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分布式程序員必讀:你與分布式和事務(wù)真的很熟嗎?

云計算 分布式 分布式
本文略長,讀者需要有一定耐心,如果你是高級碼農(nóng)或者架構(gòu)師級別,你可以跳過。本文注重實戰(zhàn)或者實現(xiàn),不涉及CAP,略提ACID。本文適合基礎(chǔ)分布式程序員。由于分布式這個話題太大,事務(wù)這個話題也太大,讓我們從一個集群的一個小小節(jié)點開始談起。

微吐槽

hello,world.

不想了,我等碼農(nóng),還是看看怎么來處理分布式系統(tǒng)中的事務(wù)這個老大難吧!

  • 本文略長,讀者需要有一定耐心,如果你是高級碼農(nóng)或者架構(gòu)師級別,你可以跳過。
  • 本文注重實戰(zhàn)或者實現(xiàn),不涉及CAP,略提ACID。
  • 本文適合基礎(chǔ)分布式程序員:
  1. 本文會涉及集群中節(jié)點的failover和recover問題.
  2. 本文會涉及事務(wù)及不透明事務(wù)的問題.
  3. 本文會提到微博和tweeter,并引出一個大數(shù)據(jù)問題.

由于分布式這個話題太大,事務(wù)這個話題也太大,我們從一個集群的一個小小節(jié)點開始談起。

集群中存活的節(jié)點與同步

分布式系統(tǒng)中,如何判斷一個節(jié)點(node)是否存活?

kafka這樣認(rèn)為:

  1. 此節(jié)點和zookeeper能喊話.(Keep sessions with zookeeper through heartbeats.)
  2. 此節(jié)點如果是個從節(jié)點,必須能夠盡可能忠實地反映主節(jié)點的數(shù)據(jù)變化。

也就是說,必須能夠在主節(jié)點寫了新數(shù)據(jù)后,及時復(fù)制這些變化的數(shù)據(jù),所謂及時,不能拉下太多哦.

那么,符合上面兩個條件的節(jié)點就可以認(rèn)為是存活的,也可以認(rèn)為是同步的(in-sync).

關(guān)于第1點,大家對心跳都很熟悉,那么我們可以這樣認(rèn)為某個節(jié)點不能和zookeeper喊話了:

 

  1. zookeeper-node: 
  2. var timer =  
  3. new timer() 
  4. .setInterval(10sec) 
  5. .onTime(slave-nodes,function(slave-nodes){ 
  6.     slave-nodes.forEach( node -> { 
  7.         boolean isAlive = node.heartbeatACK(15sec); 
  8.         if(!isAlive) { 
  9.             node.numNotAlive += 1
  10.             if(node.numNotAlive >= 3) { 
  11.                 node.declareDeadOrFailed(); 
  12.                 slave-nodes.remove(node); 
  13.                  
  14.                 //回調(diào)也可 leader-node-app.notifyNodeDeadOrFailed(node) 
  15.                  
  16.             } 
  17.         }else  
  18.         node.numNotAlive = 0
  19.     }); 
  20. }); 
  21.  
  22. timer.run(); 
  23.  
  24. //你可以回調(diào)也可以像下面這樣簡單的計時判斷 
  25. leader-node-app: 
  26. var timer =  
  27. new timer() 
  28. .setInterval(10sec) 
  29. .onTime(slave-nodes,function(slave-nodes){ 
  30.     slave-nodes.forEach(node -> { 
  31.         if(node.isDeadOrFailed) { 
  32.  
  33.         //node不能和zookeeper喊話了 
  34.              
  35.         } 
  36.     }); 
  37. }); 
  38.  
  39. timer.run(); 

 

關(guān)于第二點,要稍微復(fù)雜點了,怎么搞呢?

來這么分析:

  • 數(shù)據(jù) messages.
  • 操作 op-log.
  • 偏移 position/offset.

 

  1. // 1. 先考慮messages 
  2. // 2. 再考慮log的postion或者offset 
  3. // 3. 考慮msg和off都記錄在同源數(shù)據(jù)庫或者存儲設(shè)備上.(database or storage-device.) 
  4. var timer =  
  5. new timer() 
  6. .setInterval(10sec) 
  7. .onTime(slave-nodes,function(nodes){ 
  8.     var core-of-cpu = 8
  9.     //嫌慢就并發(fā)唄 mod hash go! 
  10.     nodes.groupParallel(core-of-cpu) 
  11.     .forEach(node -> { 
  12.         boolean nodeSucked = false
  13.  
  14.         if(node.ackTimeDiff > 30sec) { 
  15.             //30秒內(nèi)沒有回復(fù),node卡住了 
  16.             nodeSucked = true
  17.         } 
  18.         if(node.logOffsetDiff > 100) { 
  19.             //node復(fù)制跟不上了,差距超過100條數(shù)據(jù) 
  20.             nodeSucked = true
  21.         } 
  22.  
  23.         if(nodeSucked) { 
  24.             //總之node“死”掉了,其實到底死沒死,誰知道呢?network-error在分布式系統(tǒng)中或者節(jié)點失敗這個事情是正?,F(xiàn)象. 
  25.             node.declareDeadOrFailed(); 
  26.             //不和你玩啦,集群不要你了 
  27.             nodes.remove(node); 
  28.             //該怎么處理呢,拋個事件吧. 
  29.             fire-event-NodeDeadOrFailed(node); 
  30.         } 
  31.     }); 
  32. }); 
  33.  
  34. timer.run(); 

 

上面的節(jié)點的狀態(tài)管理一般由zookeeper來做,leader或者master節(jié)點也會維護(hù)那么點狀態(tài)。

那么應(yīng)用中的leader或者master節(jié)點,只需要從zookeeper拉狀態(tài)就可以,同時,上面的實現(xiàn)是不是一定最佳呢?不是的,而且多數(shù)操作可以合起來,但為了描述節(jié)點是否存活這個事兒,咱們這么寫沒啥問題。

#p#

節(jié)點死掉、失敗、不同步了,咋處理呢?

好嘛,終于說到failover和recover了,那failover比較簡單,因為還有其它的slave節(jié)點在,不影響數(shù)據(jù)讀取。

  1. 同時多個slave節(jié)點失敗了?沒有100%的可用性.數(shù)據(jù)中心和機房癱瘓、網(wǎng)絡(luò)電纜切斷、hacker入侵刪了你的根,總之你rp爆表了.
  2. 如果主節(jié)點失敗了,那master-master不行嘛?keep-alived或者LVS或者你自己寫failover吧.高可用架構(gòu)(HA)又是個大件兒了,此文不展開了。

我們來關(guān)注下recover方面的東西,這里把視野打開點,不僅關(guān)注slave節(jié)點重啟后追log來同步數(shù)據(jù),我們看下在實際應(yīng)用中,數(shù)據(jù)請求(包括讀、寫、更新)失敗怎么辦?

大家可能都會說,重試(retry)唄、重放(replay)唄或者干脆不管了唄!

行,都行,這些都是策略,但具體怎么個搞法,你真的清楚了?

一個bigdata問題

我們先擺個探討的背景:

問題:消息流,比如微博的微博(真繞),源源不斷地流進(jìn)我們的應(yīng)用中,要處理這些消息,有個需求是這樣的:

Reach is the number of unique people exposed to a URL on Twitter.

那么,統(tǒng)計一下3小時內(nèi)的本條微博(url)的reach總數(shù)。

怎么解決呢?

  把某時間段內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)過某條微博(url)的人拉出來,把這些人的粉絲拉出來,去掉重復(fù)的人,然后求總數(shù),就是要求的reach.

為了簡單,我們忽略掉日期,先看看這個方法行不行:

 

  1. /** --------------------------------- 
  2. * 1. 求出轉(zhuǎn)發(fā)微博(url)的大V.  
  3. * __________________________________*/ 
  4.  
  5. 方法 :getUrlToTweetersMap(String url_id) 
  6.  
  7. SQL : /* 數(shù)據(jù)庫A,表url_user存儲了轉(zhuǎn)發(fā)某url的user */ 
  8. SELECT url_user.user_id as tweeter_id 
  9. FROM url_user 
  10. WHERE url_user.url_id = ${url_id} 
  11.  
  12. 返回 :[user_1,...,user_m] 

 

 

  1. /** --------------------------------- 
  2. * 2. 求出大V的粉絲  
  3. * __________________________________*/ 
  4.  
  5. 方法 : getFollowers(String tweeter_id); 
  6.  
  7. SQL :   /* 數(shù)據(jù)庫B */ 
  8. SELECT users.id as user_id 
  9. FROM users 
  10. WHERE users.followee_id = ${tweeter_id} 
  11.  
  12. 返回:tweeter的粉絲 

 

 

  1. /** --------------------------------- 
  2. * 3. 求出Reach 
  3. * __________________________________*/ 
  4.  
  5. var url = queryArgs.getUrl(); 
  6. var tweeters = getUrlToTweetersMap(); 
  7. var result = new HashMap<String,Integer>(); 
  8. tweeters.forEach(t -> { 
  9.     // 你可以批量in + 并發(fā)讀來優(yōu)化下面方法的性能 
  10.     var followers = getFollowers(t.tweeter_id); 
  11.  
  12.     followers.forEach(f -> { 
  13.         //hash去重 
  14.         result.put(f.user_id,1); 
  15.     }); 
  16. }); 
  17.  
  18. //Reach 
  19. return result.size(); 

 

頂呱呱,無論如何,求出了Reach啊!

#p#

其實這又引出了一個很重要的問題,也是很多大談框架、設(shè)計、模式卻往往忽視的問題:性能和數(shù)據(jù)庫建模的關(guān)系。

1.數(shù)據(jù)量有多大?

不知道讀者有木有對這個問題的數(shù)據(jù)庫I/O有點想法,或者虎軀一震呢?

Computing reach is too intense for a single machine – it can require thousands of database calls and tens of millions of tuples.

在上面的數(shù)據(jù)庫設(shè)計中避免了JOIN,為了提高求大V粉絲的性能,可以將一批大V作為batch/bulk,然后多個batch并發(fā)讀,誓死搞死數(shù)據(jù)庫。

這里將微博到轉(zhuǎn)發(fā)者表所在的庫,與粉絲庫分離,如果數(shù)據(jù)更大怎么辦?

庫再分表...

OK,假設(shè)你已經(jīng)非常熟悉傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的分庫分表及數(shù)據(jù)路由(讀路徑的聚合、寫路徑的分發(fā))、或者你對于sharding技術(shù)也很熟悉、或者你良好的結(jié)合了HBase的橫向擴展能力并有一致性策略來解決其二級索引問題.

總之,存儲和讀取的問題假設(shè)你已經(jīng)解決了,那么分布式計算呢?

2.微博這種應(yīng)用,人與人之間的關(guān)系成圖狀(網(wǎng)),你怎么建模存儲?而不僅僅對應(yīng)這個問題,比如:

某人的好友的好友可能和某人有幾分相熟?

看看用storm怎么來解決分布式計算,并提供流式計算的能力:

 

  1. // url到大V -> 數(shù)據(jù)庫1 
  2. TridentState urlToTweeters = 
  3.     topology.newStaticState(getUrlToTweetersState()); 
  4. // 大V到粉絲 -> 數(shù)據(jù)庫2 
  5. TridentState tweetersToFollowers = 
  6.     topology.newStaticState(getTweeterToFollowersState()); 
  7.  
  8. topology.newDRPCStream("reach"
  9.     .stateQuery(urlToTweeters, new Fields("args"), new MapGet(), new Fields("tweeters")) 
  10.     .each(new Fields("tweeters"), new ExpandList(), new Fields("tweeter")) 
  11.     .shuffle() /* 大V的粉絲很多,所以需要分布式處理*/ 
  12.     .stateQuery(tweetersToFollowers, new Fields("tweeter"), new MapGet(), new Fields("followers")) 
  13.     .parallelismHint(200/* 粉絲很多,所以需要高并發(fā) */  
  14.     .each(new Fields("followers"), new ExpandList(), new Fields("follower")) 
  15.     .groupBy(new Fields("follower")) 
  16.     .aggregate(new One(), new Fields("one")) /* 去重 */ 
  17.     .parallelismHint(20
  18.     .aggregate(new Count(), new Fields("reach")); /* 計算reach數(shù) */ 

 

最多處理一次(At most once)

回到主題,引出上面的例子,一是為了引出一個有關(guān)分布式(存儲+計算)的問題,二是透漏這么點意思:

碼農(nóng),就應(yīng)該關(guān)注設(shè)計和實現(xiàn)的東西,比如Jay Kreps是如何發(fā)明Kafka這個輪子的 : ]

如果你還是碼農(nóng)級別,咱來務(wù)點實吧,前面我們說到recover,節(jié)點恢復(fù)的問題,那么我們恢復(fù)幾個東西?

基本的:

  • 節(jié)點狀態(tài)
  • 節(jié)點數(shù)據(jù)

本篇從數(shù)據(jù)上來討論下這個問題,為使問題再簡單點,我們考慮寫數(shù)據(jù)的場景,如果我們用write-ahead-log的方式來保證數(shù)據(jù)復(fù)制和一致性,那么我們會怎么處理一致性問題呢?

主節(jié)點有新數(shù)據(jù)寫入.

從節(jié)點追log,準(zhǔn)備復(fù)制這批新數(shù)據(jù)。從節(jié)點做兩件事:

(1). 把數(shù)據(jù)的id偏移寫入log;

(2). 正要處理數(shù)據(jù)本身,從節(jié)點掛了。

那么根據(jù)上文的節(jié)點存活條件,這個從節(jié)點掛了這件事被探測到了,從節(jié)點由維護(hù)人員手動或者其自己恢復(fù)了,那么在加入集群和小伙伴們繼續(xù)玩耍之前,它要同步自己的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

問題來了:

如果根據(jù)log內(nèi)的數(shù)據(jù)偏移來同步數(shù)據(jù),那么,因為這個節(jié)點在處理數(shù)據(jù)之前就把偏移寫好了,可是那批數(shù)據(jù)lost-datas沒有得到處理,如果追log之后的數(shù)據(jù)來同步,那么那批數(shù)據(jù)lost-datas就丟了。

在這種情況下,就叫作數(shù)據(jù)最多處理一次,也就是說數(shù)據(jù)會丟失。

最少處理一次(At least once)

好吧,丟失數(shù)據(jù)不能容忍,那么我們換種方式來處理:

1.主節(jié)點有新數(shù)據(jù)寫入.

2.從節(jié)點追log,準(zhǔn)備復(fù)制這批新數(shù)據(jù)。從節(jié)點做兩件事:

(1). 先處理數(shù)據(jù);

(2). 正要把數(shù)據(jù)的id偏移寫入log,從節(jié)點掛了。

問題又來了:

如果從節(jié)點追log來同步數(shù)據(jù),那么因為那批數(shù)據(jù)duplicated-datas被處理過了,而數(shù)據(jù)偏移沒有反映到log中,如果這樣追,會導(dǎo)致這批數(shù)據(jù)重復(fù)。

這種場景,從語義上來講,就是數(shù)據(jù)最少處理一次,意味著數(shù)據(jù)處理會重復(fù)。

#p#

僅處理一次(Exactly once)

Transaction

好吧,數(shù)據(jù)重復(fù)也不能容忍?要求挺高啊。

大家都追求的強一致性保證(這里是最終一致性),怎么來搞呢?

換句話說,在更新數(shù)據(jù)的時候,事務(wù)能力如何保障呢?

假設(shè)一批數(shù)據(jù)如下:

// 新到數(shù)據(jù) { 	transactionId:4 	urlId:99 	reach:5 }

現(xiàn)在要更新這批數(shù)據(jù)到庫里或者log里,那么原來的情況是:

 

// 老數(shù)據(jù)
{
	transactionId:3
	urlId:99
	reach:3
}

 

如果說可以保證如下三點:

事務(wù)ID的生成是強有序的.(隔離性,串行)

同一個事務(wù)ID對應(yīng)的一批數(shù)據(jù)相同.(冪等性,多次操作一個結(jié)果)

單條數(shù)據(jù)會且僅會出現(xiàn)在某批數(shù)據(jù)中.(一致性,無遺漏無重復(fù))

那么,放心大膽的更新好了:

 

// 更新后數(shù)據(jù)
{
	transactionId:4
	urlId:99
	//3 + 5 = 8
	reach:8
}

 

注意到這個更新是ID偏移和數(shù)據(jù)一起更新的,那么這個操作靠什么來保證:原子性。
你的數(shù)據(jù)庫不提供原子性?后文略有提及。

這里是更新成功了。如果更新的時候,節(jié)點掛了,那么庫里或者log里的id偏移不寫,數(shù)據(jù)也不處理,等節(jié)點恢復(fù),就可以放心去同步,然后加入集群玩耍了。

所以說,要保證數(shù)據(jù)僅處理一次,還是挺困難的吧?

上面的保障“僅處理一次”這個語義的實現(xiàn)有什么問題呢?

性能問題。

這里已經(jīng)使用了batch策略來減少到庫或磁盤的Round-Trip Time,那么這里的性能問題是什么呢?

考慮一下,采用master-master架構(gòu)來保證主節(jié)點的可用性,但是一個主節(jié)點失敗了,到另一個主節(jié)點主持工作,是需要時間的。

假設(shè)從節(jié)點正在同步,啪!主節(jié)點掛了!因為要保證僅處理一次的語義,所以原子性發(fā)揮作用,失敗,回滾,然后從主節(jié)點拉失敗的數(shù)據(jù)(你不能就近更新,因為這批數(shù)據(jù)可能已經(jīng)變化了,或者你根本沒緩存本批數(shù)據(jù)),結(jié)果是什么呢?

老主節(jié)點掛了, 新的主節(jié)點還沒啟動,所以這次事務(wù)就卡在這里,直到數(shù)據(jù)同步的源——主節(jié)點可以響應(yīng)請求。

如果不考慮性能,就此作罷,這也不是什么大事。

你似乎意猶未盡?來吧,看看“銀彈”是什么?

Opaque-Transaction

現(xiàn)在,我們來追求這樣一種效果:

某條數(shù)據(jù)在一批數(shù)據(jù)中(這批數(shù)據(jù)對應(yīng)著一個事務(wù)),很可能會失敗,但是它會在另一批數(shù)據(jù)中成功。

換句話說,一批數(shù)據(jù)的事務(wù)ID一定相同。

來看看例子吧,老數(shù)據(jù)不變,只是多了個字段:prevReach。

 

// 老數(shù)據(jù)
{
	transactionId:3
	urlId:99
	//注意這里多了個字段,表示之前的reach的值
	prevReach:2
	reach:3
}


// 新到數(shù)據(jù)
{
	transactionId:4
	urlId:99
	reach:5
}

 

這種情況,新事務(wù)的ID更大、更靠后,表明新事務(wù)可以執(zhí)行,還等什么,直接更新,更新后數(shù)據(jù)如下:

 

// 新到數(shù)據(jù)
{
	transactionId:4
	urlId:99
	//注意這里更新為之前的值
	prevReach:3
	//3 + 5 = 8
	reach:8
}

 

現(xiàn)在來看下另外的情況:

 

// 老數(shù)據(jù)
{
	transactionId:3
	urlId:99
	prevReach:2
	reach:3
}

// 新到數(shù)據(jù)
{
	//注意事務(wù)ID為3,和老數(shù)據(jù)中的事務(wù)ID相同
	transactionId:3
	urlId:99
	reach:5
}

 

這種情況怎么處理?是跳過嗎?因為新數(shù)據(jù)的事務(wù)ID和庫里或者log里的事務(wù)ID相同,按事務(wù)要求這次數(shù)據(jù)應(yīng)該已經(jīng)處理過了,跳過?

#p#

不,這種事不能靠猜的,想想我們有的幾個性質(zhì),其中關(guān)鍵一點就是:

給定一批數(shù)據(jù),它們所屬的事務(wù)ID相同。

仔細(xì)體會下,上面那句話和下面這句話的差別:

給定一個事務(wù)ID,任何時候,其所關(guān)聯(lián)的那批數(shù)據(jù)相同。

我們應(yīng)該這么做,考慮到新到數(shù)據(jù)的事務(wù)ID和存儲中的事務(wù)ID一致,所以這批數(shù)據(jù)可能被分別或者異步處理了,但是,這批數(shù)據(jù)對應(yīng)的事務(wù)ID永遠(yuǎn)是同一個,那么,即使這批數(shù)據(jù)中的A部分先處理了,由于大家都是一個事務(wù)ID,那么A部分的前值是可靠的。

所以,我們將依靠prevReach而不是Reach的值來更新:

 

// 更新后數(shù)據(jù)
{
	transactionId:3
	urlId:99
	//這個值不變
	prevReach:2
	//2 + 5 = 7
	reach:7
}

 

你發(fā)現(xiàn)了什么呢?

不同的事務(wù)ID,導(dǎo)致了不同的值:

當(dāng)事務(wù)ID為4,大于存儲中的事務(wù)ID3,Reach更新為3+5 = 8.

當(dāng)事務(wù)ID為3,等于存儲中的事務(wù)ID3,Reach更新為2+5 = 7.

這就是Opaque Transaction.

這種事務(wù)能力是最強的了,可以保證事務(wù)異步提交。所以不用擔(dān)心被卡住了,如果說集群中:

Transaction:

  • 數(shù)據(jù)是分批處理的,每個事務(wù)ID對應(yīng)一批確定、相同的數(shù)據(jù).
  • 保證事務(wù)ID的產(chǎn)生是強有序的.
  • 保證分批的數(shù)據(jù)不重復(fù)、不遺漏.
  • 如果事務(wù)失敗,數(shù)據(jù)源丟失,那么后續(xù)事務(wù)就卡住直到數(shù)據(jù)源恢復(fù).

Opaque-Transaction:

  1. 數(shù)據(jù)是分批處理的,每批數(shù)據(jù)有確定而唯一的事務(wù)ID.
  2. 保證事務(wù)ID的產(chǎn)生是強有序的.
  3. 保證分批的數(shù)據(jù)不重復(fù)、不遺漏.
  4. 如果事務(wù)失敗,數(shù)據(jù)源丟失,不影響后續(xù)事務(wù),除非后續(xù)事務(wù)的數(shù)據(jù)源也丟了.

其實這個全局ID的設(shè)計也是門藝術(shù):

  • 冗余關(guān)聯(lián)表的ID,以減少join,做到O(1)取ID.
  • 冗余日期(long型)字段,以避免order by.
  • 冗余過濾字段,以避免無二級索引(HBase)的尷尬.
  • 存儲mod-hash的值,以方便分庫、分表后,應(yīng)用層的數(shù)據(jù)路由書寫.

這個內(nèi)容也太多,話題也太大,就不在此展開了。

你現(xiàn)在知道twitter的snowflake生成全局唯一且有序的ID的重要性了。

兩階段提交

現(xiàn)在用zookeeper來做兩階段提交已經(jīng)是入門級技術(shù),所以也不展開了。

如果你的數(shù)據(jù)庫不支持原子操作,那么考慮兩階段提交吧。

To be continued.

博文出處:http://www.cnblogs.com/foreach-break/p/distributed_system_and_transaction.html
 

責(zé)任編輯:Ophira 來源: 博客園
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