你真的了解实时计算吗？

原文：http://dataunion.org/20226.html

请看下面的图：

我们以热卖产品的统计为例，看下传统的计算手段：

1. 将用户行为、log等信息清洗后保存在数据库中.
2. 将订单信息保存在数据库中.
3. 利用触发器或者协程等方式建立本地索引，或者远程的独立索引.
4. join订单信息、订单明细、用户信息、商品信息等等表，聚合统计20分钟内热卖产品，并返回top-10.
5. web或app展示.

这是一个假想的场景，但假设你具有处理类似场景的经验，应该会体会到这样一些问题和难处：

1. 水平扩展问题（scale-out）
   显然，如果是一个具有一定规模的电子商务网站，数据量都是很大的。而交易信息因为涉及事务，所以很难直接舍弃关系型数据库的事务能力，迁移到具有更好的scale-out能力的NoSQL数据库中。

   那么，一般都会做sharding。历史数据还好说，我们可以按日期来归档，并可以通过批处理式的离线计算，将结果缓存起来。
   但是，这里的要求是20分钟内，这很难。

2. 性能问题
   这个问题，和scale-out是一致的，假设我们做了sharding，因为表分散在各个节点中，所以我们需要多次入库，并在业务层做聚合计算。

   问题是，20分钟的时间要求，我们需要入库多少次呢？
   10分钟呢？
   5分钟呢？
   实时呢？
   而且，业务层也同样面临着单点计算能力的局限，需要水平扩展，那么还需要考虑一致性的问题。
   所以，到这里一切都显得很复杂。

3. 业务扩展问题
   假设我们不仅仅要处理热卖商品的统计，还要统计广告点击、或者迅速根据用户的访问行为判断用户特征以调整其所见的信息，更加符合用户的潜在需求等，那么业务层将会更加复杂。

也许你有更好的办法，但实际上，我们需要的是一种新的认知：

这个世界发生的事，是实时的。
所以我们需要一种实时计算的模型，而不是批处理模型。
我们需要的这种模型，必须能够处理很大的数据，所以要有很好的scale-out能力，最好是，我们都不需要考虑太多一致性、复制的问题。

那么，这种计算模型就是实时计算模型，也可以认为是流式计算模型。

现在假设我们有了这样的模型，我们就可以愉快地设计新的业务场景：

1. 转发最多的微博是什么？
2. 最热卖的商品有哪些？
3. 大家都在搜索的热点是什么？
4. 我们哪个广告，在哪个位置，被点击最多？

或者说，我们可以问：

这个世界，在发生什么？

最热的微博话题是什么？

我们以一个简单的滑动窗口计数的问题，来揭开所谓实时计算的神秘面纱。

假设，我们的业务要求是：

统计20分钟内最热的10个微博话题。

解决这个问题，我们需要考虑：

1. 数据源
   这里，假设我们的数据，来自微博长连接推送的话题。
2. 问题建模
   我们认为的话题是#号扩起来的话题，最热的话题是此话题出现的次数比其它话题都要多。
   比如：@foreach_break : 你好,#世界#,我爱你，#微博#。
   “世界”和“微博”就是话题。
3. 计算引擎
   我们采用storm。
4. 定义时间

如何定义时间？

时间的定义是一件很难的事情，取决于所需的精度是多少。
根据实际，我们一般采用tick来表示时刻这一概念。

在storm的基础设施中，executor启动阶段，采用了定时器来触发“过了一段时间”这个事件。
如下所示：

(defn setup-ticks! [worker executor-data]
  (let [storm-conf (:storm-conf executor-data)
        tick-time-secs (storm-conf TOPOLOGY-TICK-TUPLE-FREQ-SECS)
        receive-queue (:receive-queue executor-data)
        context (:worker-context executor-data)]
    (when tick-time-secs
      (if (or (system-id? (:component-id executor-data))
              (and (= false (storm-conf TOPOLOGY-ENABLE-MESSAGE-TIMEOUTS))
                   (= :spout (:type executor-data))))
        (log-message "Timeouts disabled for executor " (:component-id executor-data) ":" (:executor-id executor-data))
        (schedule-recurring
          (:user-timer worker)
          tick-time-secs
          tick-time-secs
          (fn []
            (disruptor/publish
              receive-queue
              [[nil (TupleImpl. context [tick-time-secs] Constants/SYSTEM_TASK_ID Constants/SYSTEM_TICK_STREAM_ID)]]
              )))))))

之前的博文中，已经详细分析了这些基础设施的关系，不理解的童鞋可以翻看前面的文章。

每隔一段时间，就会触发这样一个事件，当流的下游的bolt收到一个这样的事件时，就可以选择是增量计数还是将结果聚合并发送到流中。

bolt如何判断收到的tuple表示的是“tick”呢？
负责管理bolt的executor线程，从其订阅的消息队列消费消息时，会调用到bolt的execute方法，那么，可以在execute中这样判断：

public static boolean isTick(Tuple tuple) {
    return tuple != null
           && Constants.SYSTEM_COMPONENT_ID  .equals(tuple.getSourceComponent())
           && Constants.SYSTEM_TICK_STREAM_ID.equals(tuple.getSourceStreamId());
}

结合上面的setup-tick!的clojure代码，我们可以知道SYSTEM_TICK_STREAM_ID在定时事件的回调中就以构造函数的参数传递给了tuple，那么SYSTEM_COMPONENT_ID是如何来的呢？
可以看到，下面的代码中，SYSTEM_TASK_ID同样传给了tuple：

;; 请注意SYSTEM_TASK_ID和SYSTEM_TICK_STREAM_ID
(TupleImpl. context [tick-time-secs] Constants/SYSTEM_TASK_ID Constants/SYSTEM_TICK_STREAM_ID)

然后利用下面的代码，就可以得到SYSTEM_COMPONENT_ID：

    public String getComponentId(int taskId) {
        if(taskId==Constants.SYSTEM_TASK_ID) {
            return Constants.SYSTEM_COMPONENT_ID;
        } else {
            return _taskToComponent.get(taskId);
        }
    }

滑动窗口

有了上面的基础设施，我们还需要一些手段来完成“工程化”，将设想变为现实。

这里，我们看看Michael G. Noll的滑动窗口设计。

注：图片来自http://www.michael-noll.com/blog/2013/01/18/implementing-real-time-trending-topics-in-storm/

Topology

    String spoutId = "wordGenerator";
    String counterId = "counter";
    String intermediateRankerId = "intermediateRanker";
    String totalRankerId = "finalRanker";
    // 这里，假设TestWordSpout就是我们发送话题tuple的源
    builder.setSpout(spoutId, new TestWordSpout(), 5);
    // RollingCountBolt的时间窗口为9秒钟，每3秒发送一次统计结果到下游
    builder.setBolt(counterId, new RollingCountBolt(9, 3), 4).fieldsGrouping(spoutId, new Fields("word"));
    // IntermediateRankingsBolt，将完成部分聚合，统计出top-n的话题
    builder.setBolt(intermediateRankerId, new IntermediateRankingsBolt(TOP_N), 4).fieldsGrouping(counterId, new Fields(
        "obj"));
        // TotalRankingsBolt， 将完成完整聚合，统计出top-n的话题
    builder.setBolt(totalRankerId, new TotalRankingsBolt(TOP_N)).globalGrouping(intermediateRankerId);

上面的topology设计如下：

注：图片来自http://www.michael-noll.com/blog/2013/01/18/implementing-real-time-trending-topics-in-storm/

将聚合计算与时间结合起来

前文，我们叙述了tick事件，回调中会触发bolt的execute方法，那可以这么做：

RollingCountBolt:

  @Override
  public void execute(Tuple tuple) {
    if (TupleUtils.isTick(tuple)) {
      LOG.debug("Received tick tuple, triggering emit of current window counts");
      // tick来了，将时间窗口内的统计结果发送，并让窗口滚动
      emitCurrentWindowCounts();
    }
    else {
      // 常规tuple，对话题计数即可
      countObjAndAck(tuple);
    }
  }

  // obj即为话题，增加一个计数 count++
  // 注意，这里的速度基本取决于流的速度，可能每秒百万，也可能每秒几十.
  // 内存不足？ bolt可以scale-out.
  private void countObjAndAck(Tuple tuple) {
    Object obj = tuple.getValue(0);
    counter.incrementCount(obj);
    collector.ack(tuple);
  }
  
  // 将统计结果发送到下游
  private void emitCurrentWindowCounts() {
    Map<Object, Long> counts = counter.getCountsThenAdvanceWindow();
    int actualWindowLengthInSeconds = lastModifiedTracker.secondsSinceOldestModification();
    lastModifiedTracker.markAsModified();
    if (actualWindowLengthInSeconds != windowLengthInSeconds) {
      LOG.warn(String.format(WINDOW_LENGTH_WARNING_TEMPLATE, actualWindowLengthInSeconds, windowLengthInSeconds));
    }
    emit(counts, actualWindowLengthInSeconds);
  }

上面的代码可能有点抽象，看下这个图就明白了，tick一到，窗口就滚动：

注：图片来自http://www.michael-noll.com/blog/2013/01/18/implementing-real-time-trending-topics-in-storm/

IntermediateRankingsBolt & TotalRankingsBolt：

  public final void execute(Tuple tuple, BasicOutputCollector collector) {
    if (TupleUtils.isTick(tuple)) {
      getLogger().debug("Received tick tuple, triggering emit of current rankings");
      // 将聚合并排序的结果发送到下游
      emitRankings(collector);
    }
    else {
      // 聚合并排序
      updateRankingsWithTuple(tuple);
    }
  }

其中，IntermediateRankingsBolt和TotalRankingsBolt的聚合排序方法略有不同：

IntermediateRankingsBolt的聚合排序方法：

// IntermediateRankingsBolt的聚合排序方法：
  @Override
  void updateRankingsWithTuple(Tuple tuple) {
    // 这一步，将话题、话题出现的次数提取出来
    Rankable rankable = RankableObjectWithFields.from(tuple);
    // 这一步，将话题出现的次数进行聚合，然后重排序所有话题
    super.getRankings().updateWith(rankable);
  }

TotalRankingsBolt的聚合排序方法：

// TotalRankingsBolt的聚合排序方法
  @Override
  void updateRankingsWithTuple(Tuple tuple) {
  // 提出来自IntermediateRankingsBolt的中间结果
    Rankings rankingsToBeMerged = (Rankings) tuple.getValue(0);
  // 聚合并排序
    super.getRankings().updateWith(rankingsToBeMerged);
  // 去0，节约内存
    super.getRankings().pruneZeroCounts();
  }

而重排序方法比较简单粗暴，因为只求前N个，N不会很大：

  private void rerank() {
    Collections.sort(rankedItems);
    Collections.reverse(rankedItems);
  }

结语

下图可能就是我们想要的结果，我们完成了t0 – t1时刻之间的热点话题统计，其中的foreach_break仅仅是为了防盗版 : ].

文中对滑动窗口计数的概念和关键代码做了较为详细解释，如果还有不理解，请参考http://www.michael-noll.com/blog/2013/01/18/implementing-real-time-trending-topics-in-storm/的设计以及storm的源码.

希望你了解了什么是实时计算 ：]