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源碼分析 RocketMQ DLedger 多副本系列已經進行到第 8 篇了,前面的章節主要是介紹了基於 raft 協議的選主與日誌複製,從本篇開始將開始關注如何將 DLedger 應用到 RocketMQ中。
摘要:詳細分析了RocketMQ DLedger 多副本(主從切換) 是如何整合到 RocketMQ中,本文的行文思路首先結合已掌握的DLedger 多副本相關的知識初步思考其實現思路,然後從 Broker啓動流程、DLedgerCommitlog 核心類的講解,再從消息發送(追加)與消息查找來進一步探討 DLedger 是如何支持平滑升級的。
@(本節目錄)
1、閱讀源碼之前的思考
RocketMQ 的消息存儲文件主要包括 commitlog 文件、consumequeue 文件與 Index 文件。commitlog 文件存儲全量的消息,consumequeue、index 文件都是基於 commitlog 文件構建的。要使用 DLedger 來實現消息存儲的一致性,應該關鍵是要實現 commitlog 文件的一致性,即 DLedger 要整合的對象應該是 commitlog 文件,即只需保證 raft 協議的複製組內各個節點的 commitlog 文件一致即可。
我們知道使用文件存儲消息都會基於一定的存儲格式,rocketmq 的 commitlog 一個條目就包含魔數、消息長度,消息屬性、消息體等,而我們再來回顧一下 DLedger 日誌的存儲格式:
DLedger 要整合 commitlog 文件,是不是可以把 rocketmq 消息,即一個個 commitlog 條目整體當成 DLedger 的 body 字段即可。
還等什麼,跟我一起來看源碼吧!!!別急,再拋一個問題,DLedger 整合 RocketMQ commitlog,能不能做到平滑升級?
帶着這些思考和問題,一起來探究 DLedger 是如何整合 RocketMQ 的。
2、從 Broker 啓動流程看 DLedger
溫馨提示:本文不會詳細介紹 Broker 端的啓動流程,只會點出在啓動過程中與 DLedger 相關的代碼,如想詳細瞭解 Broker 的啓動流程,建議關注筆者的《RocketMQ技術內幕》一書。
Broker 涉及到 DLedger 相關關鍵點如下:
2.1 構建 DefaultMessageStore
DefaultMessageStore 構造方法
if(messageStoreConfig.isEnableDLegerCommitLog()) { // @1
this.commitLog = new DLedgerCommitLog(this);
else {
this.commitLog = new CommitLog(this); // @2
}
代碼@1:如果開啓 DLedger ,commitlog 的實現類爲 DLedgerCommitLog,也是本文需要關注的關鍵所在。
代碼@2:如果未開啓 DLedger,則使用舊版的 Commitlog實現類。
2.2 增加節點狀態變更事件監聽器
BrokerController#initialize
if (messageStoreConfig.isEnableDLegerCommitLog()) {
DLedgerRoleChangeHandler roleChangeHandler = new DLedgerRoleChangeHandler(this, (DefaultMessageStore) messageStore);
((DLedgerCommitLog)((DefaultMessageStore) messageStore).getCommitLog()).getdLedgerServer().getdLedgerLeaderElector().addRoleChangeHandler(roleChangeHandler);
}
主要調用 LedgerLeaderElector 的 addRoleChanneHandler 方法增加 節點角色變更事件監聽器,DLedgerRoleChangeHandler 是實現主從切換的另外一個關鍵點。
2.3 調用 DefaultMessageStore 的 load 方法
DefaultMessageStore#load
// load Commit Log
result = result && this.commitLog.load(); // @1
// load Consume Queue
result = result && this.loadConsumeQueue();
if (result) {
this.storeCheckpoint = new StoreCheckpoint(StorePathConfigHelper.getStoreCheckpoint(this.messageStoreConfig.getStorePathRootDir()));
this.indexService.load(lastExitOK);
this.recover(lastExitOK); // @2
log.info("load over, and the max phy offset = {}", this.getMaxPhyOffset());
}
代碼@1、@2 最終都是委託 commitlog 對象來執行,這裏的關鍵又是如果開啓了 DLedger,則最終調用的是 DLedgerCommitLog。
經過上面的鋪墊,主角 DLedgerCommitLog “閃亮登場“了。
3、DLedgerCommitLog 詳解
溫馨提示:由於 Commitlog 的絕大部分方法都已經在《RocketMQ技術內幕》一書中詳細介紹了,並且 DLedgerCommitLog 的實現原理與 Commitlog 文件的實現原理類同,本文會一筆帶過關於存儲部分的實現細節。
3.1 核心類圖
DLedgerCommitlog 繼承自 Commitlog。讓我們一一來看一下它的核心屬性。
- DLedgerServer dLedgerServer
基於 raft 協議實現的集羣內的一個節點,用 DLedgerServer 實例表示。 - DLedgerConfig dLedgerConfig
DLedger 的配置信息。 - DLedgerMmapFileStore dLedgerFileStore
DLedger 基於文件映射的存儲實現。 - MmapFileList dLedgerFileList
DLedger 所管理的存儲文件集合,對比 RocketMQ 中的 MappedFileQueue。 - int id
節點ID,0 表示主節點,非0表示從節點 - MessageSerializer messageSerializer
消息序列器。 - long beginTimeInDledgerLock = 0
用於記錄 消息追加的時耗(日誌追加所持有鎖時間)。 - long dividedCommitlogOffset = -1
記錄的舊 commitlog 文件中的最大偏移量,如果訪問的偏移量大於它,則訪問 dledger 管理的文件。 - boolean isInrecoveringOldCommitlog = false
是否正在恢復舊的 commitlog 文件。
接下來我們將詳細介紹 DLedgerCommitlog 各個核心方法及其實現要點。
3.2 構造方法
public DLedgerCommitLog(final DefaultMessageStore defaultMessageStore) {
super(defaultMessageStore); // @1
dLedgerConfig = new DLedgerConfig();
dLedgerConfig.setEnableDiskForceClean(defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().isCleanFileForciblyEnable());
dLedgerConfig.setStoreType(DLedgerConfig.FILE);
dLedgerConfig.setSelfId(defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getdLegerSelfId());
dLedgerConfig.setGroup(defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getdLegerGroup());
dLedgerConfig.setPeers(defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getdLegerPeers());
dLedgerConfig.setStoreBaseDir(defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getStorePathRootDir());
dLedgerConfig.setMappedFileSizeForEntryData(defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getMapedFileSizeCommitLog());
dLedgerConfig.setDeleteWhen(defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getDeleteWhen());
dLedgerConfig.setFileReservedHours(defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getFileReservedTime() + 1);
id = Integer.valueOf(dLedgerConfig.getSelfId().substring(1)) + 1; // @2
dLedgerServer = new DLedgerServer(dLedgerConfig); // @3
dLedgerFileStore = (DLedgerMmapFileStore) dLedgerServer.getdLedgerStore();
DLedgerMmapFileStore.AppendHook appendHook = (entry, buffer, bodyOffset) -> {
assert bodyOffset == DLedgerEntry.BODY_OFFSET;
buffer.position(buffer.position() + bodyOffset + MessageDecoder.PHY_POS_POSITION);
buffer.putLong(entry.getPos() + bodyOffset);
};
dLedgerFileStore.addAppendHook(appendHook); // @4
dLedgerFileList = dLedgerFileStore.getDataFileList();
this.messageSerializer = new MessageSerializer(defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getMaxMessageSize()); // @5
}
代碼@1:調用父類 即 CommitLog 的構造函數,加載 ${ROCKETMQ_HOME}/store/ comitlog 下的 commitlog 文件,以便兼容升級 DLedger 的消息。我們稍微看一下 CommitLog 的構造函數:
代碼@2:構建 DLedgerConfig 相關配置屬性,其主要屬性如下:
- enableDiskForceClean
是否強制刪除文件,取自 broker 配置屬性 cleanFileForciblyEnable,默認爲 true 。 - storeType
DLedger 存儲類型,固定爲 基於文件的存儲模式。 - dLegerSelfId
leader 節點的 id 名稱,示例配置:n0,其配置要求第二個字符後必須是數字。 - dLegerGroup
DLeger group 的名稱,建議與 broker 配置屬性 brokerName 保持一致。 - dLegerPeers
DLeger Group 中所有的節點信息,其配置示例 n0-127.0.0.1:40911;n1-127.0.0.1:40912;n2-127.0.0.1:40913。多個節點使用分號隔開。 - storeBaseDir
設置 DLedger 的日誌文件的根目錄,取自 borker 配件文件中的 storePathRootDir ,即 RocketMQ 的數據存儲根路徑。 - mappedFileSizeForEntryData
設置 DLedger 的單個日誌文件的大小,取自 broker 配置文件中的 - mapedFileSizeCommitLog,即與 commitlog 文件的單個文件大小一致。 - deleteWhen
DLedger 日誌文件的刪除時間,取自 broker 配置文件中的 deleteWhen,默認爲凌晨 4點。 - fileReservedHours
DLedger 日誌文件保留時長,取自 broker 配置文件中的 fileReservedHours,默認爲 72h。
代碼@3:根據 DLedger 配置信息創建 DLedgerServer,即創建 DLedger 集羣節點,集羣內各個節點啓動後,就會觸發選主。
代碼@4:構建 appendHook 追加鉤子函數,這是兼容 Commitlog 文件很關鍵的一步,後面會詳細介紹其作用。
代碼@5:構建消息序列化。
根據上述的流程圖,構建好 DefaultMessageStore 實現後,就是調用其 load 方法,在啓用 DLedger 機制後,會依次調用 DLedgerCommitlog 的 load、recover 方法。
3.3 load
public boolean load() {
boolean result = super.load();
if (!result) {
return false;
}
return true;
}
DLedgerCommitLog 的 laod 方法實現比較簡單,就是調用 其父類 Commitlog 的 load 方法,即這裏也是爲了啓用 DLedger 時能夠兼容以前的消息。
3.4 recover
在 Broker 啓動時會加載 commitlog、consumequeue等文件,需要恢復其相關是數據結構,特別是與寫入、刷盤、提交等指針,其具體調用 recover 方法。
DLedgerCommitLog#recover
public void recoverNormally(long maxPhyOffsetOfConsumeQueue) { // @1
recover(maxPhyOffsetOfConsumeQueue);
}
首先會先恢復 consumequeue,得出 consumequeue 中記錄的最大有效物理偏移量,然後根據該物理偏移量進行恢復。
接下來看一下該方法的處理流程與關鍵點。
DLedgerCommitLog#recover
dLedgerFileStore.load();
Step1:加載 DLedger 相關的存儲文件,並一一構建對應的 MmapFile,其初始化三個重要的指針 wrotePosition、flushedPosition、committedPosition 三個指針爲文件的大小。
DLedgerCommitLog#recover
if (dLedgerFileList.getMappedFiles().size() > 0) {
dLedgerFileStore.recover(); // @1
dividedCommitlogOffset = dLedgerFileList.getFirstMappedFile().getFileFromOffset(); // @2
MappedFile mappedFile = this.mappedFileQueue.getLastMappedFile();
if (mappedFile != null) { // @3
disableDeleteDledger();
}
long maxPhyOffset = dLedgerFileList.getMaxWrotePosition();
// Clear ConsumeQueue redundant data
if (maxPhyOffsetOfConsumeQueue >= maxPhyOffset) { // @4
log.warn("[TruncateCQ]maxPhyOffsetOfConsumeQueue({}) >= processOffset({}), truncate dirty logic files", maxPhyOffsetOfConsumeQueue, maxPhyOffset);
this.defaultMessageStore.truncateDirtyLogicFiles(maxPhyOffset);
}
return;
}
Step2:如果已存在 DLedger 的數據文件,則只需要恢復 DLedger 相關數據文建,因爲在加載舊的 commitlog 文件時已經將其重要的數據指針設置爲最大值。其關鍵實現點如下:
- 首先調用 DLedger 文件存儲實現類 DLedgerFileStore 的 recover 方法,恢復管轄的 MMapFile 對象(一個文件對應一個MMapFile實例)的相關指針,其實現方法與 RocketMQ 的 DefaultMessageStore 的恢復過程類似。
- 設置 dividedCommitlogOffset 的值爲 DLedger 中所有物理文件的最小偏移量。操作消息的物理偏移量小於該值,則從 commitlog 文件中查找;物理偏移量大於等於該值的話則從 DLedger 相關的文件中查找消息。
- 如果存在舊的 commitlog 文件,則禁止刪除 DLedger 文件,其具體做法就是禁止強制刪除文件,並將文件的有效存儲時間設置爲 10 年。
- 如果 consumequeue 中存儲的最大物理偏移量大於 DLedger 中最大的物理偏移量,則刪除多餘的 consumequeue 文件。
溫馨提示:爲什麼當存在 commitlog 文件的情況下,不能刪除 DLedger 相關的日誌文件呢?
因爲在此種情況下,如果 DLedger 中的物理文件有刪除,則物理偏移量會斷層。
正常情況下, maxCommitlogPhyOffset 與 dividedCommitlogOffset 是連續的,這樣非常方便是訪問 commitlog 還是 訪問 DLedger ,但如果DLedger 部分文件刪除後,這兩個值就變的不連續,就會造成中間的文件空洞,無法被連續訪問。
DLedgerCommitLog#recover
isInrecoveringOldCommitlog = true;
super.recoverNormally(maxPhyOffsetOfConsumeQueue);
isInrecoveringOldCommitlog = false;
Step3:如果啓用了 DLedger 並且是初次啓動(還未生成 DLedger 相關的日誌文件),則需要恢復 舊的 commitlog 文件。
DLedgerCommitLog#recover
MappedFile mappedFile = this.mappedFileQueue.getLastMappedFile();
if (mappedFile == null) { // @1
return;
}
ByteBuffer byteBuffer = mappedFile.sliceByteBuffer();
byteBuffer.position(mappedFile.getWrotePosition());
boolean needWriteMagicCode = true;
// 1 TOTAL SIZE
byteBuffer.getInt(); //size
int magicCode = byteBuffer.getInt();
if (magicCode == CommitLog.BLANK_MAGIC_CODE) { // @2
needWriteMagicCode = false;
} else {
log.info("Recover old commitlog found a illegal magic code={}", magicCode);
}
dLedgerConfig.setEnableDiskForceClean(false);
dividedCommitlogOffset = mappedFile.getFileFromOffset() + mappedFile.getFileSize(); // @3
log.info("Recover old commitlog needWriteMagicCode={} pos={} file={} dividedCommitlogOffset={}", needWriteMagicCode, mappedFile.getFileFromOffset() + mappedFile.getWrotePosition(), mappedFile.getFileName(), dividedCommitlogOffset);
if (needWriteMagicCode) { // @4
byteBuffer.position(mappedFile.getWrotePosition());
byteBuffer.putInt(mappedFile.getFileSize() - mappedFile.getWrotePosition());
byteBuffer.putInt(BLANK_MAGIC_CODE);
mappedFile.flush(0);
}
mappedFile.setWrotePosition(mappedFile.getFileSize()); // @5
mappedFile.setCommittedPosition(mappedFile.getFileSize());
mappedFile.setFlushedPosition(mappedFile.getFileSize());
dLedgerFileList.getLastMappedFile(dividedCommitlogOffset);
log.info("Will set the initial commitlog offset={} for dledger", dividedCommitlogOffset);
}
Step4:如果存在舊的 commitlog 文件,需要將最後的文件剩餘部分全部填充,即不再接受新的數據寫入,新的數據全部寫入到 DLedger 的數據文件中。其關鍵實現點如下:
- 嘗試查找最後一個 commitlog 文件,如果未找到,則結束。
- 從最後一個文件的最後寫入點(原 commitlog 文件的 待寫入位點)嘗試去查找寫入的魔數,如果存在魔數並等於 CommitLog.BLANK_MAGIC_CODE,則無需再寫入魔數,在升級 DLedger 第一次啓動時,魔數爲空,故需要寫入魔數。
- 初始化 dividedCommitlogOffset ,等於最後一個文件的起始偏移量加上文件的大小,即該指針指向最後一個文件的結束位置。
- 將最後一個 commitlog 未寫滿的數據全部寫入,其方法爲 設置消息體的 size 與 魔數即可。
- 設置最後一個文件的 wrotePosition、flushedPosition、committedPosition 爲文件的大小,同樣有意味者最後一個文件已經寫滿,下一條消息將寫入 DLedger 中。
在啓用 DLedger 機制時 Broker 的啓動流程就介紹到這裏了,相信大家已經瞭解 DLedger 在整合 RocketMQ 上做的努力,接下來我們從消息追加、消息讀取兩個方面再來探討 DLedger 是如何無縫整合 RocketMQ 的,實現平滑升級的。
4、從消息追加看 DLedger 整合 RocketMQ 如何實現無縫兼容
溫馨提示:本節同樣也不會詳細介紹整個消息追加(存儲流程),只是要點出與 DLedger(多副本、主從切換)相關的核心關鍵點。如果想詳細瞭解消息追加的流程,可以閱讀筆者所著的《RocketMQ技術內幕》一書。
DLedgerCommitLog#putMessage
AppendEntryRequest request = new AppendEntryRequest();
request.setGroup(dLedgerConfig.getGroup());
request.setRemoteId(dLedgerServer.getMemberState().getSelfId());
request.setBody(encodeResult.data);
dledgerFuture = (AppendFuture<AppendEntryResponse>) dLedgerServer.handleAppend(request);
if (dledgerFuture.getPos() == -1) {
return new PutMessageResult(PutMessageStatus.OS_PAGECACHE_BUSY, new AppendMessageResult(AppendMessageStatus.UNKNOWN_ERROR));
}
關鍵點一:消息追加時,則不再寫入到原先的 commitlog 文件中,而是調用 DLedgerServer 的 handleAppend 進行消息追加,該方法會有集羣內的 Leader 節點負責消息追加以及在消息複製,只有超過集羣內的半數節點成功寫入消息後,纔會返回寫入成功。如果追加成功,將會返回本次追加成功後的起始偏移量,即 pos 屬性,即類似於 rocketmq 中 commitlog 的偏移量,即物理偏移量。
DLedgerCommitLog#putMessage
long wroteOffset = dledgerFuture.getPos() + DLedgerEntry.BODY_OFFSET;
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(MessageDecoder.MSG_ID_LENGTH);
String msgId = MessageDecoder.createMessageId(buffer, msg.getStoreHostBytes(), wroteOffset);
eclipseTimeInLock = this.defaultMessageStore.getSystemClock().now() - beginTimeInDledgerLock;
appendResult = new AppendMessageResult(AppendMessageStatus.PUT_OK, wroteOffset, encodeResult.data.length, msgId, System.currentTimeMillis(), queueOffset, eclipseTimeInLock);
關鍵點二:根據 DLedger 的起始偏移量計算真正的消息的物理偏移量,從開頭部分得知,DLedger 自身有其存儲協議,其 body 字段存儲真實的消息,即 commitlog 條目的存儲結構,返回給客戶端的消息偏移量爲 body 字段的開始偏移量,即通過 putMessage 返回的物理偏移量與不使用Dledger 方式返回的物理偏移量的含義是一樣的,即從開偏移量開始,可以正確讀取消息,這樣 DLedger 完美的兼容了 RocketMQ Commitlog。關於 pos 以及 wroteOffset 的圖解如下:
5、從消息讀取看 DLedger 整合 RocketMQ 如何實現無縫兼容
DLedgerCommitLog#getMessage
public SelectMappedBufferResult getMessage(final long offset, final int size) {
if (offset < dividedCommitlogOffset) { // @1
return super.getMessage(offset, size);
}
int mappedFileSize = this.dLedgerServer.getdLedgerConfig().getMappedFileSizeForEntryData();
MmapFile mappedFile = this.dLedgerFileList.findMappedFileByOffset(offset, offset == 0); // @2
if (mappedFile != null) {
int pos = (int) (offset % mappedFileSize);
return convertSbr(mappedFile.selectMappedBuffer(pos, size)); // @3
}
return null;
}
消息查找比較簡單,因爲返回給客戶端消息,轉發給 consumequeue 的消息物理偏移量並不是 DLedger 條目的偏移量,而是真實消息的起始偏移量。其實現關鍵點如下:
- 如果查找的物理偏移量小於 dividedCommitlogOffset,則從原先的 commitlog 文件中查找。
- 然後根據物理偏移量按照二分方找到具體的物理文件。
- 對物理偏移量取模,得出在該物理文件中中的絕對偏移量,進行消息查找即可,因爲只有知道其物理偏移量,從該處先將消息的長度讀取出來,然後即可讀出一條完整的消息。
5、總結
根據上面詳細的介紹,我想讀者朋友們應該不難得出如下結論:
- DLedger 在整合時,使用 DLedger 條目包裹 RocketMQ 中的 commitlog 條目,即在 DLedger 條目的 body 字段來存儲整條 commitlog 條目。
- 引入 dividedCommitlogOffset 變量,表示物理偏移量小於該值的消息存在於舊的 commitlog 文件中,實現 升級 DLedger 集羣后能訪問到舊的數據。
- 新 DLedger 集羣啓動後,會將最後一個 commitlog 填充,即新的數據不會再寫入到 原先的 commitlog 文件。
- 消息追加到 DLedger 數據日誌文件中,返回的偏移量不是 DLedger 條目的起始偏移量,而是DLedger 條目中 body 字段的起始偏移量,即真實消息的起始偏移量,保證消息物理偏移量的語義與 RocketMQ Commitlog一樣。
RocketMQ 整合 DLedger(多副本)實現平滑升級的設計技巧就介紹到這裏了。
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6、基於 raft 協議的 RocketMQ DLedger 多副本日誌複製設計原理
作者介紹:丁威,《RocketMQ技術內幕》作者,RocketMQ 社區佈道師,公衆號:中間件興趣圈 維護者,目前已陸續發表源碼分析Java集合、Java 併發包(JUC)、Netty、Mycat、Dubbo、RocketMQ、Mybatis等源碼專欄。可以點擊鏈接加入中間件知識星球 ,一起探討高併發、分佈式服務架構,交流源碼。