【Spark源码分析】Spark的RPC通信二-初稿

顧棟2023-12-23 14:33

Spark的RPC通信二-初稿

Spark RPC的传输层

传输层主要还是借助netty框架进行实现。

TransportContext包含创建 TransportServer、TransportClientFactory 和使用 TransportChannelHandler 设置 Netty Channel 管道的上下文。TransportClient 提供两种通信协议：control-plane RPCs 和data-plane的 "chunk fetching"。RPC 的处理在 TransportContext 的范围之外进行（即由用户提供的处理程序执行），它负责设置流，这些流可以使用零拷贝 IO 以块为单位通过数据平面进行流式传输。对消息的处理由RpcHandler处理。TransportServer 和 TransportClientFactory 都会为每个通道创建一个 TransportChannelHandler。由于每个 TransportChannelHandler 都包含一个 TransportClient，因此服务器进程可以通过现有通道向客户端发送消息。
TransportContext -TransportConf conf -RpcHandler rpcHandler -boolean closeIdleConnections -boolean isClientOnly -MessageEncoder ENCODER -MessageEncoder DECODER -EventLoopGroup chunkFetchWorkers +TransportClientFactory createClientFactory() +TransportServer createServer() +TransportChannelHandler createChannelHandler() +TransportChannelHandler initializePipeline() ClientPool TransportClient[] clients Object[] lock TransportClientFactory -TransportContext context -TransportConf conf -List clientBootstraps -ConcurrentHashMap connectionPool -int numConnectionsPerPeer -final Class socketChannelClass -EventLoopGroup workerGroup -PooledByteBufAllocator pooledAllocator -NettyMemoryMetrics metrics <<interface>> TransportClientBootstrap void doBootstrap(TransportClient client, Channel channel) <<interface>> TransportServerBootstrap RpcHandler doBootstrap(Channel channel, RpcHandler rpcHandler) <<abstract>> MessageHandler abstract void handle(T message) abstract void channelActive() abstract void exceptionCaught(Throwable cause) abstract void channelInactive() <<interface>> Message <<abstract>> RpcHandler TransportRequestHandler RpcHandler rpcHandler StreamManager streamManager TransportResponseHandler TransportClient TransportServer TransportChannelHandler

传输上下文TransportContext

TransportContext的核心成员与核心方法

  • TransportConf conf：传输的配置信息
  • RpcHandler rpcHandler：对接收的RPC消息进行处理
  • EventLoopGroup chunkFetchWorkers：处理 ChunkFetchRequest 的独立线程池。这有助于控制通过底层通道将 ChunkFetchRequest 信息写回客户端时阻塞的 TransportServer 工作线程的最大数量。
  • createClientFactory()：初始化 ClientFactory，在返回新客户端之前运行给定的 TransportClientBootstraps。Bootstraps 将同步执行，并且必须成功运行才能创建客户端。
  • createServer()：创建传输服务端TransportServer的实例
  • initializePipeline()：对TransportClient，TransportRequestHandler，TransportResponseHandler进行初始化，然后在用其构造TransportChannelHandler对象。借助Netty的API对管道进行配置。

TransportContext的createClientFactory方法创建传输客户端工厂TransportClientFactory的实例。在构造TransportClientFactory的实例时，还会传递客户端引导程序TransportClientBootstrap的列表。TransportClientFactory内部维护每个Socket地址的连接池。通过调用TransportContext的createServer方法创建传输服务端TransportServer的实例。

核心类TransportClientFactory

用于使用 createClient方法 创建 TransportClients 的工厂。该工厂负责维护与其他主机的连接池，并为同一远程主机返回相同的 TransportClient。它还为所有 TransportClients 共享一个工作线程池。只要有可能，就会重复使用 TransportClients。在完成创建新的 TransportClient 之前，将运行所有给定的 TransportClientBootstraps。

TransportClientFactory的核心成员和核心方法

  • 静态内部类ClientPool：一种简单的数据结构，用于跟踪两个对等节点之间的客户端连接池，保障其可以复用，由于线程不安全，所以增加了客户端对应的锁。

    java 复制代码 
      private static class ClientPool {
    TransportClient[] clients;
    Object[] locks;

    ClientPool(int size) {
      clients = new TransportClient[size];
      locks = new Object[size];
      for (int i = 0; i < size; i++) {
        locks[i] = new Object();
      }
    }
  }

  • TransportContext context：TransportContext 的实例对象

  • TransportConf conf：链接配置信息的实例对象

  • List<TransportClientBootstrap> clientBootstraps：客户端的引导程序，主要是客户端在建立连接的时候，进行一些初始化的准备操作。

  • ConcurrentHashMap<SocketAddress, ClientPool> connectionPool：维护了连接地址上的客户端连接池的映射表。

  • createClient(String remoteHost, int remotePort)：

    • 首先根据远程地址，确认客户端连接池connectionPool中是否存在关于这个地址的客户端池clientPool，如果没有就新建一个客户端池放入连接池中。
    • 检查通道是否超时和客户端是否存活，如果客户端失活，则需要重建一个客户端。创建客户端的在createClient(InetSocketAddress address)方法中。
    java 复制代码 
      public TransportClient createClient(String remoteHost, int remotePort)
      throws IOException, InterruptedException {
    // 此处使用未解析地址，以避免每次创建客户端时都进行 DNS 解析。
    final InetSocketAddress unresolvedAddress =
      InetSocketAddress.createUnresolved(remoteHost, remotePort);

    // 如果clientPool不存在，则新建.
    ClientPool clientPool = connectionPool.get(unresolvedAddress);
    if (clientPool == null) {
      connectionPool.putIfAbsent(unresolvedAddress, new ClientPool(numConnectionsPerPeer));
      clientPool = connectionPool.get(unresolvedAddress);
    }

    int clientIndex = rand.nextInt(numConnectionsPerPeer);
    TransportClient cachedClient = clientPool.clients[clientIndex];

    if (cachedClient != null && cachedClient.isActive()) {
      // 更新处理程序的最后使用时间，确保通道不会超时
      TransportChannelHandler handler = cachedClient.getChannel().pipeline()
        .get(TransportChannelHandler.class);
      synchronized (handler) {
        handler.getResponseHandler().updateTimeOfLastRequest();
      }
      // 然后检查客户端是否还活着，以防在代码更新之前超时。
      if (cachedClient.isActive()) {
        logger.trace("Returning cached connection to {}: {}",
          cachedClient.getSocketAddress(), cachedClient);
        return cachedClient;
      }
    }

    // 如果我们到达这里，就没有打开现有连接，尝试创建一个新连接。
    final long preResolveHost = System.nanoTime();
    final InetSocketAddress resolvedAddress = new InetSocketAddress(remoteHost, remotePort);
    final long hostResolveTimeMs = (System.nanoTime() - preResolveHost) / 1000000;
    if (hostResolveTimeMs > 2000) {
      logger.warn("DNS resolution for {} took {} ms", resolvedAddress, hostResolveTimeMs);
    } else {
      logger.trace("DNS resolution for {} took {} ms", resolvedAddress, hostResolveTimeMs);
    }
    // 多个线程可能会竞相在这里创建新连接。通过同步原语只保留其中一个处于活动状态。
    synchronized (clientPool.locks[clientIndex]) {
      cachedClient = clientPool.clients[clientIndex];

      if (cachedClient != null) {
        if (cachedClient.isActive()) {
          logger.trace("Returning cached connection to {}: {}", resolvedAddress, cachedClient);
          return cachedClient;
        } else {
          logger.info("Found inactive connection to {}, creating a new one.", resolvedAddress);
        }
      }
      clientPool.clients[clientIndex] = createClient(resolvedAddress);
      return clientPool.clients[clientIndex];
    }
  }

  • createClient(InetSocketAddress address)：

    • 通过Netty的根引导程序进行初始化配置
    • 通过回调函数初始化bootstrap的Pipeline，设置好客户端引用和管道引用。
    • 遍历客户端引导程序集clientBootstraps，执行其初始化的内容
    java 复制代码 
      private TransportClient createClient(InetSocketAddress address)
      throws IOException, InterruptedException {
    logger.debug("Creating new connection to {}", address);
    // netty的连接创建的根引导程序
    Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
    bootstrap.group(workerGroup)
      .channel(socketChannelClass)
      // 禁用纳格尔算法，因为我们不想让数据包等待
      .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
      .option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
      .option(ChannelOption.CONNECT_TIMEOUT_MILLIS, conf.connectionTimeoutMs())
      .option(ChannelOption.ALLOCATOR, pooledAllocator);

    if (conf.receiveBuf() > 0) {
      bootstrap.option(ChannelOption.SO_RCVBUF, conf.receiveBuf());
    }

    if (conf.sendBuf() > 0) {
      bootstrap.option(ChannelOption.SO_SNDBUF, conf.sendBuf());
    }

    final AtomicReference<TransportClient> clientRef = new AtomicReference<>();
    final AtomicReference<Channel> channelRef = new AtomicReference<>();

    // 通过回调函数初始化bootstrap的Pipeline
    bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
      @Override
      public void initChannel(SocketChannel ch) {
        TransportChannelHandler clientHandler = context.initializePipeline(ch);
        clientRef.set(clientHandler.getClient());
        channelRef.set(ch);
      }
    });

    // 连接远程服务器
    long preConnect = System.nanoTime();
    ChannelFuture cf = bootstrap.connect(address);
    if (!cf.await(conf.connectionTimeoutMs())) {
      throw new IOException(
        String.format("Connecting to %s timed out (%s ms)", address, conf.connectionTimeoutMs()));
    } else if (cf.cause() != null) {
      throw new IOException(String.format("Failed to connect to %s", address), cf.cause());
    }

    TransportClient client = clientRef.get();
    Channel channel = channelRef.get();
    assert client != null : "Channel future completed successfully with null client";

    // 在将客户端标记为成功之前，同步执行任何客户端引导。
    long preBootstrap = System.nanoTime();
    logger.debug("Connection to {} successful, running bootstraps...", address);
    try {
        // 遍历客户端引导程序集clientBootstraps，执行其初始化的内容
      for (TransportClientBootstrap clientBootstrap : clientBootstraps) {
        clientBootstrap.doBootstrap(client, channel);
      }
    } catch (Exception e) { // catch non-RuntimeExceptions too as bootstrap may be written in Scala
      long bootstrapTimeMs = (System.nanoTime() - preBootstrap) / 1000000;
      logger.error("Exception while bootstrapping client after " + bootstrapTimeMs + " ms", e);
      client.close();
      throw Throwables.propagate(e);
    }
    long postBootstrap = System.nanoTime();

    logger.info("Successfully created connection to {} after {} ms ({} ms spent in bootstraps)",
      address, (postBootstrap - preConnect) / 1000000, (postBootstrap - preBootstrap) / 1000000);

    return client;
  }

TransportClient

用于向server端发送rpc请求和从server 端获取流的chunk块，旨在高效传输大量数据，这些数据被分成大小从几百 KB 到几 MB 不等的数据块。

典型流程

java 复制代码 
// 打开远程文件
client.sendRPC(new OpenFile("/foo")) --> returns StreamId = 100
// 获取远程文件的chunk
client.fetchChunk(streamId = 100, chunkIndex = 0, callback)
client.fetchChunk(streamId = 100, chunkIndex = 1, callback)
// 关闭远程文件
client.sendRPC(new CloseStream(100))

用于获取预协商数据流中连续数据块的客户端，处理的是从数据流（即数据平面）中获取数据块的过程，但数据流的实际设置是在传输层范围之外完成的。提供 "sendRPC "方便方法是为了在客户端和服务器之间进行控制平面通信，以执行此设置。使用 TransportClientFactory 构建一个 TransportClient 实例。单个 TransportClient 可用于多个流，但任何给定的流都必须仅限于单个客户端，以避免响应顺序混乱。注意：该类用于向服务器发出请求，而 TransportResponseHandler 则负责处理来自服务器的响应。并发性：线程安全，可由多个线程调用。

TransportServer

服务器，提供高效的底层流媒体服务。

消息的处理

消息处理类MessageHandler处理来自 Netty 的请求或响应信息。一个 MessageHandler 实例只与一个Netty通道相关联（尽管同一通道上可能有多个客户端）。以下是其定义的抽象方法。

  • abstract void handle(T message)：对接收的单条信息的处理。
  • abstract void channelActive()：当该消息处理程序所在的频道处于活动状态时调用。
  • abstract void exceptionCaught(Throwable cause)：当通道上出现异常时调用。
  • abstract void channelInactive()：当此 MessageHandler 所处的通道处于非活动状态时调用。

MessageHandler有两个继承类TransportRequestHandler和TransportResponseHandler分别用来进行Server端处理Client的请求信息和Client端处理Server的响应信息。

TransportRequestHandler的handle(RequestMessage request)方法

java 复制代码 
  public void handle(RequestMessage request) {
    if (request instanceof RpcRequest) {
     // 处理RPC请求，依赖RpcHandler的receive()方法
      processRpcRequest((RpcRequest) request);
    } else if (request instanceof OneWayMessage) {
     // 处理无需回复的RPC请求，依赖RpcHandler的receive()方法
      processOneWayMessage((OneWayMessage) request);
    } else if (request instanceof StreamRequest) {
     // 处理流请求，依赖StreamManager的openStream()方法获取流数据并封装成ManagedBuffer
      processStreamRequest((StreamRequest) request);
    } else {
     // 未知请求抛异常
      throw new IllegalArgumentException("Unknown request type: " + request);
    }
  }

TransportResponseHandler的handle(ResponseMessage message)方法

在client端发送消息时，根据发送消息的类型调用TransportResponseHandler中的方法注册回调函数，回调函数和请求信息放入相应的缓存中。

待TransportResponseHandler收到server端的响应消息时，再调用主要的工作方法handle()，根据响应消息类型从对应缓存中取出回调函数并调用。

java 复制代码 
  @Override
  public void handle(ResponseMessage message) throws Exception {
    if (message instanceof ChunkFetchSuccess) {
      ChunkFetchSuccess resp = (ChunkFetchSuccess) message;
      ChunkReceivedCallback listener = outstandingFetches.get(resp.streamChunkId);
      if (listener == null) {
        logger.warn("Ignoring response for block {} from {} since it is not outstanding",
          resp.streamChunkId, getRemoteAddress(channel));
        resp.body().release();
      } else {
        outstandingFetches.remove(resp.streamChunkId);
        listener.onSuccess(resp.streamChunkId.chunkIndex, resp.body());
        resp.body().release();
      }
    } else if (message instanceof ChunkFetchFailure) {
      ChunkFetchFailure resp = (ChunkFetchFailure) message;
      ChunkReceivedCallback listener = outstandingFetches.get(resp.streamChunkId);
      if (listener == null) {
        logger.warn("Ignoring response for block {} from {} ({}) since it is not outstanding",
          resp.streamChunkId, getRemoteAddress(channel), resp.errorString);
      } else {
        outstandingFetches.remove(resp.streamChunkId);
        listener.onFailure(resp.streamChunkId.chunkIndex, new ChunkFetchFailureException(
          "Failure while fetching " + resp.streamChunkId + ": " + resp.errorString));
      }
    } else if (message instanceof RpcResponse) {
      RpcResponse resp = (RpcResponse) message;
      RpcResponseCallback listener = outstandingRpcs.get(resp.requestId);
      if (listener == null) {
        logger.warn("Ignoring response for RPC {} from {} ({} bytes) since it is not outstanding",
          resp.requestId, getRemoteAddress(channel), resp.body().size());
      } else {
        outstandingRpcs.remove(resp.requestId);
        try {
          listener.onSuccess(resp.body().nioByteBuffer());
        } finally {
          resp.body().release();
        }
      }
    } else if (message instanceof RpcFailure) {
      RpcFailure resp = (RpcFailure) message;
      RpcResponseCallback listener = outstandingRpcs.get(resp.requestId);
      if (listener == null) {
        logger.warn("Ignoring response for RPC {} from {} ({}) since it is not outstanding",
          resp.requestId, getRemoteAddress(channel), resp.errorString);
      } else {
        outstandingRpcs.remove(resp.requestId);
        listener.onFailure(new RuntimeException(resp.errorString));
      }
    } else if (message instanceof StreamResponse) {
      StreamResponse resp = (StreamResponse) message;
      Pair<String, StreamCallback> entry = streamCallbacks.poll();
      if (entry != null) {
        StreamCallback callback = entry.getValue();
        if (resp.byteCount > 0) {
          StreamInterceptor interceptor = new StreamInterceptor(this, resp.streamId, resp.byteCount,
            callback);
          try {
            TransportFrameDecoder frameDecoder = (TransportFrameDecoder)
              channel.pipeline().get(TransportFrameDecoder.HANDLER_NAME);
            frameDecoder.setInterceptor(interceptor);
            streamActive = true;
          } catch (Exception e) {
            logger.error("Error installing stream handler.", e);
            deactivateStream();
          }
        } else {
          try {
            callback.onComplete(resp.streamId);
          } catch (Exception e) {
            logger.warn("Error in stream handler onComplete().", e);
          }
        }
      } else {
        logger.error("Could not find callback for StreamResponse.");
      }
    } else if (message instanceof StreamFailure) {
      StreamFailure resp = (StreamFailure) message;
      Pair<String, StreamCallback> entry = streamCallbacks.poll();
      if (entry != null) {
        StreamCallback callback = entry.getValue();
        try {
          callback.onFailure(resp.streamId, new RuntimeException(resp.error));
        } catch (IOException ioe) {
          logger.warn("Error in stream failure handler.", ioe);
        }
      } else {
        logger.warn("Stream failure with unknown callback: {}", resp.error);
      }
    } else {
      throw new IllegalStateException("Unknown response type: " + message.type());
    }
  }

消息的分类

MessageHandler用来处理的消息都是继承或实现自Message接口的。
<<interface>> Message <<interface>> RequestMessage <<interface>> ResponseMessage <<abstract>> AbstractMessage <<abstract>> AbstractResponseMessage MessageHandler abstract void handle(T message) ChunkFetchRequest OneWayMessage RpcRequest StreamRequest ChunkFetchFailure RpcFailure StreamFailure ChunkFetchSuccess RpcResponse StreamResponse

根据上面的类图可以看出，主要分类

  • AbstractMessage：抽象类，用于在单独的缓冲区中保存正文。其他消息类基本都继承该类。

  • RequestMessage：定义了从客户端到服务端的消息接口

    • ChunkFetchRequest：请求获取数据流中单个数据块的序列。这将对应一个响应信息（成功或失败）。
    • RpcRequest：由远程服务端 org.apache.spark.network.server.RpcHandler 处理的通用 RPC。这将对应一个响应信息（成功或失败）。
    • OneWayMessage：由远程服务端 org.apache.spark.network.server.RpcHandler 处理。不需要进行回复客户端。
    • StreamRequest：请求从远端流式传输数据。数据流 ID 是一个任意字符串，需要两个端点协商后才能流式传输数据

  • ResponseMessage：定义了从服务端到客户端的消息接口

    • AbstractResponseMessage：响应信息的抽象类。
      • ChunkFetchSuccess：处理ChunkFetchRequest成功后返回的消息。
      • RpcResponse：处理RpcRequest成功后返回的消息。
      • StreamResponse：处理StreamRequest成功后返回的消息。
    • ChunkFetchFailure：处理ChunkFetchRequest失败后返回的消息。
    • RpcFailure：处理RpcRequest失败后返回的消息。
    • StreamFailure：处理StreamRequest失败后返回的消息。

client端请求和响应的流程

传输层 1.addRpcRequest或addFetchRequest 2.WriteAndFlush IdleStateHandler MessageDecoder TransportFrameDecoder TransportResponseHandler TransportChannelHandler Netty MessageEncoder TransportClient Request Response

server端处理请求和响应的流程

传输层 IdleStateHandler MessageDecoder TransportFrameDecoder TransportRequestHandler TransportChannelHandler StreamManager RpcHandler Netty MessageEncoder Request Response

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