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：
- 将用户行为、log等信息清洗后保存在数据库中.
- 将订单信息保存在数据库中.
- 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.
- 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.
- 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：
- 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。 - 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。 - 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：
- 转发最多的微博是什么？
- 最热卖的商品有哪些？
- 大家都在搜索的热点是什么？
- 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：
- 数据源
这里，假设我们的数据，来自微博长连接推送的话题。 - 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。 - 计算引擎
我们采用storm。 - 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 ：]
