［转］JStorm介绍

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一、简介

Storm是开源的分布式容错实时计算系统，目前被托管在GitHub上，遵循 Eclipse Public License 1.0。最初由BackType开发，现在已被Twitter收入麾下。Storm最新版本是Storm 0.9，核心采用Clojure实现。Storm为分布式实时计算提供了一组通用原语，可被用于“流处理”之中，实时处理消息；Storm也可被用于“连续计算”（continuous computation），对数据流做连续处理，在计算时就将结果以流的形式输出给用户；它还可被用于“分布式RPC”，以并行的方式执行运算。

Storm主要特点如下：
0、简单的编程模型。类似于MapReduce降低了并行批处理复杂性，Storm降低了实时处理的复杂性。
1、语言无关。Storm的消息处理组件可以用任何语言来定义。默认支持Clojure、Java、Ruby和Python。要增加对其他语言的支持，只需实现一个简单的Storm通信协议即可。
2、容错性。如果在消息处理过程中出了一些异常，Storm会重新调度出问题的处理逻辑。Storm保证一个处理单元永远运行，除非显式杀掉。
3、可伸缩性。Storm的可伸缩性可以使其每秒处理的消息量达到很高。为了扩展一个实时计算任务，需要做的就是增加节点并且提高计算任务的并行度设置(parallelism setting)。Storm应用在10个节点的集群上每秒可以处理高达1000000个消息，包括每秒一百多次的数据库调用[5]。同时Storm使用ZooKeeper来协调集群内的各种配置使得Storm的集群可以很容易扩展。
4、保证无数据丢失。实时系统必须保证所有的数据被成功的处理。 那些会丢失数据的系统的适用场景非常窄，而Storm保证每一条消息都会被处理。
5、适用场景广泛。消息流处理、持续计算、分布式方法调用等是Storm适用场景广泛的基础，Storm的这些基础原语可以满足大量的场景。

虽然Storm具备诸多优势，但也存在不足：
0、Storm目前还存在Nimbus SPOF的问题；
1、存在雪崩问题；
2、资源粒度较粗；
3、Clojure实现引入了学习成本；

为此，阿里巴巴中间件团队用Java重新实现了类Storm的JStorm，同样被托管在GitHub上，遵循 Eclipse Public License 1.0，目前版本0.9.3。相关资料显示，阿里巴巴内部已经大规模部署了Storm/JStorm集群。
JStorm继承了Storm的所有优点，同时与Storm相比JStorm所特有的如下特点：
0、兼容Storm接口。开发者在Storm上运行的程序无需任何修改即可运行在JStorm上。
1、Nimbus HA。解决了Storm的Nimbus单点问题，支持自动热备切换Nimbus。
2、更细粒度的资源划分。JStorm从CPU、MEMORY、DISK和NET四个维度进行任务调度，同时不存在任务抢占问题。
3、可定制的任务调度机制。（Storm的任务调度目前也可定制）
4、更好的性能。通过底层ZeroMQ和Netty使JStorm具有更好的性能，同时具有更好的稳定性。
5、解决了Storm的雪崩问题。通过Netty和disruptor机制实现RPC保证可以匹配的数据发送和接收速度避免雪崩问题。

此外，JStorm通过减少对zookeeper的访问量、增加反序列化线程、优化ACK、增加监控内容及JAVA本身优势等各个方面优化了Storm的性能和稳定性。总之，JStorm比Storm更强大、更稳定、性能更好。
（本文后面所述关于JStorm的部分内容同样适用Storm）

二、数据模型

JStorm通过一系列基本元素实现实时计算的目标，其中包括了Topology、Stream、Spout、Bolt等等。JStorm在模型上和MapReduce有很多相似的地方，下表从不同维度对JStorm和MapReduce进行了比较。

实时计算任务需要打包成Topology提交，和MapReduce Job相似，不同的是，MapReduce Job在计算完成后结束，而JStorm的Topology任务一旦提交永远不会结束，除非显式停止。

计算任务Topology是由不同的Spout和Bolt通过Stream连接起来的DAG图。下面是一个典型Topology的结构示意图：

其中：

Spout：JStorm的消息源。用于生产消息，一般是从外部数据源（如MQ/RDBMS/NoSQL/RTLog等）不间断读取数据并向下游发送消息。

Bolt：JStorm的消息处理者。用于为Topology进行消息处理，Bolt可以执行查询、过滤、聚合及各种复杂运算操作，Bolt的消息处理结果可以作为下游Bolt的输入不断迭代。

Stream：JStorm中对数据进行的抽象，它是时间上无界的Tuple元组序列。在Topology中Spout是Stream的源头，负责从特定数据源发射Stream；Bolt可以接收任意多个Stream输入然后进行数据的加工处理，如果需要Bolt还可以发射出新Stream给下游Bolt。

Tuple：JStorm使用Tuple作为数据模型，存在于任意两个有数据交互的组件（Spout/Bolt）之间。每个Tuple是一组具有各自名称的值，值可以是任何类型，JStorm支持所有的基本类型、字符串以及字节数组，也可以使用自定义类型（需实现对应序列化器）作为值类型。简单来说，Tuple就是一组实现了序列化器带有名称的Java对象集合。

从整个Topology上看，Spout/Bolt可以看作DAG的节点，Stream是连接不同节点之间的有向边，Tuple则是流过Stream的数据集合。
下面是一个Topology内部Spout和Bolt之间的数据流关系：

Topology中每一个计算组件（Spout和Bolt）都有一个并行度，在创建Topology时指定（默认为1），JStorm在集群内分配对应个数的线程Task并行。

如上图示，既然对于Spout/Bolt都会有多个线程来并行执行，那么如何在两个组件（Spout和Bolt）之间发送Tuple会成为新的问题。

JStorm通过定义Topology时为每个Bolt指定输入Stream以及指定提供的若干种数据流分发（Stream Grouping）策略用来解决这一问题。

JStorm提供了以下几种Stream Grouping策略：
0) Shuffle Grouping：随机分组，随机派发Stream里面的Tuple，保证每个Bolt接收到的Tuple数目大致相同，通过轮询随机的方式使得下游Bolt之间接收到的Tuple数目差值不超过1。
1) Fields Grouping：按字段分组，具有同样字段值的Tuple会被分到相同Bolt里的Task，不同字段值则会被分配到不同Task。
2) All Grouping：广播分组，每一个Tuple，所有的Bolt都会收到。
3) Global Grouping：全局分组，Tuple被分配到Bolt中ID值最低的的一个Task。
4) Non Grouping：不分组，Tuple会按照完全随机的方式分发到下游Bolt。
5) Direct Grouping：直接分组，Tuple需要指定由Bolt的哪个Task接收。 只有被声明为Direct Stream的消息流可以声明这种分组方法。
6) Local or Shuffle Grouping：基本同Shuffle Grouping。
7) Custom Grouping：用户自定义分组策略，CustomStreamGrouping是自定义分组策略时用户需要实现的接口。

三、系统架构

JStorm与Hadoop相似，保持了Master/Slave的简洁优雅架构。与Hadoop不同，JStorm的M/S之间不是直接通过RPC交换心跳信息，而是借助ZK来实现，这样的设计虽然引入了第三方依赖，但是简化了Nimbus/Supervisor的设计，同时也极大提高了系统的容错能力。

整个JStorm系统中共存三类不同的Daemon进程，分别是Nimbus，Supervisor和Worker。

Nimbus：JStorm中的主控节点，Nimbus类似于MR的JT，负责接收和验证客户端提交的Topology，分配任务，向ZK写入任务相关的元信息，此外，Nimbus还负责通过ZK来监控节点和任务健康情况，当有Supervisor节点变化或者Worker进程出现问题时及时进行任务重新分配。Nimbus分配任务的结果不是直接下发给Supervisor，也是通过ZK维护分配数据进行过渡。特别地，JStorm 0.9.0领先Apache Storm实现了Nimbus HA，由于Nimbus是Stateless节点，所有的状态信息都交由ZK托管，所以HA相对比较简单，热备Nimbus subscribe ZK关于Master活跃状态数据，一旦发现Master出现问题即从ZK里恢复数据后可以立即接管。

Supervisor：JStorm中的工作节点，Supervisor类似于MR的TT，subscribe ZK分配到该节点的任务数据，根据Nimbus的任务分配情况启动/停止工作进程Worker。Supervisor需要定期向ZK写入活跃端口信息以便Nimbus及时监控。Supervisor不执行具体的数据处理工作，所有的数据处理工作都交给Worker完成。

Worker：JStorm中任务执行者，Worker类似于MR的Task，所有实际的数据处理工作最后都在Worker内执行完成。Worker需要定期向Supervsior汇报心跳，由于在同一节点，同时为保持节点的无状态，Worker定期将状态信息写入本地磁盘，Supervisor通过读本地磁盘状态信息完成心跳交互过程。Worker绑定一个独立端口，Worker内所有单元共享Worker的通信能力。

Nimbus、Supervisor和Worker均为Stateless节点，支持Fail-Fast，这为JStorm的扩展性和容错能力提供了很好的保障。

还剩一个问题是Topology的各个计算组件（Spout/Bolt）如何映射到计算资源上。梳理这个问题前需要先明确Worker/Executor/Task之间的关系：

0、Worker：完整的Topology任务是由分布在多个Supervisor节点上的Worker进程（JVM）来执行，每个Worker都执行且仅执行Topology任务的一个子集。

1、Executor：Worker内部会有一个或多个Executor，每个Executor对应一个线程。Executor包括SpoutExecutor和BoltExecutor，同一个Worker里所有的*Executor只能属于某一个Topology里的执行单元。

2、Task：执行具体数据处理实体，也就是用户实现的Spout/Blot实例。一个Executor可以对应多个Task，定义Topology时指定，默认Executor和Task一一对应。这就是说，系统中Executor数量一定是小于等于Task数量（#Executor≤#Task）。

下图给出了一个简单的例子，上半部分描述的是Topology结构及相关说明，其中定义了整个Topology的worker=2，DAG关系，各个计算组件的并行度；下半部分描述了Topology的Task在Supervisor节点的分布情况。从中可以看出Topology到Executor之间的关系。

0、Worker数在提交Topology时在配置文件中指定；

例：#Worker=2

1、执行线程/Executor数在定义Topology的各计算组件并行度时决定，可以不指定，默认为1。其中各个计算组件的并行度之和即为该Topology执行线程总数。

例：#Executor=sum(#parallelism hint)=2+2+6=10

2、Task数目也在定义Toplogy时确定，若不指定默认每个Executor线程对应一个Task，若指定Task数目会在指定数目的线程里平均分配。

例：#Task=sum(#task)=2+4+6=12，其中Executor4={Task0,Task1}

四、 关键流程

0、Topology提交

JStorm为用户提供了StormSubmitter. submitTopology用来向集群提交Topology，整个提交流程：

Client端：
0）客户端简单验证；
1）检查是否已经存在同名Topology；
2）提交jar包；
3）向Nimbus提交Topology；

Nimbus端：
0）Nimbus端简单合法性检查；
1）生成Topology Name；
2）序列化配置文件和Topology Code；
3）Nimbus本地准备运行时所需数据；
4）向ZK注册Topology和Task；
5）将Task压入分配队列等待TopologyAssign分配；

1、任务调度策略

从0.9.0开始，JStorm提供非常强大的调度功能，基本上可以满足大部分的需求，同时支持自定义任务调度策略。JStorm的资源不再仅是Worker的端口，而从CPU/Memory/Disk/Net等四个维度综合考虑。
Nimbus任务调度算法[2]如下：
0）优先使用自定义任务分配算法，当资源无法满足需求时，该任务放到下一级任务分配算法；
1）使用历史任务分配算法（如果打开使用历史任务属性），当资源无法满足需求时，该任务放到下一级任务分配算法；
2）使用默认资源平衡算法，计算每个Supervisor上剩余资源权值，取权值最高的Supervisor分配任务。

2、Acker机制

为保证无数据丢失，Storm/JStorm使用了非常漂亮的可靠性处理机制，如图当定义Topology时指定Acker，JStorm除了Topology本身任务外，还会启动一组称为Acker的特殊任务，负责跟踪Topolgogy DAG中的每个消息。每当发现一个DAG被成功处理完成，Acker就向创建根消息的Spout任务发送一个Ack信号。Topology中Acker任务的并行度默认parallelism hint=1，当系统中有大量的消息时，应该适当提高Acker任务的并行度。

Acker按照Tuple Tree的方式跟踪消息。当Spout发送一个消息的时候，它就通知对应的Acker一个新的根消息产生了，这时Acker就会创建一个新的Tuple Tree。当Acker发现这棵树被完全处理之后，他就会通知对应的Spout任务。

Acker任务保存了数据结构Map<MessageID,Map< TaskID, Value>>，
其中MessageID是Spout根消息ID，TaskID是Spout任务ID，Value表示一个64bit的长整型数字，是树中所有消息的随机ID的异或结果。通过TaskID，Acker知道当消息树处理完成后通知哪个Spout任务，通过MessageID，Acker知道属于Spout任务的哪个消息被成功处理完成。Value表示了整棵树的的状态，无论这棵树多大，只需要这个固定大小的数字就可以跟踪整棵树。当消息被创建和被应答的时候都会有相同的MessageID发送过来做异或。当Acker发现一棵树的Value值为0的时候，表明这棵树已经被成功处理完成。

例如，对于前面Topology中消息树，Acker数据的变化过程：
Step0.A发送T0给B后：
R0=r0
<id0,<taskA,R0>>
Step1.B接收到T0并成功处理后向C发送T1，向D发送T2：
R1=R0^r1^r2=r0^r1^r2
<id0,<taskA,R0^R1>>
=<id0,<taskA,r0^r0^r1^r2>>
=<id0,<taskA,r1^r2>>
Step2.C接收到T1并成功处理后：
R2=r1
<id0,<taskA,r1^r2^R2>>
=<id0,<taskA,r1^r2^r1>>
=<id0,<taskA,r2>>
Step3.D接收到T2并成功处理后：
R3=r2
<id0,<taskA,r2^R3>>
=<id0,<taskA,r2^r2>>
=<id0,<taskA,0>>
当结果为0时Acker可以通知taskA根消息id0的消息树已被成功处理完成。

需要指出的是，Acker并不是必须的，当实际业务可以容忍数据丢失情况下可以不用Acker，对数据丢失零容忍的业务必须打开Acker，另外当系统的消息规模较大是可适当增加Acker的并行度。

3、故障恢复

0）节点故障

Nimbus故障。Nimbus本身无状态，所以Nimbus故障不会影响正在正常运行任务，另外Nimbus HA保证Nimbus故障后可以及时被备份Nimbus接管。
Supervisors节点故障。Supervisor故障后，Nimbus会将故障节点上的任务迁移到其他可用节点上继续运行，但是Supervisor故障需要外部监控并及时手动重启。
Worker故障。Worker健康状况监控由Supervisor负责，当Woker出现故障时，Supervisor会及时在本机重试重启。
Zookeeper节点故障。Zookeeper本身具有很好的故障恢复机制，能保证至少半数以上节点在线就可正常运行，及时修复故障节点即可。

1）任务失败

Spout失败。消息不能被及时被Pull到系统中，造成外部大量消息不能被及时处理，而外部大量计算资源空闲。
Bolt失败。消息不能被处理，Acker持有的所有与该Bolt相关的消息反馈值都不能回归到0，最后因为超时最终Spout的fail将被调用。
Acker失败。Acker持有的所有反馈信息不管成功与否都不能及时反馈到Spout，最后同样因为超时Spout的fail将被调用。
任务失败后，需要Nimbus及时监控到并重新分配失败任务。

五、基础接口

这里把几个基础接口中注释摘出来说明其的作用：

0、ISpout: ISpout is the core interface for implementing spouts. A Spout is responsible for feeding messages into the topology for processing. For every tuple emitted by a spout, Storm will track the (potentially very large) DAG of tuples generated based on a tuple emitted by the spout. When Storm detects that every tuple in that DAG has been successfully processed, it will send an ack message to the Spout.
1、IBolt: IBolt represents a component that takes tuples as input and produces tuples as output. An IBolt can do everything from filtering to joining to functions to aggregations. It does not have to process a tuple immediately and may hold onto tuples to process later.
2、TopologyBuilder: TopologyBuilder exposes the Java API for specifying a topology for Storm to execute.
3、StormSubmitter: Use this class to submit topologies to run on the Storm cluster.

针对前面例子中的Topology这里给出一个简单的实现，其中略去了BlueSpout/GreeBolt/YellowBolt的具体实现，更多参考这里。

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public static void main (String[] args){
   Config conf = new Config();
   // use two worker processes
   conf.setNumWorkers(2);
   // set parallelism hint to 2
   topologyBuilder.setSpout("blue-spout", new BlueSpout(), 2);
   topologyBuilder.setBolt("green-bolt", new GreenBolt(), 2)
                  .setNumTasks(4)
                  .shuffleGrouping("blue-spout");
   topologyBuilder.setBolt("yellow-bolt", new YellowBolt(), 6)
                  .shuffleGrouping("green-bolt");
   StormSubmitter.submitTopology(
        "mytopology",
        conf,
        topologyBuilder.createTopology());
}

JStorm更多包括事务在内的接口详见源码。

六、结语

本文对JStorm做了简单介绍，有错误之处敬请指正。

七、参考文档

[1]Storm社区.http://storm.incubator.apache.org/

[2]JStorm源码.https://github.com/alibaba/jstorm/

[3]Storm源码.https://github.com/nathanmarz/storm/

[4]Jonathan Leibiusky, Gabriel Eisbruch, etc. Getting Started with Storm.http://shop.oreilly.com/product/0636920024835.do. O’Reilly Media, Inc.

[5]Xumingming Blog.http://xumingming.sinaapp.com/

[6]量子恒道官方博客.http://blog.linezing.com/

[7]Google Image.http://images.google.com

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