EasyScheduler調度系統的架構原理及實現思路

系統架構設計

在對調度系統架構說明之前，我們先來認識一下調度系統常用的名詞

1.名詞解釋

DAG： 全稱Directed Acyclic Graph，簡稱DAG。工作流中的Task任務以有向無環圖的形式組裝起來，從入度為零的節點進行拓撲遍歷，直到無后繼節點為止。舉例如下圖：

流程定義：通過拖拽任務節點并建立任務節點的關聯所形成的可視化DAG

流程實例：流程實例是流程定義的實例化，可以通過手動啟動或定時調度生成

任務實例：任務實例是流程定義中任務節點的實例化，標識著具體的任務執行狀態

任務類型： 目前支持有SHELL、SQL、SUB_PROCESS、PROCEDURE、MR、SPARK、PYTHON、DEPENDENT，同時計劃支持動態插件擴展，注意：其中子 SUB_PROCESS 也是一個單獨的流程定義，是可以單獨啟動執行的

調度方式： 系統支持基于cron表達式的定時調度和手動調度。命令類型支持：啟動工作流、從當前節點開始執行、恢復被容錯的工作流、恢復暫停流程、從失敗節點開始執行、補數、調度、重跑、暫停、停止、恢復等待線程。其中 恢復被容錯的工作流 和 恢復等待線程 兩種命令類型是由調度內部控制使用，外部無法調用

定時調度：系統采用 quartz 分布式調度器，并同時支持cron表達式可視化的生成

依賴：系統不單單支持 DAG 簡單的前驅和后繼節點之間的依賴，同時還提供任務依賴節點，支持流程間的自定義任務依賴

優先級 ：支持流程實例和任務實例的優先級，如果流程實例和任務實例的優先級不設置，則默認是先進先出

郵件告警：支持 SQL任務 查詢結果郵件發送，流程實例運行結果郵件告警及容錯告警通知

失敗策略：對于并行運行的任務，如果有任務失敗，提供兩種失敗策略處理方式，繼續是指不管并行運行任務的狀態，直到流程失敗結束。結束是指一旦發現失敗任務，則同時Kill掉正在運行的并行任務，流程失敗結束

補數：補歷史數據，支持區間并行和串行兩種補數方式

2.系統架構

2.1 系統架構圖

2.2 架構說明

• MasterServer

  MasterServer采用分布式無中心設計理念，MasterServer主要負責 DAG 任務切分、任務提交監控，并同時監聽其它MasterServer和WorkerServer的健康狀態。
  MasterServer服務啟動時向Zookeeper注冊臨時節點，通過監聽Zookeeper臨時節點變化來進行容錯處理。

  該服務內主要包含:

  • Distributed Quartz分布式調度組件，主要負責定時任務的啟停操作，當quartz調起任務后，Master內部會有線程池具體負責處理任務的后續操作

  • MasterSchedulerThread是一個掃描線程，定時掃描數據庫中的 command 表，根據不同的命令類型進行不同的業務操作

  • MasterExecThread主要是負責DAG任務切分、任務提交監控、各種不同命令類型的邏輯處理

  • MasterTaskExecThread主要負責任務的持久化

• WorkerServer

  WorkerServer也采用分布式無中心設計理念，WorkerServer主要負責任務的執行和提供日志服務。WorkerServer服務啟動時向Zookeeper注冊臨時節點，并維持心跳。

  該服務包含：

  • FetchTaskThread主要負責不斷從Task Queue中領取任務，并根據不同任務類型調用TaskScheduleThread對應執行器。

  • LoggerServer是一個RPC服務，提供日志分片查看、刷新和下載等功能

• ZooKeeper

  ZooKeeper服務，系統中的MasterServer和WorkerServer節點都通過ZooKeeper來進行集群管理和容錯。另外系統還基于ZooKeeper進行事件監聽和分布式鎖。
  我們也曾經基于Redis實現過隊列，不過我們希望EasyScheduler依賴到的組件盡量地少，所以最后還是去掉了Redis實現。

• Task Queue

  提供任務隊列的操作，目前隊列也是基于Zookeeper來實現。由于隊列中存的信息較少，不必擔心隊列里數據過多的情況，實際上我們壓測過百萬級數據存隊列，對系統穩定性和性能沒影響。

• Alert

  提供告警相關接口，接口主要包括告警兩種類型的告警數據的存儲、查詢和通知功能。其中通知功能又有郵件通知和SNMP(暫未實現)兩種。

• API

  API接口層，主要負責處理前端UI層的請求。該服務統一提供RESTful api向外部提供請求服務。
  接口包括工作流的創建、定義、查詢、修改、發布、下線、手工啟動、停止、暫停、恢復、從該節點開始執行等等。

• UI

  系統的前端頁面，提供系統的各種可視化操作界面，詳見系統使用手冊部分。

2.3 架構設計思想

一、去中心化vs中心化

中心化的設計理念比較簡單，分布式集群中的節點按照角色分工，大體上分為兩種角色：

• Master的角色主要負責任務分發并監督Slave的健康狀態，可以動態的將任務均衡到Slave上，以致Slave節點不至于“忙死”或”閑死”的狀態。
• Worker的角色主要負責任務的執行工作并維護和Master的心跳，以便Master可以分配任務給Slave。

中心化思想設計存在的問題：

• 一旦Master出現了問題，則群龍無首，整個集群就會崩潰。為了解決這個問題，大多數Master/Slave架構模式都采用了主備Master的設計方案，可以是熱備或者冷備，也可以是自動切換或手動切換，而且越來越多的新系統都開始具備自動選舉切換Master的能力,以提升系統的可用性。
• 另外一個問題是如果Scheduler在Master上，雖然可以支持一個DAG中不同的任務運行在不同的機器上，但是會產生Master的過負載。如果Scheduler在Slave上，則一個DAG中所有的任務都只能在某一臺機器上進行作業提交，則并行任務比較多的時候，Slave的壓力可能會比較大。

• 在去中心化設計里，通常沒有Master/Slave的概念，所有的角色都是一樣的，地位是平等的，全球互聯網就是一個典型的去中心化的分布式系統，聯網的任意節點設備down機，都只會影響很小范圍的功能。
• 去中心化設計的核心設計在于整個分布式系統中不存在一個區別于其他節點的”管理者”，因此不存在單點故障問題。但由于不存在” 管理者”節點所以每個節點都需要跟其他節點通信才得到必須要的機器信息，而分布式系統通信的不可靠行，則大大增加了上述功能的實現難度。

• 實際上，真正去中心化的分布式系統并不多見。反而動態中心化分布式系統正在不斷涌出。在這種架構下，集群中的管理者是被動態選擇出來的，而不是預置的，并且集群在發生故障的時候，集群的節點會自發的舉行"會議"來選舉新的"管理者"去主持工作。最典型的案例就是ZooKeeper及Go語言實現的Etcd。

• EasyScheduler的去中心化是Master/Worker注冊到Zookeeper中，實現Master集群和Worker集群無中心，并使用Zookeeper分布式鎖來選舉其中的一臺Master或Worker為“管理者”來執行任務。

二、分布式鎖實踐

EasyScheduler使用ZooKeeper分布式鎖來實現同一時刻只有一臺Master執行Scheduler，或者只有一臺Worker執行任務的提交。

1. 獲取分布式鎖的核心流程算法如下

2. EasyScheduler中Scheduler線程分布式鎖實現流程圖：
   

三、線程不足循環等待問題

• 如果一個DAG中沒有子流程，則如果Command中的數據條數大于線程池設置的閾值，則直接流程等待或失敗。
• 如果一個大的DAG中嵌套了很多子流程，如下圖則會產生“死等”狀態：

上圖中MainFlowThread等待SubFlowThread1結束，SubFlowThread1等待SubFlowThread2結束， SubFlowThread2等待SubFlowThread3結束，而SubFlowThread3等待線程池有新線程，則整個DAG流程不能結束，從而其中的線程也不能釋放。這樣就形成的子父流程循環等待的狀態。此時除非啟動新的Master來增加線程來打破這樣的”僵局”，否則調度集群將不能再使用。

對于啟動新Master來打破僵局，似乎有點差強人意，于是我們提出了以下三種方案來降低這種風險：

1. 計算所有Master的線程總和，然后對每一個DAG需要計算其需要的線程數，也就是在DAG流程執行之前做預計算。因為是多Master線程池，所以總線程數不太可能實時獲取。
2. 對單Master線程池進行判斷，如果線程池已經滿了，則讓線程直接失敗。
3. 增加一種資源不足的Command類型，如果線程池不足，則將主流程掛起。這樣線程池就有了新的線程，可以讓資源不足掛起的流程重新喚醒執行。

注意：Master Scheduler線程在獲取Command的時候是FIFO的方式執行的。

于是我們選擇了第三種方式來解決線程不足的問題。

四、容錯設計

容錯分為服務宕機容錯和任務重試，服務宕機容錯又分為Master容錯和Worker容錯兩種情況

服務容錯設計依賴于ZooKeeper的Watcher機制，實現原理如圖：

其中Master監控其他Master和Worker的目錄，如果監聽到remove事件，則會根據具體的業務邏輯進行流程實例容錯或者任務實例容錯。

• Master容錯流程圖：

ZooKeeper Master容錯完成之后則重新由EasyScheduler中Scheduler線程調度，遍歷 DAG 找到”正在運行”和“提交成功”的任務，對”正在運行”的任務監控其任務實例的狀態，對”提交成功”的任務需要判斷Task Queue中是否已經存在，如果存在則同樣監控任務實例的狀態，如果不存在則重新提交任務實例。

• Worker容錯流程圖：

Master Scheduler線程一旦發現任務實例為” 需要容錯”狀態，則接管任務并進行重新提交。

注意：由于” 網絡抖動”可能會使得節點短時間內失去和ZooKeeper的心跳，從而發生節點的remove事件。對于這種情況，我們使用最簡單的方式，那就是節點一旦和ZooKeeper發生超時連接，則直接將Master或Worker服務停掉。

這里首先要區分任務失敗重試、流程失敗恢復、流程失敗重跑的概念：

• 任務失敗重試是任務級別的，是調度系統自動進行的，比如一個Shell任務設置重試次數為3次，那么在Shell任務運行失敗后會自己再最多嘗試運行3次
• 流程失敗恢復是流程級別的，是手動進行的，恢復是從只能從失敗的節點開始執行或從當前節點開始執行
• 流程失敗重跑也是流程級別的，是手動進行的，重跑是從開始節點進行

接下來說正題，我們將工作流中的任務節點分了兩種類型。

• 一種是業務節點，這種節點都對應一個實際的腳本或者處理語句，比如Shell節點，MR節點、Spark節點、依賴節點等。

• 還有一種是邏輯節點，這種節點不做實際的腳本或語句處理，只是整個流程流轉的邏輯處理，比如子流程節等。

每一個業務節點都可以配置失敗重試的次數，當該任務節點失敗，會自動重試，直到成功或者超過配置的重試次數。邏輯節點不支持失敗重試。但是邏輯節點里的任務支持重試。

如果工作流中有任務失敗達到最大重試次數，工作流就會失敗停止，失敗的工作流可以手動進行重跑操作或者流程恢復操作

五、任務優先級設計

在早期調度設計中，如果沒有優先級設計，采用公平調度設計的話，會遇到先行提交的任務可能會和后繼提交的任務同時完成的情況，而不能做到設置流程或者任務的優先級，因此我們對此進行了重新設計，目前我們設計如下：

• 按照不同流程實例優先級優先于同一個流程實例優先級優先于同一流程內任務優先級優先于同一流程內任務提交順序依次從高到低進行任務處理。

  • 具體實現是根據任務實例的json解析優先級，然后把流程實例優先級_流程實例id_任務優先級_任務id信息保存在ZooKeeper任務隊列中，當從任務隊列獲取的時候，通過字符串比較即可得出最需要優先執行的任務

    • 其中流程定義的優先級是考慮到有些流程需要先于其他流程進行處理，這個可以在流程啟動或者定時啟動時配置，共有5級，依次為HIGHEST、HIGH、MEDIUM、LOW、LOWEST。如下圖

    - 任務的優先級也分為5級，依次為HIGHEST、HIGH、MEDIUM、LOW、LOWEST。如下圖

六、Logback和gRPC實現日志訪問

• 由于Web(UI)和Worker不一定在同一臺機器上，所以查看日志不能像查詢本地文件那樣。有兩種方案：

  • 將日志放到ES搜索引擎上
  • 通過gRPC通信獲取遠程日志信息
• 介于考慮到盡可能的EasyScheduler的輕量級性，所以選擇了gRPC實現遠程訪問日志信息。

• 我們使用自定義Logback的FileAppender和Filter功能，實現每個任務實例生成一個日志文件。

• FileAppender主要實現如下：

  /**
  * task log appender
  */
  public class TaskLogAppender extends FileAppender<ILoggingEvent {
  
   ...
  
  @Override
  protected void append(ILoggingEvent event) {
  
      if (currentlyActiveFile == null){
          currentlyActiveFile = getFile();
      }
      String activeFile = currentlyActiveFile;
      // thread name： taskThreadName-processDefineId_processInstanceId_taskInstanceId
      String threadName = event.getThreadName();
      String[] threadNameArr = threadName.split("-");
      // logId = processDefineId_processInstanceId_taskInstanceId
      String logId = threadNameArr[1];
      ...
      super.subAppend(event);
  }
  }

以/流程定義id/流程實例id/任務實例id.log的形式生成日志

• 過濾匹配以TaskLogInfo開始的線程名稱：

• TaskLogFilter實現如下：

  /**
  *  task log filter
  */
  public class TaskLogFilter extends Filter<ILoggingEvent {
  
  @Override
  public FilterReply decide(ILoggingEvent event) {
      if (event.getThreadName().startsWith("TaskLogInfo-")){
          return FilterReply.ACCEPT;
      }
      return FilterReply.DENY;
  }
  }

總結

本文從調度出發，初步介紹了大數據分布式工作流調度系統--EasyScheduler的架構原理及實現思路。