Hadoop RPC框架

原文：http://blog.csdn.net/thomas0yang/article/details/41211259

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1、RPC框架概述

1.1 RPC（Remote Procedure Call Protocol）——远程过程调用协议，它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的协议。RPC协议假定某些传输协议的存在，如TCP或UDP，为通信程序之间携带信息数据。在OSI网络通信模型中，RPC跨越了传输层和应用层。RPC使得开发包括网络分布式多程序在内的应用程序更加容易。

1.2 RPC通常采用客户端服务器模型，其框架主要有以下几部分

通信模块：实现请求应该协议。主要分为同步方式和异步方式。
stub程序：客户端和服务器均包含stub程序，可以看做代理程序。使得远程函数表现的跟本地调用一样，对用户程序完全透明。
调度程序：接受来自通信模块的请求消息，根据标识选择stub程序处理。并发量大一般采用线程池处理。
客户程序/服务过程：请求发出者和请求的处理者。

1.3 RPC流程图

2、Hadoop RPC基本框架

2.1Hadoop RPC的使用方法见代码

服务
public interface MyBiz extends VersionedProtocol {
    long PROTOCOL_VERSION = 12321443L;
    String hello(String name);
}
public class MyBizImpl implements MyBiz {
    @Override
    public long getProtocolVersion(String arg0, long arg1) throws IOException {
        return PROTOCOL_VERSION;
    }

    @Override
    public String hello(String name) {
        System. out.println( "invoked");
        return "hello " + name;
    }
}

服务器
public class MyServer {
    public static final String SERVER_ADDRESS = "localhost";
    public static final int SERVER_PORT = 12345;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Server server = RPC. getServer(new MyBizImpl(), SERVER_ADDRESS, SERVER_PORT , new Configuration());
        server.start();
    }
}

客户端
public class MyClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        MyBiz proxy = (MyBiz) RPC. getProxy(MyBiz.class, MyBiz.PROTOCOL_VERSION,
                new InetSocketAddress(MyServer. SERVER_ADDRESS,MyServer.SERVER_PORT),
                new Configuration());
        String result = proxy.hello( "5");
        System. out.println(result);
        RPC.stopProxy(proxy);
    }
}

2.2 org.apache.hadoop.ipc.RPC类解析

RPC类主要包含三部分：

ClientCache(成员变量)：根据用户提供的SocketFactory来缓存Client对象，以便重用Client对象。
Server(内部类)：继承Server抽象类，利用反射实现了call方法，即客户端请求的方法和对应参数完成方法调用。
Invocation(内部类)：将要调用的方法名和参数打包成可序列化的对象，方便客户端和服务器之间传递。

2.3 客户端和服务器端的关系

Client-NameNode之间，其中NameNode是服务器
Client-DataNode之间，其中DataNode是服务器
DataNode-NameNode之间，其中NameNode是服务器
DataNode-DateNode之间，其中某一个DateNode是服务器，另一个是客户端

2.4 org.apache.hadoop.ipc.Client类解析

2.4.1 Client类中主要包含：

Call(内部类)：封装了一个RPC请求，包含5个成员变量，唯一表示id、函数调用信息param、函数返回值value、函数异常信息error、函数完成标识done。Hadoop rpc server采用异步方式处理客户端请求，使得远程过程调用的发生顺序和返回顺序无直接关系，而客户端正是通过id识别不同的函数调用。当客户端向服务器发送请求，只需填充id和param两个变量，其余3个变量由服务器端根据函数执行情况填充。
Connection(内部类，一个线程)：是client和server之间的一个通信连接，封装了连接先关的基本信息和操作。基本信息包括：通信连接唯一标识remoteId(ConnectionId)、与Server端通信的scoket、网络输入输出流in/out、保存RPC请求的哈希表calls(Hashtable<Integer, Call>)。操作包括：addCall将一个Call对象添加到哈希表中；sendParam想服务器端发送RPC请求；receiveResponse从服务器端接收已经处理完成的RPC请求；run调用receiveResponse方法，等待返回结果。
ConnectionId(内部类)：连接的标记（包括server地址，协议，其他一些连接的配置项信息）
ParallelCall(内部类)：实现并行调用的请求
ParallelResults(内部类)：并行调用的执行结果

2.4.2 Client类中主要对外通过两个接口，分别用于单个远程调用和批量远程调用。

public Writable call(Writable param, ConnectionId remoteId) throws InterruptedException, IOException

public Writable call(Writable param, InetSocketAddress addr, Class<?> protocol, UserGroupInformation ticket,

int rpcTimeout, Configuration conf) throws InterruptedException, IOException

2.4.3 调用流程分析，当调用call函数执行某个远程方法时，有以下几个步骤：

1）创建一个Connection对象，并将远程方法调用信息封装成Call对象，放到Connection对象中的哈希表中；
2）调用Connection类中的sendRpcRequest()方法将当前Call对象发送给Server端；
3）Server端处理完RPC请求后，将结果通过网络返回给Client端，Client端通过receiveRpcResponse()函数获取结果；
4）Client检查结果处理状态（成功还是失败），并将对应Call对象从哈希表中删除。

2.4.4 一个Client包含多个连接，private Hashtable<ConnectionId, Connection> connections = new Hashtable<ConnectionId, Connection>();

2.5 org.apache.hadoop.ipc.Server类解析

2.5.1 背景

Hadoop采用了Master/Slave结构，其中Master是整个系统的单点，如NameNode或JobTracker，这是制约系统性能和可扩展性的最关键因素之一；而Master通过ipc.Server接收并处理所有Slave发送的请求，这就要求ipc.Server 将高并发和可扩展性作为设计目标。为此，ipc.Server采用了很多提高并发处理能力的技术，主要包括线程池、事件驱动和Reactor设计模式等，这些技术均采用了JDK自带的库实现，这里重点分析它是如何利用Reactor设计模式提高整体性能的。

2.5.2 reactor设计模式

Reactor是并发编程中的一种基于事件驱动的设计模式，它具有以下两个特点：通过派发/分离I/O操作事件提高系统的并发性能；提供了粗粒度的并发控制，使用单线程实现，避免了复杂的同步处理。典型的Reactor实现原理如图所示。

典型的Reactor模式中主要包括以下几个角色。

Reactor：I/O事件的派发者。
Acceptor：接受来自Client的连接，建立与Client对应的Handler，并向Reactor注册此Handler。
Handler：与一个Client通信的实体，并按一定的过程实现业务的处理。Handler内部往往会有更进一步的层次划分，用来抽象诸如read、decode、compute、encode和send等过程。在Reactor模式中，业务逻辑被分散的I/O事件所打破，所以Handler需要有适当的机制在所需的信息还不全（读到一半）的时候保存上下文，并在下一次I/O事件到来的时候（另一半可读）能继续上次中断的处理。
Reader/Sender：为了加速处理速度，Reactor模式往往构建一个存放数据处理线程的线程池，这样数据读出后，立即扔到线程池中等待后续处理即可。为此，Reactor模式一般分离Handler中的读和写两个过程，分别注册成单独的读事件和写事件，并由对应的Reader和Sender线程处理。

2.5.3 java nio代码实例

package com.sohu.tv.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

/**
* NIO服务端
* @author 小路
*/
public class NIOServer {
    //通道管理器
    private Selector selector;

    /**
     * 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的工作
     * @param port 绑定的端口号
     * @throws IOException
     */
    public void initServer(int port) throws IOException {
        // 获得一个ServerSocket通道
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 设置通道为非阻塞
        serverChannel.configureBlocking(false);
        // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
        serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        // 获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();
        //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后，
        //当该事件到达时，selector.select()会返回，如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。
        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    }

    /**
     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
     * @throws IOException
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void listen() throws IOException {
        System.out.println("服务端启动成功！");
        // 轮询访问selector
        while (true) {
            //当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞
            selector.select();
            // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件
            Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while (ite.hasNext()) {
                SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
                // 删除已选的key,以防重复处理
                ite.remove();
                // 客户端请求连接事件
                if (key.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
                            .channel();
                    // 获得和客户端连接的通道
                    SocketChannel channel = server.accept();
                    // 设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);

                    //在这里可以给客户端发送信息哦
                    channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));
                    //在和客户端连接成功之后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置读的权限。
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

                    // 获得了可读的事件
                } else if (key.isReadable()) {
                    read(key);
                }

            }

        }
    }
    /**
     * 处理读取客户端发来的信息的事件
     * @param key
     * @throws IOException
     */
    public void read(SelectionKey key) throws IOException{
        // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 创建读取的缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        channel.read(buffer);
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("服务端收到信息："+msg);
        ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
    }

    /**
     * 启动服务端测试
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOServer server = new NIOServer();
        server.initServer(8000);
        server.listen();
    }
}

package com.sohu.tv.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

/**
* NIO客户端
* @author 小路
*/
public class NIOClient {
    //通道管理器
    private Selector selector;

    /**
     * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作
     * @param ip 连接的服务器的ip
     * @param port 连接的服务器的端口号
     * @throws IOException
     */
    public void initClient(String ip,int port) throws IOException {
        // 获得一个Socket通道
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 设置通道为非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        // 获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();

        // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调
        //用channel.finishConnect();才能完成连接
        channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));
        //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }

    /**
     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
     * @throws IOException
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void listen() throws IOException {
        // 轮询访问selector
        while (true) {
            selector.select();
            // 获得selector中选中的项的迭代器
            Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while (ite.hasNext()) {
                SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
                // 删除已选的key,以防重复处理
                ite.remove();
                // 连接事件发生
                if (key.isConnectable()) {
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key
                            .channel();
                    // 如果正在连接，则完成连接
                    if(channel.isConnectionPending()){
                        channel.finishConnect();

                    }
                    // 设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);

                    //在这里可以给服务端发送信息哦
                    channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));
                    //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

                    // 获得了可读的事件
                } else if (key.isReadable()) {
                    read(key);
                }
            }
        }
    }
    /**
     * 处理读取服务端发来的信息的事件
     * @param key
     * @throws IOException
     */
    public void read(SelectionKey key) throws IOException{
        //和服务端的read方法一样
    }

    /**
     * 启动客户端测试
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOClient client = new NIOClient();
        client.initClient("localhost",8000);
        client.listen();
    }

}

2.5.4 server处理流程

ipc.Server的主要功能是接收来自客户端的RPC请求，经过调用相应的函数获取结果后，返回给对应的客户端。为此，ipc.Server被划分成3个阶段：接收请求、处理请求和返回结果。

（1）接收请求
该阶段主要任务是接收来自各个客户端的RPC请求，并将它们封装成固定的格式（Call类）放到一个共享队列（callQueue）中，以便进行后续处理。该阶段内部又分为建立连接和接收请求两个子阶段，分别由Listener和Reader两种线程完成。
整个Server只有一个Listener线程，统一负责监听来自客户端的连接请求，一旦有新的请求到达，它会采用轮询的方式从线程池中选择一个Reader线程进行处理，而Reader线程可同时存在多个，它们分别负责接收一部分客户端连接的RPC请求，至于每个Reader线程负责哪些客户端连接，完全由Listener决定，当前Listener只是采用了简单的轮询分配机制。
Listener和Reader线程内部各自包含一个Selector对象，分别用于监听SelectionKey.OP_ACCEPT和SelectionKey.OP_READ事件。对于Listener线程，主循环的实现体是监听是否有新的连接请求到达，并采用轮询策略选择一个Reader线程处理新连接；对于Reader线程，主循环的实现体是监听（它负责的那部分）客户端连接中是否有新的RPC请求到达，并将新的RPC请求封装成Call对象，放到共享队列callQueue中。

（2）处理请求
该阶段主要任务是从共享队列callQueue中获取Call对象，执行对应的函数调用，并将结果返回给客户端，这全部由Handler线程完成。
Server端可同时存在多个Handler线程，它们并行从共享队列中读取Call对象，经执行对应的函数调用后，将尝试着直接将结果返回给对应的客户端。但考虑到某些函数调用返回结果很大或者网络速度过慢，可能难以将结果一次性发送到客户端，此时Handler将尝试着将后续发送任务交给Responder线程。

（3）返回结果
前面提到，每个Handler线程执行完函数调用后，会尝试着将执行结果返回给客户端，但对于特殊情况，比如函数调用返回结果过大或者网络异常情况（网速过慢），会将发送任务交给Responder线程。
Server端仅存在一个Responder线程，它的内部包含一个Selector对象，用于监听SelectionKey.OP_WRITE事件。当Handler没能将结果一次性发送到客户端时，会向该Selector对象注册SelectionKey.OP_WRITE事件，进而由Responder线程采用异步方式继续发送未发送完成的结果。