《抢选课系统》 CSDN地址
设计并开发一个抢选课系统,可以支持用户登录、浏览课程、创建抢课详情等功能,另外还需要实现学生抢课的功能设计,能应对万名学生的并发使用,对出现的各种并发问题进行解决,并在Linux服务器上部署。项目利用JMeter工具进行压力测试,对比了采用缓存、消息队列等手段对于提高系统响应速度并发能力的效果。
- 登录、注册、注销
- 显示课表详情、显示选课详情
- 抢课、查看抢课结果
- 项目部署、压测
- Redis
- RabbitMQ
- MySQL
- SpringBoot
- Maven、Git、Docker
- Jmeter、Postman
在学生抢课的过程中,为了减轻数据库的压力,节省数据库资源,通过自定义限流注解、使用内存、Redis形成多级缓存来减少到达MQ的流量;通过RabbitMQ解决异步返回抢课结果的问题,并对流量进行削峰,从而降低数据库的流量压力;使用SpringBoot框架来降低开发难度,减轻代码负担;使用Maven管理项目、使用Git管理代码、使用Docker部署项目;使用Jmeter进行并发压测,使用Postman进行接口测试。
1w并发量 | 场景 | 系统吞吐量提高 |
使用限流注解 | 访问课程列表 | 791% |
使用消息队列 | 抢课 | 95% |
使用Redis缓存 | 抢课 | 8% |
使用内存缓存 | 抢课 | 28% |
SQL优化 | 抢课 | 15% |
GrabCourses
├─ MainApplication.java
├─ annotation # 自定义限流注解
│ └─ AccessLimit.java
├─ config # 相关中间件配置
│ ├─ RabbitMQConfig.java #
│ ├─ RedisConfig.java
│ └─ WebConfig.java
├─ context # 用于封装当前用户
│ └─ UserContext.java
├─ controller # 负责协调各部件完成任务
│ ├─ courses
│ │ ├─ CoursesController.java
│ │ └─ SecKillController.java
│ └─ user
│ ├─ LoginController.java
│ └─ RegisterController.java
├─ dao # 数据访问层
│ ├─ CoursesDao.java
│ ├─ OrderDao.java
│ └─ StudentDao.java
├─ domain # 实体类
│ ├─ Courses.java
│ ├─ OrderInfo.java
│ ├─ SecKillCourses.java
│ ├─ SecKillOrder.java
│ └─ Student.java
├─ exception # 管理全局异常
│ ├─ GlobalException.java
│ └─ GlobalExceptionHandler.java
├─ interceptor # 全局拦截器
│ └─ AccessInterceptor.java
├─ message # 封装消息
│ └─ SecKillMessage.java
├─ mq # 消息中间件
│ ├─ MQReceiver.java
│ └─ MQSender.java
├─ redis # 运用模板设计模式命名Key
│ ├─ KeyPrefix.java
│ ├─ BasePrefix.java
│ ├─ AccessLimitKey.java
│ ├─ CoursesKey.java
│ ├─ OrderKey.java
│ └─ StudentKey.java
├─ resolver # 自定义方法参数解析器
│ └─ UserArgumentResolver.java
├─ result # 封装返回类型和错误代码
│ ├─ CodeMsg.java
│ └─ ServerResponse.java
├─ service
│ ├─ CoursesService.java
│ ├─ OrderService.java
│ ├─ SecKillService.java
│ └─ StudentService.java
├─ utils # 工具类
│ ├─ MD5Util.java
│ ├─ UUIDUtil.java
│ └─ ValidateSaltUtil.java
└─ vo # 封装传输数据
├─ CoursesVO.java
└─ LoginInfoVO.java
- 客户端登录时避免明文密码在网络中传输,所以在客户端界面直接进行第一次MD5;
- MD5的密码传输至服务端时,需要随机生成salt进行二次MD5,保存salt和两次MD5结果至数据库中。
- UUID方式生成Token,Redis保存(前缀+Token)-Student的键值信息模拟Session;
- 将Token写到Cookie中跟随Response返回,设置Path为顶级域名之下。
- 封装服务端响应对象 ServerResponse 以及状态码消息对象 CodeMsg ;
- 实现用户登录,批量注册学生用户逻辑;
- 自定义方法参数解析器用于获取请求中包含的Token值,并查询Redis封装成User。
-
前端直接对输入的账号密码长度进行校验;
-
后端使用JSR和Hibernate提供的校验注解对前端传入参数进行校验。
- 对所有请求进行拦截,如果接口含有自定义限流注解,则读取注解的设定值;
- 并按照设定值将该用户的Key存储到Redis,Value为登录次数,设置存活时间,存活时间内登录次数如果超过设定值,则拒绝后续访问。
- 插入课程表数据;
- 通过连接普通课程表和抢课课程表,查询出抢课课程的全部信息;
- 将所有课程表展示在courses_list中,单个课程的全部信息展示在课程详情页courses_detail中。
- 通过Spring声明式事务,保证减少课程容量、创建普通课程情况以及创建抢课课程情况三步的原子性;
- 抢课倒计时刷新由前端完成,后端仅仅在查看商品详情时返回一次计算的剩余时间即可,保证所有客户端的秒杀时间能够同步,以后端为准。
-
使用消息队列对短时间内的大流量进行削峰,此时消息队列内有大量消息,如果不及时处理队列中的消息,会引发消息过期、消息处理慢、RabbitMQ负载压力大等问题,所以要想办法把不必要的消息在进入消息队列之前剔除。
- 通过多级缓存减少进入消息队列的流量。
- 增加消费者处理消息。
- 消息丢失是消息中间件老生常谈的问题,在设计时必须考虑到。消息丢失主要发生在涉及消息传递的过程中,包括生产者->交换机,交换机->队列,队列->消费者,也可能因为消息过期、RabbitMQ重启、消费者未成功消费原因导致。
- 但是实际上,对于100人、500人、1000人,5000人抢一节30容量的课的情况来说,抢到的人占少数,抢不到课才是理所应当的,所以对于一些同学的抢课请求消息偶然的丢失,其实是可以无视的,但是为了维护系统可靠性,我还是决定对该问题进行处理。
- 我使用了生产者确认模式、消息与队列持久化、消费确认、建立死信队列处理过期消息来解决该问题。
- 大流量的访问Redis缓存,如果Redis不存在相对应的Key,那么所有请求都会落在数据库上,造成数据库压力大直至崩溃。
- 因为界面上显示能点击进行抢课的课程都已经预先加载在Redis中了,所以理论上不存在缓存穿透的问题。
- 但是为了预防一些不法分子故意访问界面不存在的课程来攻击系统,所以在设计时还是需要考虑该问题。
-
Redis缓存:可以在Redis的前面上再加上一个过滤器来减轻Redis压力,考虑使用布隆过滤器或者内存缓存。使用布隆过滤器的话只能判断课程是否存在而且可能误判,但是无法判断课程是否被抢光;而使用内存缓存的话,对于不存在和已经抢光的课程都可以在访问Redis之前拒绝访问,因此我采取使用内存缓存的方案。
-
内存缓存实现:在内存中维护一个HashMap,用Key存储课程ID,Value存储是否抢光,如果Redis中判断课程抢光,修改HashMap中的Value为true,后续的请求就全被内存缓存拦截,减轻了Redis的压力。
-
- 通常情况,我们会为缓存设置一个过期时间。而如果在一个资源的缓存过期以后(或者还未来得及缓存),瞬间涌入大量查询该资源的请求会一股脑的奔向数据库,数据库可能秒秒钟挂掉。这种情况我们称之为缓存击穿。
- Redis 中大量的 key 同时失效,这时大量请求会一股脑的奔向数据库,数据库可能秒秒钟挂掉,这种情况我们称之为缓存雪崩。
-
在本项目中,大量的请求访问的都是课程余量和抢课记录,如果课程余量或者抢课记录的Key过期,大量请求就会访问数据库。因此在Redis中加入课程库存和抢课记录的的Key时,将Key设置为永不过期,这样可以避免缓存过期失效导致的缓存击穿和雪崩问题。
-
- 进一步思考,将缓存设置为永不过期时,需要考虑Redis的缓存容量问题,大量存在永不过期的缓存是否会导致Redis缓存容量不足?
-
在本项目中,课程容量和抢课记录的Key采用String数据类型,为方便计算,假设每节课的容量都相等,理论上来说,有多少个开放抢课的课程,就会建立多少个课程容量的Key;有多少位学生抢到课程,就会创建多少条抢课记录,因此,课程容量和抢课记录的Key总数量 = 开放抢课的课程数 + 开放抢课的课程数*开放抢课的课程容量 。数据量不算大,因此在本项目的环境中,不会造成存在大量永不过期的缓存导致Redis缓存不足。
-
- 我通过对SQL语句和运行日志的分析,发现是多线程并发更新数据库课程余量导致的问题。多个线程同时读取课程的余量,其中一个线程读取余量后减1,此时余量已经为0了,但其他线程读取的余量未及时更新,在实际课程余量已经不足的情况下,余量依然在减,导致该课程余量为变为负数,选课数超过抢课的预期。
- 使用MySQL悲观锁,在select课程余量的时候加入for update,这样保证不会有多个线程同时读取课程余量,这样就保证了扣减库存的操作串行执行
- 这个方式并发效率低,并且如果释放锁过程出现问题,容易导致死锁问题。
- 使用MySQL乐观锁,加入对版本号的更新和判断
- 这个方式在高并发情况下会出现大量的版本冲突和重试,占用和浪费了CPU性能,影响吞吐量。
- 使用Synchonized锁住读取课程余量和减少课程余量的代码块,代码量简单,只需要加入Synchonized关键字
- 这个方式并发效率低,并且只能在单JVM中起作用,不支持分布式系统。
- 使用Redis分布式锁
- 这个方式需要解决Redis分布式锁带来的一系列问题:加锁和设置过期时间的原子性、锁超时的续约问题等等,增大了代码难度。
- 使用Where条件,直接在课程余量的update语句中加入courses_stock > 0 的判断
- 这个方式实现简单,并且在压测过程中一直保持有效,采用该方法,可以配合unsigned非负字段限制使用,进一步保障余量不为负数。
- 使用MySQL悲观锁,在select课程余量的时候加入for update,这样保证不会有多个线程同时读取课程余量,这样就保证了扣减库存的操作串行执行
- 因为采用了Where条件方式,在数据库层面解决超卖问题。所以需要减少到达数据库的流量来降低数据库的压力。可以在请求到达MySQL之前,使用Redis进行余量预减,在余量已经为负的情况下把不必要达到数据库的请求进行拦截
-
可以使用Redis来进行缓存预热,在服务启动时将数据库中课程ID作为Key,余量作为Value,想要对数据库进行操作前,先对Value-1,判断Value大于0后才放行进入数据库进行操作。这里可以用Redis的decr操作来保证Redis的原子性。
-
-
在本项目中,会出现Redis中的课程余量与数据库中的课程余量不一致的问题。我们无需顾虑Redis中的课程余量是否与数据库同步,他的作用仅仅只是为了阻挡多余的请求透穿到DB,起到一个保护的作用,它类似于一个挡箭牌,帮我们阻挡住那些不必要到达数据库的请求。真正且正确的课程余量位于数据库中。
-
生成Session
- 当用户登陆时,服务器生成一个全局唯一的字符串
SESSION:模板前缀+token
做为redis中String数据结构的Key名,然后将Token加入Cookie返回给客户端。 之后该用户的后续请求都会带上此Cookie, 我们编写一个AccessInterceptor类,其作用为读取请求中的Cookie中的Token,从Redis中取出该Token对应的数据,然后放到ThreadLocal中以供后续使用。
- 当用户登陆时,服务器生成一个全局唯一的字符串
-
Session过期
- 使用Redis自带的过期功能expire为Session设置过期时间,默认设置为1天。
-
Session更新
- 在Redis查询完Session之后,如果Key存在,刷新过期时间。
- 每一个用户的Http请求对应一个线程,每个线程都有自己的用户信息,我们希望这些用户信息能够实现数据隔离,在对本线程的用户数据进行修改时不会影响到别的线程的用户数据。
- 使用ThreadLocal存储当前线程的用户信息。
- Redis缓存中存储着各种各样的Key:用户的Key、课程信息的Key、选课结果的Key、限流注解的Key,而且这些Key有共同的功能也有不同的功能,如果不加以规范,那么这些Key将会杂乱无章,难以管理
- 使用模板设计模式
- 在KeyPrefix中声明两个方法:过期时间expireSeconds()和获取key的前缀getPrefix()。在BasePrefix中实现该方法。
- 在UserKey、OrderKey、CourseKey、AccessLimitKey中继承BasePrefix,并提供根据模板格式实现自己的Key。
- 用户在抢课的时候大概率会对页面进行疯狂刷新,每次刷新都会对后端的接口进行访问,这无疑给后台系统带来了很大的压力,需要拒绝频繁、恶意刷新用户的请求。
- 经过Jmeter压测,实现接口限流后吞吐量提高962.5%!
- 自定义实现注解AccessLimit,放在需要进行流量限制的接口。利用Spring提供的拦截器对每一个请求方法进行判断,是否包含限流注解。
- 对包含限流注解的方法用Redis存储设定时间内的访问次数,如果超过规定的访问次数,拒绝该用户的访问。
- 原本使用HashMap作为内存缓存。但是在压测过程中是高并发的,而HashMap是线程不安全的,虽然压测中使用HashMap并没有出现线程安全问题,但还是将其改为线程安全的ConcurrentHashMap。
- 在初始化ConcurrentHashMap时,根据课程数量直接预设置ConcurrentHashMap大小,避免频繁扩容增大消耗。
- ThreadLocal存在内存泄露问题,需要优化
- 使用完ThreadLocal都调用它的remove()方法清除数据
- 将ThreadLocal变量定义成private static,这样就一直存在ThreadLocal的强引用,也就能保证任何时候都能通过ThreadLocal的弱引用访问到Entry的value值,进而清除掉 。
- 在InnoDB的UPDATE语句中,如果WHERE后面的条件未包含索引列,那么UPDATE执行时就会对所有记录加记录锁 + 间隙锁(相对于锁住全表),并且对全表进行扫描;我们需要对其进行优化
- 为WHERE条件增加索引,在courses_id上加上唯一索引
- 经过EXPLAIN测试,type类型从index变为range
- 经过Jmeter压力测试,抢课系统吞吐量提高115%
UPDATE qiangke_courses
SET stock_count = stock_count - 1
WHERE
courses_id = #{CoursesId} AND stock_count > 0
- 在SELECT语句中,为WHERE条件增加索引,在order_info中为courses_id和student_id加上索引;
- 将*替换为具体字段,减少传输数据的大小;
- 经过EXPLAIN测试,搜索行数减少81.5%
- type从ALL优化为ref
EXPLAIN SELECT
student_id,nickname,courses_name,create_date
FROM
qiangke_student qs
INNER JOIN order_info oi ON qs.id = oi.student_id
WHERE
oi.courses_id = 3;
- 在qiangke_order中为student_id和courses_id加上唯一组合索引
- 将type从ALL优化为const
EXPLAIN SELECT
*
FROM
qiangke_order
WHERE
student_id = 19191234
AND courses_id = 1
- 可以进阶架构为分布式架构,构建微服务,并升级缓存为分布式缓存
- 通过Docker容器同时启动多个该项目,使用Nginx进行消息分发、负载均衡
- 使用Redis分布式锁来保持Redis缓存与数据库中的课程余量一致
Processor | AMD Ryzen 5 4600U with Radeon Graphics (12 CPUs), ~2.1GHz |
Memory | 16384MB RAM |
Operating System | Windows 10 家庭中文版 64-bit |
课程容量 | 人数 | 压测场景 | 内存缓存 | Redis缓存 | 消息队列 | 使用索引 | 吞吐量 | 相较提高 |
30 | 10000 | 抢课 | 开启 | 开启 | 开启 | 是 | 1006.7/sec | 23% |
30 | 10000 | 抢课 | 开启 | 开启 | 开启 | 否 | 813.5/sec | 28% |
30 | 10000 | 抢课 | 关闭 | 开启 | 开启 | 否 | 632.3/sec | 8% |
30 | 10000 | 抢课 | 关闭 | 关闭 | 开启 | 否 | 582.4/sec | |
100 | 10000 | 抢课 | 开启 | 开启 | 开启 | 否 | 699.8/sec | 17% |
100 | 10000 | 抢课 | 关闭 | 开启 | 开启 | 否 | 594.6/sec | |
/ | ||||||||
30 | 10000*5 | 抢课 | 开启 | 开启 | 开启 | 否 | 877/sec | |
30 | 10000*5 | 抢课 | 开启 | 开启 | 开启 | 是 | 1016.3/sec | 15% |
/ | ||||||||
30 | 5000 | 抢课 | 开启 | 开启 | 开启 | 否 | 700.2/sec | |
100 | 5000 | 抢课 | 开启 | 开启 | 开启 | 否 | 600.6/sec | |
500 | 5000 | 抢课 | 开启 | 开启 | 开启 | 否 | 594.7/sec | |
1000 | 5000 | 抢课 | 开启 | 开启 | 开启 | 否 | 569.3/sec | |
5000 | 5000 | 抢课 | 开启 | 开启 | 开启 | 否 | 588.9/sec | |
限流注解 | ||||||||
/ | 100 | 访问课程列表 | 开启 | / | / | / | 854.7/sec | 862.5% |
/ | 100 | 访问课程列表 | 关闭 | / | / | / | 88.8/sec | |
/ | 10000 | 访问课程列表 | 开启 | / | / | / | 703/sec | 691.6% |
消息队列 | ||||||||
30 | 10000 | 抢课 | 开启 | 开启 | 开启 | 否 | 903.2/sec | 95% |
30 | 10000 | 抢课 | 开启 | 开启 | 关闭 | 否 | 462.7/sec | |
/ | ||||||||
/ | 10000 | 登录 | / | / | / | 176/sec |
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# 基础镜像
FROM java:8
# 挂载点为/tmp,jar包就会存在这里
VOLUME /tmp
# 拷贝打包好的jar包
COPY GrabCourses-springboot.jar GrabCourses-springboot.jar
# 暴露端口
EXPOSE 8080
# 容器创建后执行jar
ENTRYPOINT ["java","-jar","/GrabCourses-springboot.jar"]
docker build -t chris/grabcourses:1.0 .
[root@VM-12-2-centos docker-GrabCourses]# docker build -t chris/grabcourses:1.0 .
Sending build context to Docker daemon 42.3 MB
Step 1/5 : FROM java:8
---> d23bdf5b1b1b
Step 2/5 : VOLUME /tmp
---> Using cache
---> f019b8640c21
Step 3/5 : COPY GrabCourses-springboot.jar GrabCourses-springboot.jar
---> c41c9a11288d
Removing intermediate container b76f3bc2d10b
Step 4/5 : EXPOSE 8080
---> Running in 3c1a4378d8d4
---> a239e67a7969
Removing intermediate container 3c1a4378d8d4
Step 5/5 : ENTRYPOINT java -jar /GrabCourses-springboot.jar
---> Running in b3ebf9f2963e
---> b60978817fcf
Removing intermediate container b3ebf9f2963e
Successfully built b60978817fcf
docker run -d -p 8083:8080 --name chris-qiangke -e TZ=Asia/Shanghai chris/grabcourses:1.0
[root@VM-12-2-centos docker-GrabCourses]# docker run -d -p 8083:8080 --name chris-qiangke -e TZ=Asia/Shanghai chris/grabcourses:1.0
7e728b22fac7cf3919f9f5a01f6ea338556e32a6e6cd5e3573a166bf7ec6ce64
[root@VM-12-2-centos docker-GrabCourses]# docker ps
CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES
7e728b22fac7 chris/grabcourses:1.0 "java -jar /GrabCo..." 4 seconds ago Up 3 seconds 0.0.0.0:8083->8080/tcp chris-qiangke
079d5ce45451 mysql:5.7.23 "docker-entrypoint..." 5 days ago Up 5 days 0.0.0.0:3306->3306/tcp, 33060/tcp e3-mall-mysql
ce39e25fa82c redis:3.2 "docker-entrypoint..." 5 days ago Up 5 days 0.0.0.0:6379->6379/tcp e3-mall-redis
4790844cf64c rabbitmq:management "docker-entrypoint..." 6 days ago Up 6 days 4369/tcp, 5671/tcp, 0.0.0.0:5672->5672/tcp, 15671/tcp, 15691-15692/tcp, 25672/tcp, 0.0.0.0:15672->15672/tcp Myrabbitmq
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![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/59055ae6a1394a4f9f7cb247a3e84b93.png =500x)
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![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/752c24e83c174fa09f046f2a24ae2104.png =500x)
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/4f0b22dfd7d1451f92313e44aa246ff2.png =400x)
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/db9152b461274c4c94980c31b6c7d9d0.png =500x)
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关闭内存缓存
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开启内存缓存
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/f62fbaa0c0744a4d96f56c3577e3045c.png =600x)
关闭内存缓存
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/8b69ce02440a4a1ca9cd5a29ccac7f53.png =600x)
开启内存缓存
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/4b891440c3cf40de8b8dbf3ecbb24789.png =600x)
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/4d54b76b042f44468fd968f06a42f9ca.png =500x)
关闭消息队列
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/ce8edc9dc9cf44f7a198055e7db7b710.png =600x)
开启消息队列
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/2129e8a1b6134a22a854d54fbe78938b.png =600x)
关闭注解
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/eaa5bb28eb0146628754b61689cc41c5.png =600x)
开启注解
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/c2b70cf7f02740b490c511dbee1ebd80.png =600x)
EXPLAIN SELECT
student_id,nickname,courses_name,create_date
FROM
qiangke_student qs
INNER JOIN order_info oi ON qs.id = oi.student_id
WHERE
oi.courses_id = 3;
添加索引前
添加索引后
EXPLAIN SELECT
student_id,
courses_id
FROM
qiangke_order
WHERE
student_id = 19191234
AND courses_id = 1
添加索引前
添加组合索引后
优化查询字段后(取消*查询)
将索引类型由普通索引变为唯一索引后
通过docker logs 查看错误信息,提示loginInfoVO中的id为null
Field error in object 'loginInfoVO' on field 'id': rejected value [null];
codes [NotNull.loginInfoVO.id,NotNull.id,NotNull.java.lang.String,NotNull];
arguments [org.springframework.context.support.DefaultMessageSourceResolvable: codes [loginInfoVO.id,id]; arguments [];
default message [id]]; default message [不能为null]
经检查发现,在LoginInfoVO类中对Id和Password添加了@NotNull注解,但未对Id和Password提供get和set方法,所以登录过程中后端得到的Id和Password为null,故报错。
项目正常启动,当访问任何页面时,报了自定义的服务端异常错误。查看了项目log,发现报了空指针异常 ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/bb08a1c9b7e54c3da08c6a97ce700944.png =600x)
2022-06-26 13:36:41.407 ERROR 40652 --- [nio-8081-exec-2] y.c.G.exception.GlobalExceptionHandler : null
2022-06-26 13:36:41.407 ERROR 40652 --- [nio-8081-exec-2] y.c.G.exception.GlobalExceptionHandler : java.lang.NullPointerException
使用Exception自带的堆栈追踪进行定位
e.printStackTrace();
java.lang.NullPointerException
at yiming.chris.GrabCourses.interceptor.AccessInterceptor.preHandle(AccessInterceptor.java:54)
定位到是preHandle方法中的语句出现逻辑漏洞,我当时想要在控制台打印出当前线程的用户ID,就在方法中添加了如下语句
System.out.println("当前线程用户: " +UserContext.getStudent().getId());
因为preHandle是全局拦截器,我没加上拦截作用范围,导致在登录的时候就拦截了请求,此时就需要输出当前线程的用户ID,然而用户还没登录,ID自然为空...所以报了空指针异常
解决方案是对拦截器设置排除拦截范围
.excludePathPatterns("/user/**");