基于Java Spring Boot的云原生TodoList Demo 项目,验证云原生核心特性

以下是一个基于 Java Spring Boot 的云原生 TodoList Demo 项目，涵盖 容器化、Kubernetes 编排、CI/CD、可观测性、弹性扩缩容 等核心云原生特性，代码简洁且附详细操作指南，适合入门学习。

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项目概览

  • 目标：实现一个支持增删改查（CRUD）的 TodoList 后端服务，通过云原生技术栈部署，展示完整的云原生实践流程。
  • 技术栈：
    • 后端：Java 17 + Spring Boot 3.2（轻量、模块化）
    • 数据库：PostgreSQL（云原生持久化存储）
    • 容器化：Docker
    • 编排：Kubernetes（K8s）
    • CI/CD：GitHub Actions
    • 可观测性：Prometheus（监控） + Grafana（可视化） + Loki（日志）
    • 配置管理：Spring Cloud Config（可选，或直接使用 K8s ConfigMap）

一、项目结构

todolist-cloudnative/
├── src/                    # 核心业务代码
│   ├── main/
│   │   ├── java/com/example/todo/
│   │   │   ├── controller/  # REST 接口
│   │   │   ├── model/       # 数据库实体
│   │   │   ├── repository/  # 数据访问层
│   │   │   ├── service/     # 业务逻辑层
│   │   │   └── TodoApplication.java  # 启动类
│   │   └── resources/
│   │       ├── application.yml  # 主配置
│   │       └── logback-spring.xml  # 日志配置（Loki 集成）
│   └── test/                # 单元测试
├── docker/                  # Docker 相关配置
│   └── Dockerfile           # 容器化构建脚本（多阶段构建）
├── k8s/                     # K8s 部署配置
│   ├── todo-deployment.yaml    # 应用 Deployment
│   ├── todo-service.yaml       # 应用 Service
│   ├── postgres-statefulset.yaml  # PostgreSQL StatefulSet
│   ├── postgres-service.yaml      # PostgreSQL Service
│   ├── configmap.yaml    # 非敏感配置（K8s 注入）
│   └── secret.yaml       # 敏感配置（数据库密码，K8s Secret）
├── prometheus/            # Prometheus 监控配置
│   └── todolist.yml      # 抓取规则
├── .github/               # GitHub Actions 工作流
│   └── workflows/
│       └── deploy.yml    # CI/CD 自动化流程
└── README.md              # 操作指南

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二、核心功能实现（Spring Boot 后端）

1. 初始化项目（Spring Initializr）
  • 访问 https://start.spring.io/，选择：
    • Project: Maven
    • Language: Java
    • Spring Boot: 3.2.0
    • Dependencies:
      • Spring Web（REST 接口）
      • Spring Data JPA（数据库操作）
      • PostgreSQL Driver（数据库驱动）
      • Micrometer Tracing（可观测性）
      • Actuator（健康检查、指标暴露）
2. 数据库模型（src/main/java/com/example/todo/model/TodoItem.java）
import jakarta.persistence.*;
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Builder;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;@Entity
@Table(name = "todo_items")
@Data
@Builder
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class TodoItem {@Id@GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)private Long id;@Column(nullable = false)private String title;private String description;@Column(columnDefinition = "BOOLEAN DEFAULT FALSE")private boolean completed;
}
3. 数据访问层（src/main/java/com/example/todo/repository/TodoRepository.java）
import com.example.todo.model.TodoItem;
import org.springframework.data.jpa.repository.JpaRepository;
import org.springframework.stereotype.Repository;@Repository
public interface TodoRepository extends JpaRepository<TodoItem, Long> {
}
4. 业务逻辑层（src/main/java/com/example/todo/service/TodoService.java）
import com.example.todo.model.TodoItem;
import com.example.todo.repository.TodoRepository;
import lombok.RequiredArgsConstructor;
import org.springframework.stereotype.Service;
import java.util.List;@Service
@RequiredArgsConstructor
public class TodoService {private final TodoRepository todoRepository;public TodoItem createTodo(TodoItem todoItem) {return todoRepository.save(todoItem);}public List<TodoItem> getAllTodos() {return todoRepository.findAll();}public TodoItem getTodoById(Long id) {return todoRepository.findById(id).orElseThrow(() -> new RuntimeException("Todo not found with id: " + id));}public TodoItem updateTodo(Long id, TodoItem updatedTodo) {TodoItem existingTodo = getTodoById(id);existingTodo.setTitle(updatedTodo.getTitle());existingTodo.setDescription(updatedTodo.getDescription());existingTodo.setCompleted(updatedTodo.isCompleted());return todoRepository.save(existingTodo);}public void deleteTodo(Long id) {todoRepository.deleteById(id);}
}
5. REST 接口（src/main/java/com/example/todo/controller/TodoController.java）
import com.example.todo.model.TodoItem;
import com.example.todo.service.TodoService;
import lombok.RequiredArgsConstructor;
import org.springframework.http.HttpStatus;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;import java.util.List;@RestController
@RequestMapping("/api/todos")
@RequiredArgsConstructor
public class TodoController {private final TodoService todoService;@PostMapping@ResponseStatus(HttpStatus.CREATED)public TodoItem createTodo(@RequestBody TodoItem todoItem) {return todoService.createTodo(todoItem);}@GetMappingpublic List<TodoItem> getAllTodos() {return todoService.getAllTodos();}@GetMapping("/{id}")public TodoItem getTodoById(@PathVariable Long id) {return todoService.getTodoById(id);}@PutMapping("/{id}")public TodoItem updateTodo(@PathVariable Long id, @RequestBody TodoItem updatedTodo) {return todoService.updateTodo(id, updatedTodo);}@DeleteMapping("/{id}")@ResponseStatus(HttpStatus.NO_CONTENT)public void deleteTodo(@PathVariable Long id) {todoService.deleteTodo(id);}
}
6. 配置外部化（src/main/resources/application.yml）
spring:datasource:url: jdbc:postgresql://${POSTGRES_HOST}:${POSTGRES_PORT}/${POSTGRES_DB}username: ${POSTGRES_USER}password: ${POSTGRES_PASSWORD}driver-class-name: org.postgresql.Driverjpa:hibernate:ddl-auto: update  # 自动创建表（生产环境建议用 flyway）show-sql: truemanagement:endpoints:web:exposure:include: health, info, metrics, prometheus  # 暴露监控端点endpoint:health:show-details: always

三、容器化（Docker）

docker/Dockerfile（多阶段构建，减小镜像体积）
# 阶段 1：构建 Maven 项目
FROM maven:3.9.6-eclipse-temurin-17 AS build
WORKDIR /app
COPY pom.xml .
# 缓存依赖（仅当 pom.xml 变化时重新下载）
RUN mvn dependency:go-offline -B
COPY src ./src
RUN mvn clean package -DskipTests# 阶段 2：运行 Spring Boot 应用
FROM eclipse-temurin:17-jre-alpine
WORKDIR /app
# 从构建阶段复制 JAR 包
COPY --from=build /app/target/todo-cloudnative-*.jar ./todo.jar
# 暴露 Spring Boot 端口（8080）
EXPOSE 8080
# 启动命令（禁用 Tomcat 优雅关闭，适配 K8s 探针）
CMD ["java", "-jar", "todo.jar", "--server.port=8080"]

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四、Kubernetes 编排（云原生核心）

1. 配置管理（k8s/configmap.yaml 和 k8s/secret.yaml）

非敏感配置（ConfigMap，注入数据库名、主机等）：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:name: todo-config
data:POSTGRES_DB: "tododb"POSTGRES_HOST: "postgres-service"  # K8s Service 名称（服务发现）

敏感配置（Secret，注入数据库用户、密码，需 base64 编码）：

# 生成 base64 编码（实际生产建议用外部密钥管理系统如 HashiCorp Vault）
echo -n "admin" | base64   # 用户名
echo -n "mypassword" | base64  # 密码
echo -n "5432" | base64    # 端口

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:name: todo-secret
type: Opaque
data:POSTGRES_USER: "YWRtaW4="       # "admin" 的 base64POSTGRES_PASSWORD: "bXlwYXNzd29yZA=="  # "mypassword" 的 base64POSTGRES_PORT: "NTQzNg=="       # "5432" 的 base64
2. PostgreSQL 部署（k8s/postgres-statefulset.yaml）
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:name: postgres
spec:serviceName: postgres-servicereplicas: 1  # 生产环境建议 3 副本 + 主从复制（Patroni）selector:matchLabels:app: postgrestemplate:metadata:labels:app: postgresspec:containers:- name: postgresimage: postgres:15-alpineenv:- name: POSTGRES_USERvalueFrom:secretKeyRef:name: todo-secretkey: POSTGRES_USER- name: POSTGRES_PASSWORDvalueFrom:secretKeyRef:name: todo-secretkey: POSTGRES_PASSWORD- name: POSTGRES_DBvalueFrom:configMapKeyRef:name: todo-configkey: POSTGRES_DBports:- containerPort: 5432volumeMounts:- name: postgres-datamountPath: /var/lib/postgresql/datavolumeClaimTemplates:  # 持久化存储（云原生存储卷，如 AWS EBS、阿里云盘）- metadata:name: postgres-dataspec:accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]resources:requests:storage: 1Gi
3. Todo 服务部署（k8s/todo-deployment.yaml）
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: todo-deployment
spec:replicas: 2  # 初始副本数（弹性扩缩容基础）selector:matchLabels:app: todotemplate:metadata:labels:app: todospec:containers:- name: todoimage: your-docker-username/todolist:v1  # 替换为实际镜像地址ports:- containerPort: 8080env:- name: POSTGRES_USERvalueFrom:secretKeyRef:name: todo-secretkey: POSTGRES_USER- name: POSTGRES_PASSWORDvalueFrom:secretKeyRef:name: todo-secretkey: POSTGRES_PASSWORD- name: POSTGRES_HOSTvalueFrom:configMapKeyRef:name: todo-configkey: POSTGRES_HOST- name: POSTGRES_PORTvalueFrom:secretKeyRef:name: todo-secretkey: POSTGRES_PORT- name: POSTGRES_DBvalueFrom:configMapKeyRef:name: todo-configkey: POSTGRES_DBlivenessProbe:  # 存活探针（自动重启异常实例）httpGet:path: /actuator/healthport: 8080initialDelaySeconds: 30periodSeconds: 10readinessProbe:  # 就绪探针（流量路由前检查）httpGet:path: /actuator/healthport: 8080initialDelaySeconds: 5periodSeconds: 5resources:  # 资源限制（K8s 调度依据）requests:cpu: "100m"memory: "256Mi"limits:cpu: "500m"memory: "512Mi"
4. 服务暴露（k8s/todo-service.yaml 和 k8s/todo-ingress.yaml）

ClusterIP Service（内部访问）：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: todo-service
spec:type: ClusterIPselector:app: todoports:- protocol: TCPport: 80targetPort: 8080

Ingress（外部访问，需安装 NGINX Ingress Controller）：

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:name: todo-ingressannotations:nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
spec:rules:- http:paths:- path: /todospathType: Prefixbackend:service:name: todo-serviceport:number: 80

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五、CI/CD 自动化（GitHub Actions）

.github/workflows/deploy.yml
name: Deploy to Kuberneteson:push:branches: [ "main" ]jobs:build-and-push:runs-on: ubuntu-lateststeps:- name: Checkout codeuses: actions/checkout@v4- name: Set up JDK 17uses: actions/setup-java@v4with:java-version: '17'distribution: 'temurin'- name: Build with Mavenrun: mvn clean package -DskipTests- name: Set up Docker Buildxuses: docker/setup-buildx-action@v3- name: Login to Docker Hubuses: docker/login-action@v3with:username: ${{ secrets.DOCKERHUB_USERNAME }}password: ${{ secrets.DOCKERHUB_TOKEN }}- name: Build and push Docker imageuses: docker/build-push-action@v5with:context: .file: docker/Dockerfilepush: truetags: your-docker-username/todolist:latest,your-docker-username/todolist:${{ github.sha }}deploy-to-k8s:needs: build-and-pushruns-on: ubuntu-lateststeps:- name: Checkout codeuses: actions/checkout@v4- name: Set up kubectluses: azure/setup-kubectl@v3with:version: 'v1.28.0'- name: Deploy to Kubernetes clusterrun: |# 替换镜像标签为最新提交 SHAsed -i "s|your-docker-username/todolist:v1|your-docker-username/todolist:${{ github.sha }}|g" k8s/todo-deployment.yaml# 应用 K8s 配置kubectl apply -f k8s/env:KUBECONFIG: ${{ secrets.KUBECONFIG }}  # 从 GitHub Secrets 读取集群配置

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六、可观测性配置

1. Prometheus 监控（prometheus/todolist.yml）
scrape_configs:- job_name: "todo_service"scrape_interval: 15smetrics_path: "/actuator/prometheus"static_configs:- targets: ["todo-service:80"]  # K8s Service 域名（集群内部可解析）
2. 日志集成（Loki）
  • 在 logback-spring.xml 中配置 Logstash 或直接输出 JSON 格式日志：
    <configuration><appender name="CONSOLE" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender"><encoder class="net.logstash.logback.encoder.LogstashEncoder"/></appender><root level="info"><appender-ref ref="CONSOLE"/></root>
</configuration>
  • 使用 Promtail 收集日志并发送到 Loki（需额外部署 Promtail）。
3. Grafana 仪表盘（示例查询）
  • 请求速率：rate(http_server_requests_seconds_count{job="todo_service"}[5m])
  • 平均延迟：rate(http_server_requests_seconds_sum{job="todo_service"}[5m]) / rate(http_server_requests_seconds_count{job="todo_service"}[5m])
  • JVM 内存使用：jvm_memory_used_bytes{area="heap"}

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七、云原生特性验证

1. 容器化
  • 本地构建镜像：docker build -t todolist:v1 -f docker/Dockerfile .
  • 运行测试：docker run -p 8080:8080 todolist:v1，访问 http://localhost:8080/api/todos 验证接口。
2. Kubernetes 部署
  • 本地搭建 K8s 集群（Minikube 或 Kind）：minikube start
  • 应用配置：kubectl apply -f k8s/
  • 查看状态：kubectl get pods,svc,ingress。
3. 弹性扩缩容
  • 手动扩缩容：kubectl scale deployment/todo-deployment --replicas=3
  • 自动扩缩容（HPA）：
    apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:name: todo-hpa
spec:scaleTargetRef:apiVersion: apps/v1kind: Deploymentname: todo-deploymentminReplicas: 2maxReplicas: 10metrics:- type: Resourceresource:name: cputarget:type: UtilizationaverageUtilization: 70  # CPU 使用率超 70% 自动扩容
4. 故障自愈
  • 手动删除 Pod：kubectl delete pod <pod-name>，观察 K8s 自动重建新 Pod（状态变为 Running）。
5. 持续交付
  • 推送代码到 GitHub main 分支，触发 GitHub Actions 自动构建、测试、部署。

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八、总结

通过这个 TodoList Demo，你可以完整体验云原生应用的核心流程：

  1. 容器化：用 Docker 封装应用，确保环境一致性。
  2. Kubernetes 编排：通过 Deployment、Service 等资源实现自动化管理。
  3. CI/CD：GitHub Actions 实现代码提交到生产的全自动化。
  4. 可观测性：Prometheus + Grafana 监控性能，Loki 收集日志。
  5. 弹性扩缩容：HPA 根据负载自动调整资源，保障高可用。

后续可扩展方向：

  • 微服务拆分（如用户服务、待办服务），用 Istio 实现服务网格。
  • 引入数据库读写分离（主从复制）。
  • 添加认证鉴权（OAuth2、JWT）。
  • 使用 Helm 打包 K8s 配置，简化多环境部署。

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