad6213fdd5b38715b67f2ca.png]

# 架构验证 #

# 业务流程验证 #

**上传流程**：

*  客户端上传文件
 *  通过「安全模块」验证。如果验证失败，返回验证失败信息
 *  如果验证成功，通过「上传模块」上传文件
 *  「上传模块」构建「上传事件」，添加到消息总线中
 *  上传完成，返回用户消息。消息包含原始文件URL，如果需要转换的话，则包含转换对应的token
 *  「转换模块」监听到「上传事件」，根据「配置模块」的配置，进行转换
 *  「转换模块」构建转换消息，添加到消息总线中
 *  对应「监听模块」监听到转换消息，进行后续处理。例如信息入库或通知业务系统

**下载流程**：

*  客户端下载文件
 *  通过「安全模块」验证。如果验证失败，返回验证失败信息
 *  如果验证成功，通过「下载模块」下载文件

**获取真实链接流程**：

*  客户端携带token获取真实链接
 *  「下载模块」根据token查询文件是否转换成功
 *  如果转换成功，则返回转换后的URL
 *  否则返回未转换成功状态码

# 非功能性约束验证 #

*  **安全性**：由「安全模块」保障
 *  **伸缩性**：对于下载来说，可通过CDN处理。对于上传来说，文件服务本身没有状态，可方便扩容
 *  **可用性**：支持多点部署，常用故障转移手段都可使用
 *  **可配置性**：由「配置模块」保障
 *  **扩展性**：基于事件的处理方式，通过添加事件响应对象来进行功能扩展

例如，现在要新增一个「秒传功能」，即对于服务器已经存在的文件，不再进行上传操作，直接返回文件URL！那么需要做如下扩展：

*  新增存储逻辑，用于保存文件地址与文件hash的关系
 *  新增一个检查文件hash的接口，如果hash已存在，返回文件URL，否则返回false
 *  添加一个UploadEvent同步监听事件，当文件上传成功后，对文件取hash，将数据保存到上面创建的表中

上面的修改不需要对现有流程做任何改动。

# 技术选型 #

*  公司核心技术语言为Java，故优先选择使用Java语言开发
 *  框架基于SpringBoot，基于如下考虑：
 *  SpringBoot是目前JavaEE开发事实上的标准框架
 *  可独立部署，亦可以升级到基于SpringCloud的微服务，方便向微服务架构迁移
 *  配置信息决定不使用数据库，而使用属性文件配置，基于如下考量：
 *  静态配置配置后基本不需要修改
 *  动态配置修改几率也不大，如果需要调整，SpringBoot本身支持实时刷新配置
 *  微服务部署，可结合分布式配置服务器实现动态配置
 *  不需要部署数据库，不需要设计表结构，节省部署与设计时间。但是考虑到扩展性，配置逻辑需要抽象，以支持其他持久化方式
 *  转换结果信息使用文件形式存储，基于如下考量：
 *  结果信息是一次读取内容，且频率不高
 *  本身就是文件服务，使用文件存储也合理
 *  不需要部署数据库，不需要设计表结构，节省部署与设计时间

# 实现 #

![架构设计：文件服务的设计与实现][0eb2430b03790ba4bd4a255427795d9b.png]

结构与架构图一致

# 事件实现 #

事件串联了整个上传流程：

*  文件上传，触发UploadEvent
 *  UploadListener监听到UploadEvent，委托各个Converter进行文件处理
 *  转换完成后触发ConvertEvent
 *  ConvertListener监听到ConvertEvent后，进行转换后的信息处理

由于目前大部分是内部事件，故使用Spring事件来处理，代码逻辑如下：

// 配置线程池，Spring默认线程池没有设置大小，如果出现阻塞，可能会出现OOM@Bean("eventThread")
     public TaskExecutor taskExecutor() {
     ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
     // 设置核心线程数，转换是个很耗时的过程，所以直接排队执行
     executor.setCorePoolSize(1);
     // 设置最大线程数
     executor.setMaxPoolSize(1);
     // 设置队列容量
     executor.setQueueCapacity(100);
     // 设置线程活跃时间（秒）
     executor.setKeepAliveSeconds(60);
     // 设置默认线程名称
     executor.setThreadNamePrefix("eventThread-");
     // 设置拒绝策略
     executor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
     // 等待所有任务结束后再关闭线程池
     executor.setWaitForTasksToCompleteOnShutdown(true);
     return executor;
     }
    /**
     * 内部消息总线
     */@Service@EnableAsyncpublic class EventBus implements ApplicationEventPublisherAware {
     private ApplicationEventPublisher publisher;
     @Override
     public void setApplicationEventPublisher(ApplicationEventPublisher applicationEventPublisher) {
     this.publisher = applicationEventPublisher;
     }
     public void add(ApplicationEvent event) {
     publisher.publishEvent(event);
     }
    }
    // 事件类public class UploadEvent extends ApplicationEvent {
     public UploadEvent(Object source) {
     super(source);
     }
    }
    public class ConvertEvent extends ApplicationEvent {
     public ConvertEvent(Object source) {
     super(source);
     }
    }
    // 监听类@Componentpublic class UploadListener {
     @EventListener
     @Async("eventThread") // 使用自定义的线程池
     public void process(UploadEvent event) {
     }
    }
    @Componentpublic class ConvertListener {
     @EventListener
     @Async("eventThread")
     public void process(ConvertEvent event) {
     }
    }

# 配置管理实现 #

为了提高文件服务器的灵活性，对于转换逻辑可进行配置。如果没有进行相应的配置，则不会进行对应的处理。下面的四个类是对各个文件类型的配置：

*  ImageConfig：切图大小
 *  OfficeConfig：转换类型，是否获取页码
 *  PdfConfig：转换类型，是否获取页码
 *  VideoConfig：转换类型，是否获取长度，是否取帧

对应的Respository是对其保存与恢复的仓储类：

*  ImageConfigRespository
 *  OfficeConfigRespository
 *  PdfConfigRespository
 *  VideoConfigRespository

此处基于属性配置来实现（原因请见「技术选型」）！以VideoConfigRespository为例：

@Configuration@ConfigurationProperties(prefix = "fileupload.config")
    public class VideoConfigRespository {
     private List<VideoConfig> videoConfigList;
     /**
     * 根据分组(系统)找到对应的视频配置
     *
     * @param group
     * @return
     */
     public List<VideoConfig> find(String group) {
     if (videoConfigList == null) {
     return new ArrayList<>();
     } else {
     return videoConfigList.stream().filter(it -> it.getGroup().equals(group)).collect(Collectors.toList());
     }
     }
     public List<VideoConfig> getVideoConfigList() {
     return videoConfigList;
     }
     public void setVideoConfigList(List<VideoConfig> videoConfigList) {
     this.videoConfigList = videoConfigList;
     }
    }

通过Spring的ConfigurationProperties注解，将属性文件中的属性配置到videoConfigList中。

# 视频配置
    fileupload.config.videoConfigList[0].group=GROUP1 
    # 默认配置
    fileupload.config.videoConfigList[1].group=GROUP2
    fileupload.config.videoConfigList[1].type=webm 
     # 转换为webm
    fileupload.config.videoConfigList[1].frameSecondList[0]=3 # 取第3秒的图片

# 转换结果实现 #

转换结果通过ConvertResult和ConvertFileInfo表示：

*  ConvertResult中包含了源文件信息，以及多个转换结果。ConvertFileInfo表示一个转换结果
 *  ConvertResult是Entity而ConvertFileInfo是VO
 *  ConvertResult与ConvertFileInfo是一对多的关系
 *  两者构成聚合，其中ConvertResult是聚合根(关于聚合与聚合根请参考[领域设计：聚合与聚合根][Link 2])

ConvertResultRespository是这个聚合的仓储，用于保存与恢复此聚合。此处没有使用数据库，而是直接使用的文本形式保存（原因见「技术选型」）。

@Componentpublic class ConvertResultRespository {
     ......
     /**
     * 保存转换结果
     *
     * @param result
     * @return
     */
     public void save(ConvertResult result) {
     Path savePath = Paths.get(tokenPath, result.getToken());
     try {
     if(!Files.exists(savePath.getParent())) {
     Files.createDirectories(savePath.getParent());
     }
     Files.write(savePath, gson.toJson(result).getBytes(UTF8_CHARSET));
     } catch (IOException e) {
     logger.error("save ConvertResult[{}} error!", result, e);
     }
     }
     /**
     * 查找转换结果
     *
     * @param token
     * @return
     */
     public ConvertResult find(String token) {
     Path findPath = Paths.get(tokenPath, token);
     try {
     if (Files.exists(findPath)) {
     String result = new String(Files.readAllBytes(findPath), UTF8_CHARSET);
     return gson.fromJson(result, ConvertResult.class);
     }
     } catch (IOException e) {
     logger.error("find ConvertResult by token[{}} error!", token, e);
     }
     return null;
     }
    }

# 转换服务实现 #

转换服务根据配置委托对应的工具类来进行相应的操作（代码略）：

*  使用ffmpeg转换视频
 *  使用pdfbox转换pdf
 *  使用libreoffice转换office

# 安全实现 #

*  安全通过Spring拦截器实现
 *  按需求增加对应拦截即可

# 使用 #

提供两个接口：

/**
    * 获取转换后的信息
    */@ResponseBody@GetMapping(value = "/realUrl/{token}")
    public ResponseEntity realUrl(@PathVariable String token) {
     .....
    }
    /**
    * 上传文件
    */@ResponseBody@PostMapping(value = {"/partupload/{group}"})
    public ResponseEntity upload(HttpServletRequest request, @PathVariable String group) {
     .....
    }

*  通过upload接口上传文件，支持分片上传
 *  上传完成后，会返回上传结果，结构如下：

{
     "code": 1,
     "message": "maps.mp4",
     "token": "key_286400710002612",
     "group": "GROUP1",
     "fileType": "VIDEO",
     "filePath": "http://www.abc.com/1556172522968_maps.mp4"
    }

*  其中的filePath是原始文件路径
 *  通过token，使用realUrl接口可以获取转换后的文件信息，结构如下：

{
     "token": "key_282816586380196",
     "group": "SHILU",
     "fileType": "IMAGE",
     "filePath": "http://www.abc.com/SHILU/1/1556164891252_0.jpeg",
     "convertFileInfoList": [
     {
     "fileLength": 0,
     "fileType": "IMAGE",
     "filePath": null,
     "imgPaths": [
     "http://www.abc.com/SHILU/1/1556164891252_0_100_200.jpeg"
     ]
     }
     ]
    }

# 配置 #

## 对外提供服务的域名
    fileupload.server.name=http://www.abc.com## libreoffice home路径
    office.home=/snap/libreoffice/115/lib/libreoffice
    # 文件上传保存路径
    fileupload.upload.root=/home/files
    # 文件服务器动态配置# 图片配置，切100*200的图fileupload.config.imageConfigList[0].group=group1
    fileupload.config.imageConfigList[0].width=100
    fileupload.config.imageConfigList[0].height=200
    # 视频配置
    # 默认配置，转换m3u8
    fileupload.config.videoConfigList[0].group=group1
    # 转换webm，切第3秒的图
    fileupload.config.videoConfigList[1].group=group2
    fileupload.config.videoConfigList[1].type=webm
    fileupload.config.videoConfigList[1].frameSecondList[0]=3
    # office配置，默认转png
    fileupload.config.officeConfigList[0].group=group1
    # 转PDF
    fileupload.config.officeConfigList[0].type=PDF
    # pdf配置，转png
    fileupload.config.pdfConfigList[0].group=group1
    # 上传文件大小，当前端不支持分片上传时设置
    spring.servlet.multipart.max-file-size=1024MB
    spring.servlet.multipart.max-request-size=1024MB

# 总结 #

本文给出了一个文件服务相对完整的架构设计与实现过程。整个架构设计流程如下：

*  梳理业务功能
 *  梳理用例流程
 *  基于业务功能，进行初步的模块划分
 *  结合用例流程进行架构设计，期间可能反过来对模块及流程进行调整
 *  对架构进行验证
 *  业务流程验证：将用例套用到架构中进行验证
 *  非功能性约束验证：模拟非功能性约束场景进行验证
 *  技术选型（架构设计是与技术无关的）
 *  遵循架构设计实现代码，测试（可能调整架构）
 *  完整流程验证，使用说明

整个过程对各个约束做出了对应的决策，并进行了验证。代码结构与架构设计完全匹配。从架构设计图依图索骥即可理解代码逻辑。

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[Link 2]: https://www.toutiao.com/i6682238250024698376/?group_id=6682238250024698376