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Aug 14, 2013

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ZooKeeper实现分布式FIFO队列

让Hadoop跑在云端系列文章，介绍了如何整合虚拟化和Hadoop，让Hadoop集群跑在VPS虚拟主机上，通过云向用户提供存储和计算的服务。

现在硬件越来越便宜，一台非品牌服务器，2颗24核CPU，配48G内存，2T的硬盘，已经降到2万块人民币以下了。这种配置如果简单地放几个web应用，显然是奢侈的浪费。就算是用来实现单节点的hadoop，对计算资源浪费也是非常高的。对于这么高性能的计算机，如何有效利用计算资源，就成为成本控制的一项重要议题了。

通过虚拟化技术，我们可以将一台服务器，拆分成12台VPS，每台2核CPU，4G内存，40G硬盘，并且支持资源重新分配。多么伟大的技术啊！现在我们有了12个节点的hadoop集群，让Hadoop跑在云端，让世界加速。

关于作者：

张丹(Conan), 程序员Java,R,PHP,Javascript
weibo：@Conan_Z
blog: http://blog.fens.me
email: bsspirit@gmail.com

转载请注明出处：
http://blog.fens.me/zookeeper-queue-fifo

前言

ZooKeeper是一个强大的分布式协作系统，用ZooKeeper可以方便地实现先进先出(FIFO)队列。给“队列”的技术现实多一种选择，标准化我们的程序结构。另一篇，分步式同步队列实现，请参考：ZooKeeper实现分布式队列Queue

关于ZooKeeper的基本使用，请参考：ZooKeeper伪分步式集群安装及使用

分布式先进先出(FIFO)队列
设计思路
程序实现

1. 分布式先进先出(FIFO)队列

在计算机科学中，消息队列（Message queue）是一种进程间通信或同一进程的不同线程间的通信方式。消息队列提供了异步的通信协议，消息的发送者和接收者不需要同时与消息队列互交。消息会保存在队列中，直到接收者取回它。

先进先出(FIFO)队列，是消息队列最基本的一种实现形式，先发出的先消费。

2. 设计思路

实现的思路也非常简单，在/queue-fifo的目录下创建 SEQUENTIAL 类型的子目录 /x(i)，这样就能保证所有成员加入队列时都是有编号的，出队列时通过 getChildren( ) 方法可以返回当前所有的队列中的元素，然后消费其中最小的一个，这样就能保证FIFO。

应用实例

图标解释

app1,app2,app3是3个独立的业务系统
zk1,zk2,zk3是ZooKeeper集群的3个连接点
/queue-fifo，是znode的队列，按顺序存储数据
/queue-fifo/x1，是znode队列中，1号排对者，由app1提交
/queue-fifo/x2，是znode队列中，2号排对者，由app2提交
app3是消费者，通过zk3连接到znode队列中，找到/queue-fifo中顺序最少的节点消费，删除消费后的节点(红色线表示)

注：

1). app1可以通过zk2提交，app2也可通过zk3提交
2). app1可以提交3次请求，生成x1,x2,x3多个节点
3). app1可以作为消费者，消费队列数据

3. 程序实现

1). 单节点模拟实验

模拟app1，通过zk1，生产2个节点，然后再消费3个节点。


    public static void doOne() throws Exception {
        String host1 = "192.168.1.201:2181";
        ZooKeeper zk = connection(host1);
        initQueue(zk);
        produce(zk, 1);
        produce(zk, 2);
        cosume(zk);
        cosume(zk);
        cosume(zk);
        zk.close();
    }

创建一个与服务器的连接


    public static ZooKeeper connection(String host) throws IOException {
        ZooKeeper zk = new ZooKeeper(host, 60000, null);
        return zk;
    }

出始化队列


    public static ZooKeeper connection(String host) throws IOException {
        return new ZooKeeper(host, 60000, new Watcher() {
            public void process(WatchedEvent event) {
            }
        });
    }

生产者


    public static void produce(ZooKeeper zk, int x) throws KeeperException, InterruptedException {
        System.out.println("create /queue-fifo/x" + x + " x" + x);
        zk.create("/queue-fifo/x" + x, ("x" + x).getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
    }

消费者


    public static void cosume(ZooKeeper zk) throws KeeperException, InterruptedException {
        List list = zk.getChildren("/queue-fifo", true);
        if (list.size() > 0) {
            long min = Long.MAX_VALUE;
            for (String num : list) {
                if (min > Long.parseLong(num.substring(1))) {
                    min = Long.parseLong(num.substring(1));
                }
            }
            System.out.println("delete /queue/x" + min);
            zk.delete("/queue-fifo/x" + min, 0);
        } else {
            System.out.println("No node to cosume");
        }
    }

启动main函数


    public static void main(String[] args) throws Exception {
            doOne();
    }

运行结果：


/queue-fifo is exist!
create /queue-fifo/x1 x1
create /queue-fifo/x2 x2
delete /queue/x10000000032
delete /queue/x20000000033
No node to cosume

完全符合我的们预期，由于produce时，我们创建的节点模式是EPHEMERAL_SEQUENTIAL，所以系统会在x(i)(n)，随机生成n=0000000032，输出为x10000000032。

接下来我们看分布式环境。

2). 分布式模拟实验
app1通过zk1生产x1, app2通过zk2生产x2, app3通过zk3消费3个节点


public static void doAction(int client) throws Exception {
        String host1 = "192.168.1.201:2181";
        String host2 = "192.168.1.201:2182";
        String host3 = "192.168.1.201:2183";

        ZooKeeper zk = null;
        switch (client) {
        case 1:
            zk = connection(host1);
            initQueue(zk);
            produce(zk, 1);
            break;
        case 2:
            zk = connection(host2);
            initQueue(zk);
            produce(zk, 2);
            break;
        case 3:
            zk = connection(host3);
            initQueue(zk);
            cosume(zk);
            cosume(zk);
            cosume(zk);
            break;
        }
    }

启动main函数


    public static void main(String[] args) throws Exception {
        if (args.length == 0) {
            doOne();
        } else {
            doAction(Integer.parseInt(args[0]));
        }
    }

程序启动方法，分3次启动，命令行传不同的参数，分别是1,2,3

run1: 执行app1–>zk1


#日志输出
/queue-fifo is exist!
create /queue-fifo/x1 x1

run2: 执行app2–>zk2


#日志输出
/queue-fifo is exist!
create /queue-fifo/x2 x2

run3: 执行app3–>zk3


#日志输出
/queue-fifo is exist!
delete /queue/x10000000034
delete /queue/x20000000035
No node to cosume

我们完成分布式队列的实验，由于时间仓促。文字说明及代码难免有一些问题，请发现问题的同学帮忙指正。

下面贴一下完整的代码：


package org.conan.zookeeper.demo;

import java.io.IOException;
import java.util.List;

import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.KeeperException;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.ZooDefs.Ids;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;

public class FIFOZooKeeper {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        if (args.length == 0) {
            doOne();
        } else {
            doAction(Integer.parseInt(args[0]));
        }
    }

    public static void doOne() throws Exception {
        String host1 = "192.168.1.201:2181";
        ZooKeeper zk = connection(host1);
        initQueue(zk);
        produce(zk, 1);
        produce(zk, 2);
        cosume(zk);
        cosume(zk);
        cosume(zk);
        zk.close();
    }

    public static void doAction(int client) throws Exception {
        String host1 = "192.168.1.201:2181";
        String host2 = "192.168.1.201:2182";
        String host3 = "192.168.1.201:2183";

        ZooKeeper zk = null;
        switch (client) {
        case 1:
            zk = connection(host1);
            initQueue(zk);
            produce(zk, 1);
            break;
        case 2:
            zk = connection(host2);
            initQueue(zk);
            produce(zk, 2);
            break;
        case 3:
            zk = connection(host3);
            initQueue(zk);
            cosume(zk);
            cosume(zk);
            cosume(zk);
            break;
        }
    }

    // 创建一个与服务器的连接
    public static ZooKeeper connection(String host) throws IOException {
        return new ZooKeeper(host, 60000, new Watcher() {
            public void process(WatchedEvent event) {
            }
        });
    }

    public static void initQueue(ZooKeeper zk) throws KeeperException, InterruptedException {
        if (zk.exists("/queue-fifo", false) == null) {
            System.out.println("create /queue-fifo task-queue-fifo");
            zk.create("/queue-fifo", "task-queue-fifo".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
        } else {
            System.out.println("/queue-fifo is exist!");
        }
    }

    public static void produce(ZooKeeper zk, int x) throws KeeperException, InterruptedException {
        System.out.println("create /queue-fifo/x" + x + " x" + x);
        zk.create("/queue-fifo/x" + x, ("x" + x).getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
    }

    public static void cosume(ZooKeeper zk) throws KeeperException, InterruptedException {
        List list = zk.getChildren("/queue-fifo", true);
        if (list.size() > 0) {
            long min = Long.MAX_VALUE;
            for (String num : list) {
                if (min > Long.parseLong(num.substring(1))) {
                    min = Long.parseLong(num.substring(1));
                }
            }
            System.out.println("delete /queue/x" + min);
            zk.delete("/queue-fifo/x" + min, 0);
        } else {
            System.out.println("No node to cosume");
        }
    }

}

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