一、背景介绍
（一）课程预览
Ø What？
基于Spring boot 框架 + Cassandra数据库，实现一个支持海量用户 的用户管理系统。
Ø Why？
Spring Boot大幅简化了应用搭建和开发的成本，Cassandra作为开源分布式数据库，既具备NoSQL数据库高性能，高可用，海量无限扩展的特点，又具备类似关系型数据库的数据模型，非常适合开发在线应用。
Ø Who？
Web开发入门者，希望深入了解Cassandra设计和使用的用户。
Ø How？
本文将从设计开始，手把手教用户实现一个用户管理系统
（二）Spring Data for Cassandra简介
1.Cassandra
- 去中心化，海量数据扩展能力；
- Zero Down Time；
- 支持二级索引，物化视图，集合等实用功能；
- 被Apple，Netflix，360，华为等大公司广泛采用。
2.Spring Data
- 强大的存储库和灵活的抽象映射；
- 便于与Spring MVC controller 集成；
- 支持MySQL，Redis，Redis，ES，Cassandra等数据库。
3.Spring Data for Cassandra
- 降低CQL语言的学习成本，提升开发速度；
- 支持同步，反应式和异步等多种模式；
- 支持用户自定义复杂查询；
- 一套代码支持MySQL冷热分离，ES加速查询，Redis缓存等多种玩法。
（三）准备工作
准备工作主要分为以下三个步骤：
1. 购买Cassandra集群
1）购买Cassandra云服务
2）用户密码：云Cassandra控制台-> 集群详情->账号管理页面
3）链接URL：在数据库连接页面
2. 配置集群
1) 云Cassandra控制台 -> 集群详情-> 数据库连接页面开通公网链接
2) 云Cassandra控制台-> 集群详情-> 数据安全页面配置本机IP到白名单
3. 配置开发环境
1）下载并安装Idea开发环境
2）在Spring模版生成器中生成项目模版
3）将生成好的项目导入Idea
当完成上述步骤后，用户可以获得一个工程，如下所示：
这个工程是空的，里面只有一个Main函数可以执行，其他功能需要后续操作进行添加。
二、系统设计
（一）需求分析
需求分析主要分为三部分：数据需求、功能需求和其他需求。
1.数据需求
由于要做的是用户管理系统，用户的数据存储在Cassandra数据库中。用户数据可分为以下几个属性：用户ID、用户名、密码与用户年龄，后续可根据需求扩展更多用户信息，例如email，电话号码，住址等。
2.功能需求
功能一般分为增删改查4个部分。
增指的是在系统中增加一个新的用户，删指的是把用户信息删除，改指的是修改用户信息，查则较为复杂。查询可以包含很多场景，例如基于用户ID查询，基于用户年龄查询，或者要展示全部用户的信息。
3.其他需求
除了上述基本功能需求外，还需要注意以下四点：
1）高并发高性能
用户可能会频繁更新同一条数据，或者系统需要支撑100万个用户同时注册的场景，或者当有1亿个用户的时候，能不能快速展示全部用户，以上都属于高并发高性能场景。
2）可扩展性
系统功能在设计初期，可能有一些地方没有考虑到，例如初期没有设计通过电子邮箱地址搜索用户的功能，后续有需求需要添加这个功能，因此对可扩展性有一定的要求。
3）开发敏捷
系统最开始的功能可能开发起来并不会特别复杂，但随着系统的累加，功能会越来越复杂，因此需要注意开发敏捷性。
4）美观
该系统作为外部服务，会存在与用户交互的界面，因此希望这个界面对用户足够友好。
（二）Schema设计
需求完成后，我们接下来需要做的事情是设计一个Schema。
这里需要注意，一定要先完成Schema的设然后再去实现功能，否则可能会导致系统性能会出现一些瓶颈。
分析刚才的数据，由于ID字段是唯一的，因此可以把ID字段放在主键的位置。
主键有几个要求，首先要符合用户查询常见维度，例如上方提到的用户查询，有可能通过用户ID、年龄等信息进行查询。
将ID作为主键而不是年龄的原因在于，一方面是年龄的区分度不够，很多用户拥有同样的年龄，如果以年龄做主键的话，可能会导致相同年龄的数据很多，必然要年龄后面再结合一个其他字段去保证主键的唯一。
其次，年龄作为主键可能会存在热点问题，比如所有的用户都是20~25岁，那么数据都会集中在分片，导致分片非常不均匀。
那么，把ID放在主键是不是就可以解决这些问题了呢？
这要看ID本身是否足够打散，如果是随机生成一些ID，则数据本身非常均匀。如果ID是自增的，这对于Cassandra来说并不是一个特别好的选择。对于Cassandra的ID，我们希望尽可能去打散。当然，如果说ID把它放在Partition Key的话，因为它本身是有一些哈希可以去做打散的，因此也是可行的。
但是如果把ID放在Partition Key的话，Partition Key本身是不做排序，因此想查询ID在5~100范围内的所有用户，这个查询无法实现。由于这次的系统设计较为简易，没有排序的要求，因此设计当中没有包含这项功能。
除此之外，有一个基于age字段做查询，age字段不在主键中出现。如果现在不对它建一个二级索引，它本身会转化成一个过滤逻辑，类似于全表扫描，如果数据量较小则没有问题。由于设计的目标是一个较大的用户管理系统，数据存储可能是几千万条甚至几亿条，在这些数据当中过滤出来年龄符合一定要求的存在一定难度，因此建一个二级索引加速查询。
创建二级索引的DDL如下所示：
（三）CQL设计
CQL设计遵循增删改查原则，实现方式如下。
1.增
insert into test_keyspace.user(id, age, username, password) values(20, 18,'apple','banana');
2.删
可以根据具体id进行删除，如：
delete from test_keyspace.user where id=20;
3.改
更改分为两个部分，第一部分是更改的字段，第二部分是更改的数据，如要把id为2的用户年龄改为20，则实现语句如下：
update test_keyspace.user set age=20 where id=2;
4.查
查询分为多个方式，如果查询所有数据，则：
select * from test_keyspace.user ;
如果根据ID查询，例如id为2的用户：
select * from test_keyspace.user where id=2 ;
如果根据年龄查询，例如年龄为2的用户：
select * from test_keyspace.user where age=2 ;
如果数据量少，不需要二级索引，通过年龄进行过滤查询：
select * from test_keyspace.user where age=2 allow filtering ;
n 此处必须加上allow filtering属性，否则Cassandra可能会拒绝查询。
三、编码实战
（一）代码框架
Ø 框架主要由以下几个部分构成：
1）UserController：控制层，负责与前段交互，页面跳转
2）UserService：业务层，负责处理业务逻辑
3）User Repo：DAO层，负责访问数据库获取数据
4）CassandraConfig：存储Cassandra集群的访问配置
5）Resource：前端页面位置
整个代码按照MVC的设计分成数个模块。前端模块会提供三个网页，一个是list.html，用来展示User；第二个是userAdd.html，增加一个user；最后一个是userEdit.html，表示更新一个user。
所有的html会把请求发到控制层和前端做交互，包括获取数据发到前端做展示，跳转到某个页面，这些都是在控制层进行。
控制层下面是业务层，传统的业务层更多的是处理一些业务的请求。我们这次的系统相对简单，业务层主要承担的作用是把DAO层的数据返回给上面的控制层。同时，业务层也会做一些简单的处理，比如统计一些用户的数目，然后将这些信息发给控制层。
最下面是DAO层，可以跟Cassandra做一一映射，负责Cassandra数据库的访问和链接。
（二）增删改查
1.Cassandra访问配置
在访问Cassandra之前，首先要进行访问配置。CassandraConfig本身就是在Spring Data框架里，需要继承AbstractCassandraConfiguration去定义需要的信息。
这里面包括了hostList，即数据库的连接串，这些信息可以在Cassandra管理页面找到。
第二个是keyspaceName，即访问的keyspace的具体名字。
第三个就是访问的用户名和密码，做权限的验证。
最后一个是datacenter，它其实也可以在云控制台里面去找到。在云控制台上它叫数据中心ID，不叫数据中心名称，通常情况是一个CN开头的字符串。
值得一提的是底下会有一个cassandraSession实现，它发送用户名和密码帮助Cassandra连接。
2.DAO层
Ø 定义User对象，并指定id对应user表的PrimaryKey
完成配置后开始定义数据。刚才存的是User，这个类对应到Cassandra当中是Table表，它有4个字段，分别是ID，UserName，Password和Age。这里面有一个@PrimaryKey的定义，作用是告知Cassandra框架，ID字段是一个PrimaryKey，它是一个BIGINT。除此之外，这个实体实现了一些简单的Get和Set的方法。
Ø DAO层只需要继承CassandraRepository即可实现基本的增删改查，对于带条件的增删改查通过@Query的方式支持。
如何把实体对象真正的去与Cassandra进行读取？对于DAO层，Spring Data也做了很多事情。
如上图所示，CassandraRepository实现了很多基本的Cassandra访问，比如findAll是获取一张表里所有的数据，findAllById是可以通过ID获取一个数据，insert是插入一条数据。有了这些之后，可以实现基本的增删改操作。
如果想实现的查询比较复杂，例如基于年龄做查询，可以做一个新的interface，让userRepository继承CassandraRepository，在里面定义一种新的查询叫findByAge。Spring Data支持@Query关键词，它定义了要访问的数据。
3.Service层
Ø 通过AutoWired标记链接DAU层；
Ø 本例子中业务逻辑比较简单，并未包括复杂的处理，实际开发过程中Service中可以处理复杂业务逻辑。
这里有几个需要关注的点：
第一个是类本身为@Service关键词进行标记。第二个是AutoWired属性，可以将UserRepository和Service层链接。第三个是实现了getUserNum，可以去userRepository拿到所有的数据，然后调size。
4.Controller层
Ø @RequestMapping来映射请求，也就是通过它来指定控制器 可以处理哪些URL请求, 函数返回值标记跳转的页面地址；
Ø 返回值通过model.addAttribute返回前端。
（三）前端页面
前端页面的实现代码可在GitHub上查看。
左下角的add按键可以添加新用户，后右上角的Edit和Delete，可以对用户进行修改与删除。下方的搜索用户功能，可以根据年龄搜索用户。
四、总结
（一）功能演示
1.前端页面
2.添加用户
3.修改用户
4.按年龄搜索用户
（二）演示总结
通过上述讲解与演示，可以总结出设计系统主要有以下步骤组成：
1. 明确需求
- 需要存储什么数据
- 需要什么查询语句
2. 设计表结构
- 主键设计
- 二级索引
3. MVC实现
- 基于Model实现控制器
- 实现前端展示
n 进阶思考：
1）系统需要处理高并发，如这是一个用户点击统计，有一列是点击次数，如何能统计出用户点击的精确次数？
2）如果该用户系统需要支持100w tps/qps每秒，应该如何继续迭代？
（三）更多高级功能 - Serverless Cassandra
阿里云推出了一个新的服务叫Serverless Cassandra，核心是解决用户的资源管理成本和稳定性问题。
传统模式存在几个问题：
第一，可能用户的服务本身体量很小，如果购买数据库服务的话，起步门槛较高，成本对于用户来说不太友好。
第二，如果在使用Cassandra的过程中，用户的网站做大了，此时传统数据库需要不停地运维和规划，需要通过人为触发来扩展数据库。
第三，传统资源管理的方式需要提前规划资源，可能造成较大的资源浪费。例如用户的服务在晚上请求量较低，但在配置时需要按照高请求量场景进行配置，成本较高。
Serverless Cassandra无需任何数据库管理，实例运行于庞大的资源池 ，按使用量计费，如用电一般，随取随用，适用于不频发的、间歇性的或不可预测的工作负载。
Ø Serverless Cassandra适用场景
1）变化或不可预测的工作负载
2）定时处理任务的场景
3）新上线应用
4）完全免运维的用户
Ø Serverless Cassandra三大特性
1）简单易用
全托管，无需数据库管理；
开源标准接口，应用0 改造；
丰富生态和周边工具配套
2）经济高效
超低门槛
存储计算独立计费
按使用量计费
多存储/ 可用性级别
3）按需弹性
存储计算独立伸缩
无需容量规划，自动伸缩
