一種低延遲的超時(shí)中心實(shí)現(xiàn)方式

一種低延遲的超時(shí)中心實(shí)現(xiàn)方式

一

背景

在很多產(chǎn)品中都存在生命周期相關(guān)的設(shè)計(jì)，時(shí)間節(jié)點(diǎn)到了之后需要做對(duì)應(yīng)的事情。

超時(shí)中心〔TimeOutCenter，TOC〕負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和調(diào)度生命周期節(jié)點(diǎn)上面的超時(shí)任務(wù)，當(dāng)超時(shí)任務(wù)設(shè)置的超時(shí)時(shí)間到期后，超時(shí)中心需要立即調(diào)度處理這些超時(shí)任務(wù)。對(duì)于一些需要低延遲的超時(shí)場(chǎng)景，超時(shí)中心調(diào)度延遲會(huì)給產(chǎn)品帶來不可估量的影響。

因此本文提出一種低延遲的超時(shí)中心實(shí)現(xiàn)方式，首先介紹傳統(tǒng)的超時(shí)中心的實(shí)現(xiàn)計(jì)劃，以及傳統(tǒng)計(jì)劃中的缺點(diǎn)，然后介紹低延遲的計(jì)劃，表明如何解決傳統(tǒng)計(jì)劃中的延遲問題。

二

傳統(tǒng)高延遲計(jì)劃

1

整體框架

傳統(tǒng)的超時(shí)中心整體框架如下所示，任務(wù)輸入后存儲(chǔ)在超時(shí)任務(wù)庫(kù)中，定時(shí)器觸發(fā)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)掃描器，數(shù)據(jù)庫(kù)掃描器從超時(shí)任務(wù)庫(kù)中掃描已經(jīng)達(dá)到超時(shí)時(shí)間的任務(wù)，已經(jīng)達(dá)到超時(shí)時(shí)間的任務(wù)存儲(chǔ)在機(jī)器的內(nèi)存隊(duì)列中，等待交給業(yè)務(wù)處理器進(jìn)行處理，業(yè)務(wù)處理器處理完成后更新任務(wù)狀態(tài)。

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，超時(shí)任務(wù)數(shù)量肯定是很大的，傳統(tǒng)的超時(shí)中心通過分庫(kù)分表支持存儲(chǔ)海量的超時(shí)任務(wù)，定時(shí)器觸發(fā)也需要做相應(yīng)的改變，需要充沛利用集群的能力，下面分別從超時(shí)任務(wù)庫(kù)和定時(shí)器觸發(fā)兩方面詳細(xì)介紹。

2

任務(wù)庫(kù)設(shè)計(jì)

任務(wù)庫(kù)數(shù)據(jù)模型如下所示，采用分庫(kù)分表存儲(chǔ)，一般可設(shè)計(jì)為8個(gè)庫(kù)1024個(gè)表，具體可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求調(diào)整。biz_id為分表鍵，job_id為全局唯一的任務(wù)ID，status為超時(shí)任務(wù)的狀態(tài)，action_time為任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，attribute存儲(chǔ)額外的數(shù)據(jù)。只有當(dāng)action_time小于當(dāng)前時(shí)間且status為待處理時(shí)，任務(wù)才能被掃描器加載到內(nèi)存隊(duì)列。任務(wù)被處理完成后，任務(wù)的狀態(tài)被更新成已處理。

job_id

bigintunsigned

超時(shí)任務(wù)的ID，全局唯一

gmt_create

datetime

創(chuàng)立時(shí)間

gmt_modified

datetime

修改時(shí)間

biz_id

bigintunsigned

業(yè)務(wù)id，一般為關(guān)聯(lián)的主訂單或子訂單id

biz_type

bigintunsigned

業(yè)務(wù)類型

status

tinyint

超時(shí)任務(wù)狀態(tài)〔0待處理，2已處理，3取消〕

action_time

datetime

超時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間

attribute

varchar

額外數(shù)據(jù)

3

定時(shí)調(diào)度設(shè)計(jì)

定時(shí)調(diào)度流程圖如下所示，定時(shí)器每間隔10秒觸發(fā)一次調(diào)度，從集群configserver中獲取集群ip列表并為當(dāng)前機(jī)器編號(hào)，然后給所有ip分配表。分配表時(shí)需要考慮好幾件事：一張表只屬于一臺(tái)機(jī)器，不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)掃描；機(jī)器上線下線需要重新分配表。當(dāng)前機(jī)器從所分配的表中掃描出所有狀態(tài)為待處理的超時(shí)任務(wù)，遍歷掃描出的待處理超時(shí)任務(wù)。對(duì)于每個(gè)超時(shí)任務(wù)，當(dāng)內(nèi)存隊(duì)列不存在該任務(wù)且內(nèi)存隊(duì)列未滿時(shí)，超時(shí)任務(wù)才參加內(nèi)存隊(duì)列，否那么循環(huán)檢查等待。

4

缺點(diǎn)

需要定時(shí)器定時(shí)調(diào)度，定時(shí)器調(diào)度間隔時(shí)間加長(zhǎng)了超時(shí)任務(wù)處理的延遲時(shí)間；

數(shù)據(jù)庫(kù)掃描器為防止重復(fù)掃描數(shù)據(jù)，一張表只能屬于一臺(tái)機(jī)器，任務(wù)庫(kù)分表的數(shù)量就是任務(wù)處理的并發(fā)度，并發(fā)度受限制；

當(dāng)單表數(shù)據(jù)量龐大時(shí)，即使從單張表中掃描所有待處理的超時(shí)任務(wù)也需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間；

本計(jì)劃總體處理步驟為：先掃描出所有超時(shí)任務(wù)，再對(duì)單個(gè)超時(shí)任務(wù)進(jìn)行處理；超時(shí)任務(wù)處理延遲時(shí)間需要加上超時(shí)任務(wù)掃描時(shí)間；

本計(jì)劃處理超時(shí)任務(wù)的最小延遲為定時(shí)器的定時(shí)間隔時(shí)間，在任務(wù)數(shù)量龐大的情況下，本計(jì)劃可能存在較大延遲。

三

低延遲計(jì)劃

1

整體框架

任務(wù)輸入后分為兩個(gè)步驟。第一個(gè)步驟是將任務(wù)存儲(chǔ)到任務(wù)庫(kù)，本計(jì)劃的任務(wù)庫(kù)模型設(shè)計(jì)和上面計(jì)劃中的任務(wù)庫(kù)模型設(shè)計(jì)一樣；第二步驟是任務(wù)定時(shí)，將任務(wù)的jobId和actionTime以一定方式設(shè)置到Redis集群中，當(dāng)定時(shí)任務(wù)的超時(shí)時(shí)間到了之后，從Redis集群pop超時(shí)任務(wù)的jobId，根據(jù)jobId從任務(wù)庫(kù)中查詢?cè)敿?xì)的任務(wù)信息交給業(yè)務(wù)處理器進(jìn)行處理，最后更新任務(wù)庫(kù)中任務(wù)的狀態(tài)。

本計(jì)劃與上述計(jì)劃最大的不同點(diǎn)就是超時(shí)任務(wù)的獲取局部，上述計(jì)劃采用定時(shí)調(diào)度掃描任務(wù)庫(kù)，本計(jì)劃采用基于Redis的任務(wù)定時(shí)系統(tǒng)，接下來將具體講解任務(wù)定時(shí)的設(shè)計(jì)。

2

Redis存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

Topic的設(shè)計(jì)

Topic的定義有三局部組成，topic表示主題名稱，slotAmount表示消息存儲(chǔ)劃分的槽數(shù)量，topicType表示消息的類型。主題名稱是一個(gè)Topic的唯一標(biāo)示，相同主題名稱Topic的slotAmount和topicType一定是一樣的。消息存儲(chǔ)采用Redis的SortedSet結(jié)構(gòu)，為了支持大量消息的堆積，需要把消息分散存儲(chǔ)到很多個(gè)槽中，slotAmount表示該Topic消息存儲(chǔ)共使用的槽數(shù)量，槽數(shù)量一定需要是2的n次冪。在消息存儲(chǔ)的時(shí)候，采用對(duì)指定數(shù)據(jù)或者消息體哈希求余得到槽位置。

StoreQueue的設(shè)計(jì)

上圖中topic劃分了8個(gè)槽位，編號(hào)0-7。計(jì)算消息體對(duì)應(yīng)的CRC32值，CRC32值對(duì)槽數(shù)量進(jìn)行取模得到槽序號(hào)，SlotKey設(shè)計(jì)為#{topic}_#{index}〔也即Redis的鍵〕，其中#{}表示占位符。

StoreQueue結(jié)構(gòu)采用Redis的SortedSet，Redis的SortedSet中的數(shù)據(jù)按照分?jǐn)?shù)排序，實(shí)現(xiàn)定時(shí)消息的關(guān)鍵就在于如何利用分?jǐn)?shù)、如何添加消息到SortedSet、如何從SortedSet中彈出消息。定時(shí)消息將時(shí)間戳作為分?jǐn)?shù)，消費(fèi)時(shí)每次彈出分?jǐn)?shù)小于當(dāng)前時(shí)間戳的一個(gè)消息。

PrepareQueue的設(shè)計(jì)

為了保障每條消息至少消費(fèi)一次，消費(fèi)者不是直接pop有序匯合中的元素，而是將元素從StoreQueue移動(dòng)到PrepareQueue并返回消息給消費(fèi)者，等消費(fèi)成功后再?gòu)腜repareQueue從刪除，或者消費(fèi)失敗后從PreapreQueue重新移動(dòng)到StoreQueue，這便是根據(jù)二階段提交的思想實(shí)現(xiàn)的二階段消費(fèi)。

在后面將會(huì)詳細(xì)介紹二階段消費(fèi)的實(shí)現(xiàn)思路，這里重點(diǎn)介紹下PrepareQueue的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。StoreQueue中每一個(gè)Slot對(duì)應(yīng)PrepareQueue中的Slot，PrepareQueue的SlotKey設(shè)計(jì)為prepare_{#{topic}#{index}}。PrepareQueue采用SortedSet作為存儲(chǔ)，消息移動(dòng)到PrepareQueue時(shí)刻對(duì)應(yīng)的〔秒級(jí)時(shí)間戳*1000+重試次數(shù)〕作為分?jǐn)?shù)，字符串存儲(chǔ)的是消息體內(nèi)容。這里分?jǐn)?shù)的設(shè)計(jì)與重試次數(shù)的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，所以在重試次數(shù)設(shè)計(jì)章節(jié)詳細(xì)介紹。

PrepareQueue的SlotKey設(shè)計(jì)中需要注意的一點(diǎn)，由于消息從StoreQueue移動(dòng)到PrepareQueue是通過Lua腳本操作的，因此需要保證Lua腳本操作的Slot在同一個(gè)Redis節(jié)點(diǎn)上，如何保證PrepareQueue的SlotKey和對(duì)應(yīng)的StoreQueue的SlotKey被hash到同一個(gè)Redis槽中呢。Redis的hashtag功能可以指定SlotKey中只有某一局部參與計(jì)算hash，這一局部采用{}包括，因此PrepareQueue的SlotKey中采用{}包括了StoreQueue的SlotKey。

DeadQueue的設(shè)計(jì)

消息重試消費(fèi)16次后，消息將進(jìn)入DeadQueue。DeadQueue的SlotKey設(shè)計(jì)為prepare{#{topic}#{index}}，這里同樣采用hashtag功能保證DeadQueue的SlotKey與對(duì)應(yīng)StoreQueue的SlotKey存儲(chǔ)在同一Redis節(jié)點(diǎn)。

定時(shí)消息生產(chǎn)

生產(chǎn)者的任務(wù)就是將消息添加到StoreQueue中。首先，需要計(jì)算出消息添加到Redis的SlotKey，如果發(fā)送方指定了消息的slotBasis〔否那么采用content代替〕，那么計(jì)算slotBasis的CRC32值，CRC32值對(duì)槽數(shù)量進(jìn)行取模得到槽序號(hào)，SlotKey設(shè)計(jì)為#{topic}_#{index}，其中#{}表示占位符。發(fā)送定時(shí)消息時(shí)需要設(shè)置actionTime，actionTime必須大于當(dāng)前時(shí)間，表示消費(fèi)時(shí)間戳，當(dāng)前時(shí)間大于該消費(fèi)時(shí)間戳的時(shí)候，消息才會(huì)被消費(fèi)。因此在存儲(chǔ)該類型消息的時(shí)候，采用actionTime作為分?jǐn)?shù)，采用命令zadd添加到Redis。

超時(shí)消息消費(fèi)

每臺(tái)機(jī)器將啟動(dòng)多個(gè)Woker進(jìn)行超時(shí)消息消費(fèi)，Woker即表示線程，定時(shí)消息被存儲(chǔ)到Redis的多個(gè)Slot中，因此需要zookeeper維護(hù)集群中Woker與slot的關(guān)系，一個(gè)Slot只分配給一個(gè)Woker進(jìn)行消費(fèi)，一個(gè)Woker可以消費(fèi)多個(gè)Slot。Woker與Slot的關(guān)系在每臺(tái)機(jī)器啟動(dòng)與停止時(shí)重新分配，超時(shí)消息消費(fèi)集群監(jiān)聽了zookeeper節(jié)點(diǎn)的變化。

Woker與Slot關(guān)系確定后，Woker那么循環(huán)不斷地從Redis拉取訂閱的Slot中的超時(shí)消息。在StoreQueue存儲(chǔ)設(shè)計(jì)中表明了定時(shí)消息存儲(chǔ)時(shí)采用SortedSet結(jié)構(gòu)，采用定時(shí)時(shí)間actionTime作為分?jǐn)?shù)，因此定時(shí)消息按照時(shí)間大小存儲(chǔ)在SortedSet中。因此在拉取超時(shí)消息進(jìn)行只需采用Redis命令ZRANGEBYSCORE彈出分?jǐn)?shù)小于當(dāng)前時(shí)間戳的一條消息。

為了保證系統(tǒng)的可用性，還需要考慮保證定時(shí)消息至少被消費(fèi)一次以及消費(fèi)的重試次數(shù)，下面將具體介紹如何保證至少消費(fèi)一次和消費(fèi)重試次數(shù)控制。

至少消費(fèi)一次

至少消費(fèi)一次的問題比擬類似銀行轉(zhuǎn)賬問題，A向B賬戶轉(zhuǎn)賬100元，如何保障A賬戶扣減100同時(shí)B賬戶增加100，因此我們可以想到二階段提交的思想。第一個(gè)準(zhǔn)備階段，A、B分別進(jìn)行資源凍結(jié)并持久化undo和redo日志，A、B分別告訴協(xié)調(diào)者已經(jīng)準(zhǔn)備好；第二個(gè)提交階段，協(xié)調(diào)者告訴A、B進(jìn)行提交，A、B分別提交事務(wù)。本計(jì)劃基于二階段提交的思想來實(shí)現(xiàn)至少消費(fèi)一次。

Redis存儲(chǔ)設(shè)計(jì)中PrepareQueue的作用就是用來凍結(jié)資源并記錄事務(wù)日志，消費(fèi)者端即是參與者也是協(xié)調(diào)者。第一個(gè)準(zhǔn)備階段，消費(fèi)者端通過執(zhí)行Lua腳本從StoreQueue中Pop消息并存儲(chǔ)到PrepareQueue，同時(shí)消息傳輸?shù)较M(fèi)者端，消費(fèi)者端消費(fèi)該消息；第二個(gè)提交階段，消費(fèi)者端根據(jù)消費(fèi)結(jié)果是否成功協(xié)調(diào)消息隊(duì)列效勞是提交還是回滾，如果消費(fèi)成功那么提交事務(wù)，該消息從PrepareQueue中刪除，如果消費(fèi)失敗那么回滾事務(wù)，消費(fèi)者端將該消息從PrepareQueue移動(dòng)到StoreQueue，如果因?yàn)楦鞣N異常導(dǎo)致PrepareQueue中消息滯留超時(shí)，超時(shí)后將自動(dòng)執(zhí)行回滾操作。二階段消費(fèi)的流程圖如下所示。

消費(fèi)重試次數(shù)控制

采用二階段消費(fèi)方式，需要將消息在StoreQueue和PrepareQueue之間移動(dòng)，如何實(shí)現(xiàn)重試次數(shù)控制呢，其關(guān)鍵在StoreQueue和PrepareQueue的分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)。

PrepareQueue的分?jǐn)?shù)需要與時(shí)間相關(guān)，正常情況下，消費(fèi)者不論消費(fèi)失敗還是消費(fèi)成功，都會(huì)從PrepareQueue刪除消息，當(dāng)消費(fèi)者系統(tǒng)發(fā)生異?；蛘咤礄C(jī)的時(shí)候，消息就無法從PrepareQueue中刪除，我們也不知道消費(fèi)者是否消費(fèi)成功，為保障消息至少被消費(fèi)一次，我們需要做到超時(shí)回滾，因此分?jǐn)?shù)需要與消費(fèi)時(shí)間相關(guān)。當(dāng)PrepareQueue中的消息發(fā)生超時(shí)的時(shí)候，將消息從PrepareQueue移動(dòng)到StoreQueue。

因此PrepareQueue的分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)為：秒級(jí)時(shí)間戳*1000+重試次數(shù)。定時(shí)消息首次存儲(chǔ)到StoreQueue中的分?jǐn)?shù)表示消費(fèi)時(shí)間戳，如果消息消費(fèi)失敗，消息從PrepareQueue回滾到StoreQueue，定時(shí)消息存儲(chǔ)時(shí)的分?jǐn)?shù)都表示殘余重試次數(shù)，殘余重試次數(shù)從16次不斷降低最后為0，消息進(jìn)入死信隊(duì)列。消息在StoreQueue和PrepareQueue之間移