ZStack源码剖析之模块鉴赏——LongJob

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前言

在ZStack中,当用户在UI上发起操作时,前端会调用后端的API对实际的资源发起操作请求。但在一个分布式系统中,我们不能假设网络是可靠的(同样要面对的还有单点故障等)——这往往导致API会超时。ZStack有默认的API超时机制,为30mins。但从UI上看来,用户的体验不是很好,如下:

如果API遇到什么情况而一直没有响应,在这里用户也只能默默等到其超时。因为这个状态下,API是交给一个线程在执行的,见ZStack源码剖析之核心库鉴赏——ThreadFacade中的分析
。最可怕的是,由于队列的存在,对该资源操作的API将全部处于队列中而成为等待状态。

解决方案

在ZStack 2.3版本开始引入了一个新的概念——LongJob。这基于ZStack的原有设计——FlowChain(我在我的博客中详细分析过FlowChain,如果不懂的小伙伴可以点这里),依靠FlowChain,我们把业务逻辑拆成一个个个Flow,并设置对应的RollBack。为了避免之后讲起来有点迷,先解释一下技术名词。

LongJob的状态是用于被APIQuery的,也提供了进度条。并且允许start、stop、cancel等行为。

名词

LongJob

长任务。以API可操作的概念具现。上面提到过,允许运行、暂停、取消等行为。

LongJobInstance

长任务实例。每个作业执行时,都会生成一个实例,实例会存放在LongJobVO这个数据库表中。便于UI调用API查看各个LongJobInstance的状态。

Flow

最小的一个业务单元。LongJob的组成,前面说过,LongJob基于FlowChain。

LongJob Parameters

LongJob参数。用于提交LongJob的参数,不同的参数可以区分不同的Job。

数据结构

LongJobVO

@Entity
@Table
public class LongJobVO extends ResourceVO {
    @Column
    private String name;

    @Column
    private String description;

    @Column
    private String apiId;

    @Column
    private String jobName;

    @Column
    private String jobData;

    @Column
    private String jobResult;

    @Column
    @Enumerated(EnumType.STRING)
    private LongJobState state;

    @Column
    private String targetResourceUuid;

    @Column
    @ForeignKey(parentEntityClass = ManagementNodeVO.class, onDeleteAction = ForeignKey.ReferenceOption.SET_NULL)
    private String managementNodeUuid;

    @Column
    private Timestamp createDate;

    @Column
    private Timestamp lastOpDate;
//忽略get set方法
}

该数据结构描述了如下关键信息:

  • targeResourceUuid - 用以描述 job 针对的资源,对于分类查找比较有用。通过 resourceUuid 可以在 ResourceVO 里找到类型。
  • apiId - 用以查询该 job 在 TaskProgressVO 中的进度信息。
  • jobName - 执行该 job 的 class 名字。参见下面的 JobExecution (类似现有的 AbstractSchedulerJob)
  • jobData - 存放执行该 job 需要的额外参数信息。

LongJob

public interface LongJob {
    void start(LongJobVO job, Completion completion);
    void cancel(LongJobVO job, Completion completion);
}

所有LongJob都必须实现该接口,并实现start/cancel等方法。

LongJobFor

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface LongJobFor {
    Class<?> value();
}

为具体的LongJob增加该注解,表示该LongJob针对哪个APIMessage。

比如为BackupStorageMigrateImageJob增加注解:@LongJobFor(APIBackupStorageMigrateImageMsg.class)

LongJobData

interface LongJobData {
}

由于LongJob要复用现有逻辑以及保证可维护性,这里处理的代码和原先逻辑为同一处。handleApiMessage和handleLongJobMessage必须要将所有的参数抽出来再传到共用的逻辑层。不仅如此,之后定时任务也有可能做成LongJob,故此定义这个接口。

LongJobMessageData


public class LongJobMessageData implements LongJobData {
    protected final NeedReplyMessage needReplyMessage;
 
    public LongJobMessageData(NeedReplyMessage msg){
        this.needReplyMessage = msg;
    }
 
    public NeedReplyMessage getNeedReplyMessage() {
        return needReplyMessage;
    }
}

该接口实现了LongJobData(这里LongJobData仅仅用于标识一个类型),用于完成目前的需求——部分LongJob Feature来自于APIMessage的改进。而InnerMessage和APIMessage都继承于NeedReplyMessage,为加强代码可读性,将公用数据结构抽取了出来,方便调用。

LongJobFactory

根据jobName获取LongJob实例。

比如当jobName为APIBackupStorageMigrateImageMsg时,获取BackupStorageMigrateImageJob实例。

LongJobManager

用以处理 Job 相关的 API,比如 APICancelJobMsg,APIRestartJobMsg 等等。维护 jobUuid 和相应的 CancellableSharedFlowChain 之间的关系。

CancellableShareFlowChain

继承 ShareFlowChain,实现 Cancellable。每个 Job 底层逻辑都必须用 CancellableSharedFlowChain 实现。

详解

LongJob相关的API


在图中我们可以看到LongJob提供了几个API,较为重要的是QueryAPI——用户可以使用它来查询LongJob的一个进度状态。

从白话讲起

LongJob则是基于FlowChain之上扩展的,首先,每个LongJob调用与原有APIMessage行为相同的内部Message。我们以APIAddImageMsg为例,看一下它的逻辑。

在这里,我们可以看到Msg们将其的参数都Copy到了相应的LongJobData中,并进行传参,进入了一个统一的入口。这样便于逻辑的维护,免于和原有的API handle处分为两段逻辑。

再看调用实例

那么是如何调用的呢?按照老规矩,我们来看一个TestCase——AddImageLongJobCase

    void testAddImage() {
        int oldSize = Q.New(ImageVO.class).list().size()
        int flag = 0
        myDescription = "my-test"

        env.afterSimulator(SftpBackupStorageConstant.DOWNLOAD_IMAGE_PATH) { Object response ->
            //DownloadImageMsg
            LongJobVO vo = Q.New(LongJobVO.class).eq(LongJobVO_.description, myDescription).find()
            assert vo.state == LongJobState.Running
            flag += 1
            return response
        }

        APIAddImageMsg msg = new APIAddImageMsg()
        msg.setName("TinyLinux")
        msg.setBackupStorageUuids(Collections.singletonList(bs.uuid))
        msg.setUrl("http://192.168.1.20/share/images/tinylinux.qcow2")
        msg.setFormat(ImageConstant.QCOW2_FORMAT_STRING)
        msg.setMediaType(ImageConstant.ImageMediaType.RootVolumeTemplate.toString())
        msg.setPlatform(ImagePlatform.Linux.toString())

        LongJobInventory jobInv = submitLongJob {
            sessionId = adminSession()
            jobName = "APIAddImageMsg"
            jobData = gson.toJson(msg)
            description = myDescription
        } as LongJobInventory

        assert jobInv.getJobName() == "APIAddImageMsg"
        assert jobInv.state == org.zstack.sdk.LongJobState.Running

        retryInSecs() {
            LongJobVO job = dbFindByUuid(jobInv.getUuid(), LongJobVO.class)
            assert job.state == LongJobState.Succeeded
        }

        int newSize = Q.New(ImageVO.class).count().intValue()
        assert newSize > oldSize
        assert 1 == flag
    }

可以看到本质是将原来的APIMsg转为字符串作为LongJob的Data传入,调用起来很方便。

实现

再来看看它的实现,当APISubmitLongJobMsg被发送出去后,handle的地方做了什么呢?见LongJobManagerImpl

    private void handle(APISubmitLongJobMsg msg) {
        // create LongJobVO
        LongJobVO vo = new LongJobVO();
        if (msg.getResourceUuid() != null) {
            vo.setUuid(msg.getResourceUuid());
        } else {
            vo.setUuid(Platform.getUuid());
        }
        if (msg.getName() != null) {
            vo.setName(msg.getName());
        } else {
            vo.setName(msg.getJobName());
        }
        vo.setDescription(msg.getDescription());
        vo.setApiId(msg.getId());
        vo.setJobName(msg.getJobName());
        vo.setJobData(msg.getJobData());
        vo.setState(LongJobState.Waiting);
        vo.setTargetResourceUuid(msg.getTargetResourceUuid());
        vo.setManagementNodeUuid(Platform.getManagementServerId());
        vo = dbf.persistAndRefresh(vo);
        logger.info(String.format("new longjob [uuid:%s, name:%s] has been created", vo.getUuid(), vo.getName()));
        tagMgr.createTagsFromAPICreateMessage(msg, vo.getUuid(), LongJobVO.class.getSimpleName());
        acntMgr.createAccountResourceRef(msg.getSession().getAccountUuid(), vo.getUuid(), LongJobVO.class);
        msg.setJobUuid(vo.getUuid());

        // wait in line
        thdf.chainSubmit(new ChainTask(msg) {
            @Override
            public String getSyncSignature() {
                return "longjob-" + msg.getJobUuid();
            }

            @Override
            public void run(SyncTaskChain chain) {
                APISubmitLongJobEvent evt = new APISubmitLongJobEvent(msg.getId());
                LongJobVO vo = dbf.findByUuid(msg.getJobUuid(), LongJobVO.class);
                vo.setState(LongJobState.Running);
                vo = dbf.updateAndRefresh(vo);
                // launch the long job right now
                ThreadContext.put(Constants.THREAD_CONTEXT_API, vo.getApiId());
                ThreadContext.put(Constants.THREAD_CONTEXT_TASK_NAME, vo.getJobName());
                LongJob job = longJobFactory.getLongJob(vo.getJobName());
                job.start(vo, new Completion(msg) {
                    LongJobVO vo = dbf.findByUuid(msg.getJobUuid(), LongJobVO.class);

                    @Override
                    public void success() {
                        vo.setState(LongJobState.Succeeded);
                        vo.setJobResult("Succeeded");
                        dbf.update(vo);
                        logger.info(String.format("successfully run longjob [uuid:%s, name:%s]", vo.getUuid(), vo.getName()));
                    }

                    @Override
                    public void fail(ErrorCode errorCode) {
                        vo.setState(LongJobState.Failed);
                        vo.setJobResult("Failed : " + errorCode.toString());
                        dbf.update(vo);
                        logger.info(String.format("failed to run longjob [uuid:%s, name:%s]", vo.getUuid(), vo.getName()));
                    }
                });


                evt.setInventory(LongJobInventory.valueOf(vo));
                logger.info(String.format("longjob [uuid:%s, name:%s] has been started", vo.getUuid(), vo.getName()));
                bus.publish(evt);

                chain.next();
            }

            @Override
            public String getName() {
                return getSyncSignature();
            }
        });
    }

这段逻辑大致为:

  • 创建一个LongJob记录,以及相关的SystemTag和账户资源管理引用
  • 提交至线程池。使用LongJobFactory获取一个LongJob实例。并执行LongJob对应实现的start,在合适的时机进行状态变化。

LongJobFactory

public class LongJobFactoryImpl implements LongJobFactory, Component {
    private static final CLogger logger = Utils.getLogger(LongJobFactoryImpl.class);
    /**
     * Key:LongJobName
     */
    private TreeMap<String, LongJob> allLongJob = new TreeMap<>();

    @Override
    public LongJob getLongJob(String jobName) {
        LongJob job = allLongJob.get(jobName);
        if (null == job) {
            throw new OperationFailureException(operr("%s has no corresponding longjob", jobName));
        }
        return job;
    }

    @Override
    public boolean start() {
        LongJob job = null;
        List<Class> longJobClasses = BeanUtils.scanClass("org.zstack", LongJobFor.class);
        for (Class it : longJobClasses) {
            LongJobFor at = (LongJobFor) it.getAnnotation(LongJobFor.class);
            try {
                job = (LongJob) it.newInstance();
            } catch (InstantiationException | IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            if (null == job) {
                logger.warn(String.format("[LongJob] class name [%s] but get LongJob instance is null ", at.getClass().getSimpleName()));
                continue;
            }
            logger.debug(String.format("[LongJob] collect class [%s]", job.getClass().getSimpleName()));
            allLongJob.put(at.value().getSimpleName(), job);
        }
        return true;
    }

    @Override
    public boolean stop() {
        allLongJob.clear();
        return true;
    }
}

该FactoryImpl继承了Component接口。在ZStack Start的时候会利用反射收集带有LongJobFor这个Annotation的Class。在原先的版本中则是每一次调用的时候利用反射去寻找,会造成一个不必要的开销。故此这里也是做了一个Cache般的改进,因为在Application起来后是不会动态的去添加一种LongJob的。

回来,还是以AddImageLongJob为例,我们来看看start时会做什么,见AddImageLongJob

package org.zstack.image;

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowire;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Configurable;
import org.zstack.core.Platform;
import org.zstack.core.cloudbus.CloudBus;
import org.zstack.core.cloudbus.CloudBusCallBack;
import org.zstack.core.db.DatabaseFacade;
import org.zstack.header.core.Completion;
import org.zstack.header.image.APIAddImageMsg;
import org.zstack.header.image.AddImageMsg;
import org.zstack.header.image.ImageConstant;
import org.zstack.header.longjob.LongJobFor;
import org.zstack.header.longjob.LongJobVO;
import org.zstack.header.message.MessageReply;
import org.zstack.longjob.LongJob;
import org.zstack.utils.gson.JSONObjectUtil;


/**
 * Created by on camile 2018/2/2.
 */
@LongJobFor(APIAddImageMsg.class)
@Configurable(preConstruction = true, autowire = Autowire.BY_TYPE)
public class AddImageLongJob implements LongJob {
    @Autowired
    protected CloudBus bus;
    @Autowired
    protected DatabaseFacade dbf;

    @Override
    public void start(LongJobVO job, Completion completion) {
        AddImageMsg msg = JSONObjectUtil.toObject(job.getJobData(), AddImageMsg.class);
        bus.makeLocalServiceId(msg, ImageConstant.SERVICE_ID);
        bus.send(msg, new CloudBusCallBack(null) {
            @Override
            public void run(MessageReply reply) {
                if (reply.isSuccess()) {
                    completion.success();
                } else {
                    completion.fail(reply.getError());
                }
            }
        });
    }

    @Override
    public void cancel(LongJobVO job, Completion completion) {
        // TODO
        completion.fail(Platform.operr("not supported"));
    }
}

这里则是发送了一个inner msg出去,我们看一下handle处的逻辑:

    private void handle(AddImageMsg msg) {
        AddImageReply evt = new AddImageReply();
        AddImageLongJobData data = new AddImageLongJobData(msg);
        BeanUtils.copyProperties(msg, data);
        handleAddImageMsg(data, evt);
    }

可以看到这里将msg的参数全部取了出来,放入一个公共结构里,并传入了真正的handle处。

APIAddImageMsg也是这么做的:

    private void handle(final APIAddImageMsg msg) {
        APIAddImageEvent evt = new APIAddImageEvent(msg.getId());
        AddImageLongJobData data = new AddImageLongJobData(msg);
        BeanUtils.copyProperties(msg, data);
        handleAddImageMsg(data, evt);
    }

在前面提到过,为了更好的可维护性,这两个Msg共用了一段逻辑。

复用Intercepter

了解ZStack的同学都知道,任何一条APIMsg发送的时候会进入Intercepter。那么LongJob的submit其实是把APIMsg作为参数传入了,那么如何复用之前的Intercepter呢?我们来看看LongJobApiInterceptor

public class LongJobApiInterceptor implements ApiMessageInterceptor, Component {
    private static final CLogger logger = Utils.getLogger(LongJobApiInterceptor.class);

    /**
     * Key:LongJobName
     */
    private TreeMap<String, Class<APIMessage>> apiMsgOfLongJob = new TreeMap<>();

    @Override
    public APIMessage intercept(APIMessage msg) throws ApiMessageInterceptionException {
        if (msg instanceof APISubmitLongJobMsg) {
            validate((APISubmitLongJobMsg) msg);
        } else if (msg instanceof APICancelLongJobMsg) {
            validate((APICancelLongJobMsg) msg);
        } else if (msg instanceof APIDeleteLongJobMsg) {
            validate((APIDeleteLongJobMsg) msg);
        }

        return msg;
    }

    private void validate(APISubmitLongJobMsg msg) {
        Class<APIMessage> apiClass = apiMsgOfLongJob.get(msg.getJobName());
        if (null == apiClass) {
            throw new ApiMessageInterceptionException(argerr("%s is not an API", msg.getJobName()));
        }
        // validate msg.jobData
        Map<String, Object> config = new HashMap<>();
        List<String> serviceConfigFolders = new ArrayList<>();
        serviceConfigFolders.add("serviceConfig");
        config.put("serviceConfigFolders", serviceConfigFolders);
        ApiMessageProcessor processor = new ApiMessageProcessorImpl(config);
        APIMessage jobMsg = JSONObjectUtil.toObject(msg.getJobData(), apiClass);
        jobMsg.setSession(msg.getSession());
        jobMsg = processor.process(jobMsg);                     // may throw ApiMessageInterceptionException
        msg.setJobData(JSONObjectUtil.toJsonString(jobMsg));    // msg may be changed during validation
    }

    private void validate(APICancelLongJobMsg msg) {
        LongJobState state = Q.New(LongJobVO.class)
                .select(LongJobVO_.state)
                .eq(LongJobVO_.uuid, msg.getUuid())
                .findValue();

        if (state == LongJobState.Succeeded) {
            throw new ApiMessageInterceptionException(argerr("cannot cancel longjob that is succeeded"));
        }
        if (state == LongJobState.Canceled) {
            throw new ApiMessageInterceptionException(argerr("cannot cancel longjob that is already canceled"));
        }
        if (state == LongJobState.Failed) {
            throw new ApiMessageInterceptionException(argerr("cannot cancel longjob that is failed"));
        }
    }

    private void validate(APIDeleteLongJobMsg msg) {
        LongJobState state = Q.New(LongJobVO.class)
                .select(LongJobVO_.state)
                .eq(LongJobVO_.uuid, msg.getUuid())
                .findValue();

        if (state != LongJobState.Succeeded && state != LongJobState.Canceled && state != LongJobState.Failed) {
            throw new ApiMessageInterceptionException(argerr("delete longjob only when it's succeeded, canceled, or failed"));
        }
    }

    @Override
    public boolean start() {
        Class<APIMessage> apiClass = null;
        List<Class> longJobClasses = BeanUtils.scanClass("org.zstack", LongJobFor.class);
        for (Class it : longJobClasses) {
            LongJobFor at = (LongJobFor) it.getAnnotation(LongJobFor.class);
            try {
                apiClass = (Class<APIMessage>) Class.forName(at.value().getName());
            } catch (ClassNotFoundException | ClassCastException e) {
                //ApiMessage and LongJob are not one by one corresponding ,so we skip it
                e.printStackTrace();
                continue;
            }
            logger.debug(String.format("[LongJob] collect api class [%s]", apiClass.getSimpleName()));
            apiMsgOfLongJob.put(at.value().getSimpleName(), apiClass);
        }
        return true;
    }

    @Override
    public boolean stop() {
        apiMsgOfLongJob.clear();
        return true;
    }
}

逻辑很简单,通过LongJob的name找出了对应的APIMsg,并将APIMsg发向了对应Intercepter。

在查找APIMsg这一步也是采用了Cache的思想,在Start的时候就进行了收集。

展望

在前面的定义中,我们提到了LongJob是允许暂停和取消行为的。这在接口中也可以看到类似的期许:

public interface LongJob {
    void start(LongJobVO job, Completion completion);
    void cancel(LongJobVO job, Completion completion);
}

那么该如何实现它呢?在这里我们仅仅做一个展望,到时还是以释放出来的代码为准。

Stop

首先,在CancellableSharedFlowChain 定义一个必须被实现的接口。如`stop
Condition`,返回一个boolean。在每个Flow执行前会判断该boolean是否为true,如果为true。则保存context到db,并停止执行。

Cancel

同样,也是在CancellableSharedFlowChain 定义一个必须被实现的接口。如cancelCondition,返回一个boolean。在每个Flow执行前会判断该boolean是否为true,如果为true。则停止执行并触发之前的所有rollback。

Rollback的特殊技巧

那么可能会有同学问了,在这样的设计下,如果发生了如断电的情况,必然导致无法Rollback。这种情况如果发生在一个数据中心,可以说是灾难也不为过。但是我们可以考虑一下如何实现更具有原子性Rollback。

浅谈数据库事务的实现

数据库的事务主要是通过Undo日志来实现。在一条记录更新前(更新到硬盘),一定要把相关的Undo日志写入硬盘;而“提交事务”这种记录,要在记录更新完毕后再写入硬盘。所谓的Undo日志,就是没有操作前的日志。如果同学们听完还是觉得有点迷,可以看这篇文章:

可以考虑的方案

在了解了数据库事务的实现后,我们可以大致设计出一种方案,用于保证断电后Rollback的完整性:

  1. 在一个FlowChain执行前,在DB里存入一个类似Start FlowChain的标记
  2. 定义每一个Flow的Number号,如第一个Flow为1。在Flow执行前,记录当前Flow Number到数据库,写Flow1开始执行。Flow执行完之前,写Flow1执行完毕。
  3. Flow执行完了,在DB里存入一个类似Done FlowChian的标记。这里我们把Done的那部分也看做一个Flow。

那么在任何以步骤出问题的时候,基本都可以完成一个Rollback。我们来看一看:

还没执行Flow的时候断电

DB中的记录为Start FlowChain,那么是不需要Rollback的。

执行一个Flow的时候断电

DB中的最新记录为Flow1开始执行的话,不需要Rollback。这种分布式场景下如果需要做到强一致性,只能对每行代码做类似Undo日志的记录了。

但是如果记录为Flow1执行完毕,开始Rollback。

之后执行几个Flow都是参考这里的一个做法。

小结

在本文中,笔者和大家了解了ZStack在2.3引入的新模块——LongJob。并对其的出现的背景、解决的痛点和实现进行了分析,最后展望了一下接下来版本中可能会增强的功能。

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