大数据-Storm

Storm 流式处理框架

Storm是实时的，分布式，高容错的计算系统。java+cljoure

Storm常驻内存，数据在内存中处理不经过磁盘，数据通过网络传输。

底层java+cljoure构成，阿里使用java重构Storm构建Jstorm。

数据处理分类

• 流式处理（异步）

  • 客户端提交数据进行结算，不会等待计算结果

  • 数据追条处理：数据清洗或分析

  • 例：在数据统计分析中：数据存入队列，storm从MQ获取数据，storm将结果存入存储层

• 实时请求应答（同步）

  • 客户端提交请求后立即计算并将结果返回给客户端

  • 图片特征提取： 客户端向Storm的drpc发送请求，客户端等待Storm响应结果

Storm与MR的比较

• Storm流式处理，毫秒级响应，常驻内存

• MR批处理TB级数据，分钟级响应，反复启停

优势

高可靠：异常处理；消息可靠性保障机制

可维护性：提供UI监控接口

架构模型

• Nimbus：接收请求，接收jar包并解析，任务分配，资源分配

• zookeeper：存储Nimbus分配的子任务，存储任务数据，用于解耦架构

• Supervisor：从zk中获取子任务，启动worker任务，启停所管理的worker

• Worker：执行具体任务(每个worker对应一个Topology的子集)，分为spout任务和bolt任务，启动executor，一个executor对应一个线程，默认一个executor执行一个task任务。任务所需数据从zookeeper中获取。

storm与MR比对	MR	Storm
主节点	ResourceManager	Nimbus
从节点	NodeManager	Supervisor
应用程序	Job	Topology
工作进程	Child	Worker
计算模型	Map/Reduce	Spout/Bolt

编程模型

DAG有向无环图，拓扑结构图，作为实时计算逻辑的封装。一旦启动会一直在系统中运行直到手动kill

Spout 数据源节点

• 从外部读取原始数据

• 定义数据流，可定义多个数据流向不同Bolt 发数据，读取外部数据源

• nextTuple：被Storm线程不断调用、主动从数据源拉取数据，再通过emit方法将数据生成Tuple，发送给之后的Bolt计算

Bolt 计算节点

• execute：该方法接收到一个Tuple数据，真正业务逻辑

• 定义数据流，将结果数据发出去

API

以wordcount为例：Spout 获取原始行数据，将行数据Tuple作为发给bolt1，bolt1解析行数据为单词数据，bolt1将单词数据转为Tuple发给bolt2，bolt2对单词数据进行计数，将计数结果发送到存储层。

Topology类

指定计算任务的各节点及节点关联，提交任务

• topologyBuilder的setSpout方法和setBolt方法构建各节点

  • 方法参数为：id值，bolt类，并发度(线程)，task数，数据来源节点，数据流，分组字段

  • shuffleGrouping是随机分配数据

  • 多并发度

    • shuffleGrouping是将数据随机分配给线程

    • fieldsGrouping是根据指定的若干字段分组到不同的线程

• Config对象传入配置参数

  • 超时时间 秒：conf.setMessageTimeoutSecs(3);

• LocalCluster本地执行，对象提交任务名，参数对象，拓扑对象，最终执行任务

public class MyTopology {
    public static void main(String[] args) {
        //创建拓扑构建对象
        TopologyBuilder topologyBuilder=new TopologyBuilder();
        /**
         * 指定各节点，线程数量，上下游关联
         * 对于多线程，注意上游的结果会随机发给各个线程
         */
        //设置spout节点，指定（id值，spout类，并发度）
        topologyBuilder.setSpout("s1",new CountSpout(),1);
        //设置bolt节点，指定 （id值，bolt类，并发度，数据来源节点，分组字段）
        topologyBuilder.setBolt("b1",new CountBolt1(),2).setNumTasks(4).shuffleGrouping("s1");
        topologyBuilder.setBolt("b2",new CountBolt2(),1).fieldsGrouping("b1",new Fields("word"));
        //构建拓扑对象
        StormTopology stormTopology=topologyBuilder.createTopology();
        //设置配置信息，该对象实际是个map,向其中设置各种参数
        Config config=new Config();
        config.setNumWorkers(3);
        config.put("xxx","xxx");
        //获取本地执行集群对象
        LocalCluster lc=new LocalCluster();
        //本地执行：向集群提交任务，任务名，参数，拓扑节点
        lc.submitTopology("job-count",config,stormTopology);
    }
}

Spout类（自定义）

继承BaseRichSpout类，实际实现了IRichSpout接口，主要重写以下方法

• open()——初始化，参数为：配置参数， 上下文，输出对象

• nextTuple()——业务代码

• declareOutputFields()——定义输出结果

• 关于数据输出

  将SpoutOutputCollector输出对象转为全局变量，通过SpoutOutputCollector输出数据

  使用Values对象，存入多个结果（相当于一个list）

  通过OutputFieldsDeclarer对象，依次定义每个结果的字段名（相当于给list字段命名，形成类似map的有序集合）

import backtype.storm.topology.base.BaseRichSpout;
import backtype.storm.tuple.Fields;
import backtype.storm.tuple.Values;
public class CountSpout extends BaseRichSpout {
    /** 将输出对象转为全局属性，支持数据输出 */
    private SpoutOutputCollector collector;
    //初始化
    @Override
    public void open(Map conf, TopologyContext context, SpoutOutputCollector collector) {
        //将输出对象转为全局属性
        this.collector=collector;
    }
    //业务代码:随机输出一行字符串
    @Override
    public void nextTuple() {
        int index=random.nextInt(lines.length);
        String line= lines[index];
        
        //输出数据，构建value时能够设置多个数据，在Fields对象中定义字段名
        collector.emit(new Values(line，line));
    }
    @Override
    public void declareOutputFields(OutputFieldsDeclarer declarer) {
        //定义输出数据,给每个字段赋予字段名
        declarer.declare(new Fields("line1"，"line2"));
    }
}

Bolt类（自定义）

继承BaseRichBolt类，实际实现了IRichBolt接口，主要重写以下方法

• prepare()——初始化

• execute()——业务代码

• declareOutputFields()——定义输出字段

• 关于输出数据，与spout相同

• 关于输入数据：通过input的各种方法获取对应类型的数据，支持通过字段所在索引下标或字段名获取指定位置的值

public class CountBolt1 extends BaseRichBolt {
    /** 将输出对象转为全局属性，支持数据输出 */
    private OutputCollector collector;
    @Override
    public void prepare(Map stormConf, TopologyContext context, OutputCollector collector) {
        this.collector=collector;
    }
    @Override
    public void execute(Tuple input) {
        /* 不同方法获取不同类型的值，方法中通过索引下标或字段名来取值 */
        //通过索引取值
        String line1=input.getString(0);
        //通过字段名取值
        String line2=input.getStringByField("line1");
​
        //以下为业务逻辑，将字符串拆成单词数组，遍历输出
        String[] words=line1.split(" ");
        for (String word:words){
            //遍历输出,输出两个字段的数据
            collector.emit(new Values(word,word));
        }
    }
    @Override
    public void declareOutputFields(OutputFieldsDeclarer declarer) {
        declarer.declare(new Fields("word","word2"));
    }
}

分组策略

• Shuffle Grouping：轮询的方式，随机派发tuple，每个线程接收到数量大致相同。

• Fields Grouping：按指定的字段分组，指定字段的值相同tuple，分配相同的task（处于同一个线程中）

• 以下方式了解

  • All Grouping：广播发送，所有下游的bolt线程都会收到。还是task

  • Global Grouping：全局分组， 将tuple分配给 id最低的task，这个id是用户指定的id值。

  • None Grouping：随机分组

  • Direct Grouping：指向型分组

  • local or shuffle grouping：若目标bolt task与源bolt task在同一工作进程中，则tuple随机分配给同进程中的tasks。否则普通的Shuffle分配 Grouping行为一致

  • customGrouping：自定义

分布式搭建

环境搭建

• 安装

  tar -zxvf apache-storm-0.10.0.tar.gz

  mv apache-storm-0.10.0 storm-0.10.0

• 修改配置

  vim /opt/sxt/storm-0.10.0/conf/storm.yaml

  #指定zk地址
  storm.zookeeper.servers:
       - "node1"
       - "node2"
       - "node3"
       
  #指定nimbus的节点
  nimbus.host: "node1"
  ​
  #指定开放的端口(默认以下4个)
  supervisor.slots.ports:
      - 6700
      - 6701
      - 6702
      - 6703

• 拷贝到其他节点

  cd /opt/sxt 
  scp -r storm-0.10.0/ node3:`pwd`

启动+命令

启动集群

• 启动zookeeper集群

  zkServer.sh start

• 启动nimbus节点 cd /opt/sxt/storm-0.10.0

  • 各节点创建logs目录：mkdir logs

  • 主节点启动：

    • 启动nimbus

      nohup ./bin/storm nimbus >> logs/nimbus.out 2>&1 &

    • 启动监控ui

      nohup ./bin/storm ui >> logs/ui.out 2>&1 &

  • 从节点启动supervisor

  • nohup ./bin/storm supervisor >> ./logs/supervisor.out 2>&1 &

  • 注：项目的日志也就存放中logs目录下的各文件中

    可以远程查看：例如文件wc-1-1571317142-worker-6700.log

    http://node1:8080/topology.html?wc-1-1571317142-worker-6700.log

• 网页登录设置在主节点上的UI监控地址 http://node1:8080

关闭集群

#关闭nimbus
kill `ps aux | egrep '(daemon.nimbus)|(storm.ui.core)' | fgrep -v egrep | awk '{print $2}'`
#关闭supervisor
kill `ps aux | fgrep storm | fgrep -v 'fgrep' | awk '{print $2}'` 
#关闭zk
zkServer.sh stop

运行项目

从IDE中导出项目jar文件（field标签 > project structure > 指定主类创建jar配置 > bulid标签 > build project > 从项目目录中找到jar文件） 导入到/opt/sxt下

载入项目命令：./bin/storm jar /opt/sxt/wc.jar com.shsxt.storm.wordcount.WordCountTP wc

依次指定jar文件目录，主类，topology名

停止项目命令：./bin/storm kill wc （注意指定topology）

内部文件结构

• 本地目录

  /opt/sxt/storm-0.10.0/storm-local 目录下存放项目执行时的数据

  内部为一个目录树结构

• zookeeper目录

  进入zk客户端 zkCli.sh

  查看storm的目录 ls /storm 内部时一个目录树

  查看指定的数据 get /xxx/xxx

并发机制

• worker进程

  • 具体执行任务的进程

  • 一个topology包含若干个worker执行，worker执行topology的子集

  • 一个worker需要绑定一个网络端口，默认一个节点最多运行4个worker，通过配置多于4个端口开放更多worker

• Executor线程

  • execute是由worker进程创建的线程，worker包含至少一个executor线程

  • 一个线程中能够执行一个或多个task任务，默认一个线程执行一个task

  • spout / boltk 与线程是一对多的关系,一个spout 可以包含多个线程，但线程只对应一个spout，监控线程除外。

• task

  • 数据处理的最小单元

  • 每个task对应spout或bolt的一个并发度

关于再平衡热rebalance

• 在topology生命周期中，worker与executor的数量可变，task的数量不可变

• 多个线程无法同时执行一个task，只能一个线程执行一个task，因此线程数应该小于task数，设置多的线程是无效的。

• 注意：系统对每个worker都会设置一个监控线程，监控线程数量与worker相同

• 命令修改

  ./bin/storm/rebalance wc -n 5 -e blue-spout=3 -e yellow-bolt=10

  (调整wc任务 5个worker 3个spout线程 10个bolt线程 )

• api设置

  • worker数

    通过配置文件制定worker数量

    config.setNumWorkers(3);

  • executor数与task数量

    线程数设置 setBolt(String id, IRichBolt bolt, Number 线程数)；和setSpout()方法

    设置任务数 setNumTasks(task数)

    topologyBuilder.setBolt("wcSplit",new WordCountSplit(),2).setNumTasks(4).shuffleGrouping("wcSpout");

数据传输

• worker之间数据传输使用Netty架构

  • 接收线程监听tcp端口，并将数据存入缓冲区域

  • 发送线程使用传输队列发送数据

• worker的内部通讯采用Disruptor的队列处理机制

  数据从缓冲区读取经过：接收队列——工作线程——发送队列——发送线程

• tuple 在Storm中的数据的传输单元

• Stream 数据连通的管道，多个管道时需要指定Stream的id

线程数包括：spout线程数，blot线程数，acker(每个work1个监控线程)

容错机制

宕机机制

• nimbus宕机

  • 无状态策略，所有的状态信息都存放在Zookeeper中来管理，worker正常运行，只是无法提交新的topology

  • 快速失败策略：自检到异常后自毁并重启

• supervisor宕机

  • 无状态策略，supervisor的所有的状态信息都存放在Zookeeper中来管理

  • 快速失败策略：自检到异常后自毁并重启

  • 节点故障状态下，若所有该节点上的任务超时，nimbus会将该节点的task分配给其他的节点

• worker宕机

  • supervisor会重启worker进程

  • 若worker多次失败且无法向nimbus发送心跳，nimbus会将该worker的分配到其他supervisor上执行。

数据跟踪acker

消息完整性

spout中发出的tuple及其由tuple产生的子tuple，构成一个树形结构，只有当数中的所有消息都被正确处理，才能保证数据的完整性。

为了保证数据的完整性，对于处理失败的tuple需要请求上游的spout重发数据。

消息重发的机制：at least（至少一次），oncely (有且只有一次)

acker机制

acker跟踪每个spout发出的tuple。

acker记录每个trulp的id，数据处理后，通过亦或算法清空id，若id未清空则表明这条数据没有处理完成。

• 自定义acker类，对数据进行监控

  • 在topology中添加具备acker功能的spout作为acker类

    topologyBuilder.setSpout("myack",new MyAckSpout());

  • 定义acker类

    • 实现IRichSpout接口，重写ack(成功)和fail(失败)方法，对发出的数据进程缓存

    • 设置全局缓存，数据发送时存入缓存，处理成功删除缓存，处理失败，从缓存取数据重发

    public class MyAckSpout implements IRichSpout {
        SpoutOutputCollector collector;
        //数据缓存
        Map<Object,String> map =  new HashMap<>();
        //设置全局缓存id
        long id = 0;
        @Override
        public void nextTuple() {
            //发送数据，并存入消息id
            collector.emit(new Values("你好"),id);
            //数据存入缓存
            map.put(id,line); 
            //索引自增处理
            id++; }
    ​
        //数据完整处理调用ack方法，参数为消息id索引
        @Override
        public void ack(Object msgId) {
            //将缓存中的数据清除
            map.remove(msgId); }
    ​
        //数据没有完整处理调用fail方法，参数为消息id索引
        @Override
        public void fail(Object msgId) {
            //重发消息
            collector.emit(new Values(map.get(msgId)),msgId);
        }
    //省略以下重写方法open，declareOutputFields，getComponentConfiguration，close，activate，deactivate
    }

• bolt 中代码响应,execute方法中

  • 方法末尾添加数据处理的响应

    处理成功：collection.ack(input)

    处理失败：collection.fail(input) 注意：超时也数据失败

  • 向下游发送数据时，指定acker是否继续跟踪下游数据

    跟踪：collector.emit(input,new Values(split[i]));

    不跟踪：collector.emit(new Values(split[i]));

    public void execute(Tuple input) {
        String xxx = input.getStringByField("aaa");
        //结束跟踪
        collector.emit(new Values(xxx));
        //继续collector.emit(new Values(xxx));
        //处理成功
        collector.ack(input);
        //处理失败，collector.fail(input);
    }

实时计算整合

采集层（flume）：实现日志收集，使用负载均衡策略

消息队列（kafka）：作用是解耦及不同速度系统缓冲

实时处理单元（Storm）：用Storm来进行数据处理，最终数据流入DB中

展示单元（DB+web）：数据可视化，使用WEB框架展示

整合kafka