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自己写一个定时任务框架+负载均衡+OpenAPI异步调用

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karatttt/k-job

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项目背景(为什么要写这个项目?)

目前的定时任务框架已经很成熟,从QuartZ到xxl-job,再到近几年出现的PowerJob,既然有这么多的好的实现,为什么还是选择重写一个定时任务框架呢? 开发中遇到这样的场景,业务层面需要频繁的创建修改定时任务,在考虑分布式的架构下,对于目前可以实现该功能的框架中:

  • MQ的延时队列无法动态调整任务参数;
  • redis的过期策略需要保存太久的key,可能有被淘汰风险,且无法跟踪任务状态
  • xxljob没有原生的openAPI,其基于数据库锁的调度只是实现server的高可用而不是高性能;
  • PowerJob的openAPI是基于http的同步阻塞调度,并且对于server的负载均衡,由于其分组隔离设计,需要开发者手动配置,在高并发下的定时任务操作下,并不能很好的调度server集群。

主流框架往往为了适配更多的场景,支持足够多的功能,往往体积大,且不易动态扩展,为了对项目有最大的控制,在解决以上业务场景的前提下,进行部分功能的修剪,也希望能更好的从中学习主流框架的设计思想,于是决定重写一个定时任务框架。

定位

这是一个基于 PowerJob 的重写和重构版本,修改和扩展了原始项目的功能,以更好地适配业务需求。

  1. 支持定时任务频繁创建和任务参数频繁动态变动的场景(提供轻量API,并使用内置消息队列异步处理)
  2. 支持大量定时任务并发执行的场景,实现负载均衡(分组隔离+应用级别的锁实现)
  3. 主要针对小型任务 ,无需过多配置,不对任务实例进行操作

技术选型

通信 : gRPC(基于netty的nio)
序列化 : Protobuf编码格式编解码
注册中心 :自己实现的注册中心NameServer
        |___ 一致性:AP,参考Nacos的Distro协议
	|___ 策略 : 服务端负载均衡,最小调度次数策略
	|___ 交互 :pull+push
消息队列 : 自己实现的简易消息队列
	|___ 消息发送 : 异步+超时重试
	|___ 持久化 :mmap+同步刷盘策略
	|___ 消息重试 :多级延时队列+死信队列
定时调度 : 时间轮算法

项目结构

├── LICENSE
├── k-job-common // 各组件的公共依赖,开发者无需感知
├── k-job-nameServer // server和worker的注册中心,提供负载均衡
├── k-job-producer //普通Jar包,提供 OpenAPI,内置消息队列的异步发送
├── k-job-server // 基于SpringBoot实现的调度服务器
├── k-job-worker-boot-starter // kjob-worker 的 spring-boot-starter ,spring boot 应用可以通用引入该依赖一键接入 kjob-server 
├── k-job-worker // 普通Jar包,接入kjob-server的应用需要依赖该Jar包
└── pom.xml

特性

负载均衡(解决大量定时任务并发执行场景)

在分布式系统下,解决定时任务并发执行往往考虑server集群的负载均衡(这里的负载均衡特指server集群能够根据自身负载,动态调度worker集群),但是对于定时任务框架,需要关注集群下的任务重复调度问题,目前的定时任务框架大都为了解决该问题而不能较好实现负载均衡

通过查看源码,xxljob的调度,在每次查询数据库获取任务前,通过数据库行锁进行了全局加锁,保证同一时刻只有一个server在进行调度来避免重复调度,但是无法发挥集群server的调度能力

对于PowerJob的调度,通过分组隔离机制(详细可以看官方文档)避免了重复调度,但是同样带来了问题:同一app下的worker集群只能被一台server调度,如果该server的任务太多了呢?如果只有一个业务对应的app,如何用server集群来负载均衡呢?

基于以上问题,增加了一个注册中心nameServer模块来负责负载均衡: img1.png 最小调度次数策略: NameServer记录server集群状态并维护各个server的分配任务次数,由于server是否调度某个worker由表中数据决定,worker会在每次pull判断是否发起请求更新server中的调度关系表,并将目前分组交由最小调度次数的server来调度,当且仅当以下发生:

  • 同一app分组下的workerNum > threshold
  • 该分组对应的server的scheduleTimes > minServerScheduleTime x 2

(考虑到server的地理位置,通信效率等因素,后续可以考虑增加每个server的权重来更优分配)

数据一致性(Distro协议优化)

注册中心的数据包括服务端状态(调度次数和app下的worker个数),以及客户端列表,客户端列表是临时节点且app的重分配无需保证即时性,故无需保证强一致性,只需最终一致性即可。

目前的Gossip协议存在消息重复发送给同一节点的情况,而Nacos的Distro协议每个节点负责一部分数据,然后将数据同步给其他节点,有效的降低了消息冗余的问题。

故这里对Distro协议进行改进,sync的内容包括服务端状态,元数据的校验匹配变动较不频繁的信息,减少全量同步的次数 img6.png

实现功能:

  1. app组自动拆分:可以为app设置组内worker数量阈值,超过阈值自动拆分subApp并分配负载均衡后的server
  2. worker动态分配:对于每一个subApp,当触发pull时,根据最小调度次数策略,可以分配至负载均衡后的server,开发者无需感知subApp

以上,解决PowerJob中同一worker分组只能被一个server调度,以及多个分组需要手动配置ip顺序来负载的问题,且subApp分组可以根据server的负载,实现动态依附至不同server,对于可能的重复调度问题,我们只需加上App级别的锁,相对于xxl-job的全局加锁性能更好。

消息队列(解决任务大量创建和频繁变动场景)

其实一开始用PowerJob作为项目中的中间件,业务中的任务操作使用其openAPI。过程中感受最大的就是,我的业务只是根据任务id修改了任务参数,并不需要server的响应,为什么要同步阻塞?可靠性应由server保证而不是客户端的大量重试及等待。对于业务中频繁创建定时任务和改动,更应是异步操作。

一开始的想法是,使用grpc的futureStub进行异步发送,请求由Reactor线程监听事件,当事件可读时分配给业务线程池进行处理(gRPC内部已经实现)。所以需要做的似乎只是做一个Producer服务,并把stub全换成Future类型,对于jobId,我们用雪花算法拿到一个全局id就可以,无需server分配。 img2.png 但是以上设计有一个致命的问题------阻塞在BlockingQueue的请求无法ack,且server宕机存在消息丢失的可能!这违背了消息队列的设计(入队--ack--持久化--消费),意味着只有被分配到线程(消费者)消费时,才能被ack,而活跃的线程数并不多。故不能仅仅依赖gRPC的内部实现,需要自己实现消息队列

或许可以尝试自己定义一个grpc的线程池,在阻塞队列中进行ack并且持久化,但是这样会阻塞netty的IO线程,也是一个不好的做法

可靠消息

以rocketMQ为例,producer的消息会先到达broker中的队列后返回ack,consumer再轮询从broker中pull重平衡处理后的消息消费。

考虑到本项目的设计无需路由,所有的server都可以接受消息,于是不再设计broker,将server和broker结合,每个server维护自己的队列,且消费自己队列的消息,这样还能减少一次通信。

这样可靠消息的解决就变成了:

  1. producer到server的消息丢失------失败或者超时则依次遍历所有的server,一定能保证消息抵达,不再阐述
  2. server的队列消息丢失(机器宕机)------持久化,采用同步刷盘策略,百分之百的可靠

持久化:同步刷盘机制借鉴了rocketMQ的mmapcommitLog/consumerQueue设计,将磁盘的文件映射到内存进行读写,每次消息进来先存到buffer后触发刷盘,成功后执行写响应的回调;用consumerQueue文件作为队列,server定时pull消费消息,详细见k-job-server.consumer.DefaultMessageStore

消息重试

对于producer,前面提到,为了应对大量定时任务的场景,对于任务的操作,应全部是异步的,我们引入超时机制即可,当超过一定的时间未收到ack,或者返回错误响应,选择下一个server发起重试

对于consumer(server),使用多级延时队列,当某个消息消费失败后,投递至下一级延迟更久的延时队列,若全都消费失败则进入死信队列,需要人工干预

最终实现如图所示: img3.png

实现功能:

  1. 对于操作任务请求的异步操作
  2. 轮询策略实现消费的负载均衡

其他

附上个人总结的对于worker和server之间服务发现以及调度的流程图

服务发现

img4.png

调度

img5.png

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