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gRPC/consul/kafka简介
consul是一个分布式的基于数据中心的服务发现框架，常用的其他服务发现框架有zookeeper, etcd, eureka。
gRPC是google开源的一个高性能、通用的RPC框架，基于http2、protobuf设计开发，是一个跨编程语言的RPC框架，跨编程语言让client和server可以采用不同的编程语言开发。 kafka是一个分布式的流处理平台。它可以用于两大类别的应用：
1.构造实时流数据管道，它可以在系统或应用之间可靠地获取数据。（相当于message queue）
2.构建实时流式应用程序，对这些流数据进行转换或者影响。（就是流处理，通过kafka stream topic和topic之间内部进行变化）
kafka中文文档官网：http://kafka.apachecn.org/
常用的其他消息队列框架有：ActiveMQ,RabbitMQ,RocketMQ.
本文使用consul做服务发现，gRPC来处理RPC(Remote Procedure Call)即远程过程调用，消息队列框架采用了kafka，数据存储采用了redis。
gRPC+kafka Demo
本文使用的注记说明：
funcA()-->funcB()-->funcC()
-->funcD()-->funcE()
funcC()-->funcF()
-->funcG()
上面的函数调用关系为：funcA按序调用了funcB和funcD，funcB调用了funcC,funcD直接调用了funcE, funcC调用了funcF和funcG。
gRPC+kafka整体示意图
限流器
基于gRPC拦截器和令牌桶算法实现了一个简易的限流器。相关code如下：
color.Set()是一个设置屏幕输出颜色的函数，由github.com/fatih/color提供。
//gRPC拦截器
func unaryInterceptor(ctx context.Context, req interface{}, info *grpc.UnaryServerInfo, handler grpc.UnaryHandler) (interface{}, error) {
//调用限流器handler
if throttleHandler(info) == false {
color.Set(color.FgHiRed, color.Bold) //设置打印颜色
fmt.Printf("Request rate exceed server limts, reject!\n")
color.Unset()
return nil, errReqExceedLimitRate
}
//调用RPC handler
m, err := handler(ctx, req)
...
}
//限流器
func throttleHandler(info *grpc.UnaryServerInfo) bool {
s := info.Server.(*CalculateServiceServer)
pass := false
select {
case <-s.limitCh:
pass = true
default:
}
return pass
}
//令牌产生器
//simulate produce one token per 0.1 second
func (s *CalculateServiceServer) tokenProducer() {
t := time.NewTicker(100 * time.Millisecond)
for {
select {
case <-t.C:
//If bucket is full, token will been dropped
select {
case s.limitCh <- struct{}{}:
default:
}
...
}
}
}
基于redis计数器生成唯一ID
相关code如下:
func GetUniqueID(rdb *redis.Client, key string) (int64, error) {
//get a unique number for file name prefix
val, err := rdb.Incr(key).Result()
if err != nil {
return -1, err
}
return val, nil
}
kafka生产消费
kafka生产消费示意图
本文kafka生产消费过程
proxy将client请求按[topic type][retry count][reqID][req]编码为一条消息发送到kafka，server从kafka获取client请求然后处理，若处理失败发送到对应的Retry topic，如果Retry处理后依旧失败，则发送到对应的Dead Letter topic。
本文通过将kafka consumer消费的offset保存到redis中，并在consumer下次重启后从redis中恢复offset来继续消费，从而避免重复消费。（sarama实现的kafka consumer是有一个专门的goroutine定时flush commmited offset,发生重启后sarama从zookeeper获取offset可能有较大偏差。）
proxy在将请求发送到kafka之前，会在redis订阅以请求ID为名的channel,server对于处理完的请求，将相应的处理结果publish到redis对应的channel。
相关code如下:
//proxy
//producer
func (s *CalculateServiceServer) Calculate(ctx context.Context, in *cpb.CalculateRequest) (*cpb.CalculateResponse, error) {
...
//在redis中订阅以reqId为名的channel
pubsub := s.rdb.Subscribe(fmt.Sprintf("%d", reqId))
// 等待redis订阅成功
_, err = pubsub.Receive()
if err != nil {
...
}
defer pubsub.Close()
defer pubsub.Unsubscribe(fmt.Sprintf("%d", reqId))
//Go channel which receives messages
//When pubsub is closed channel is closed too
pubsubCh := pubsub.Channel()
//将client请求编码为消息后发送到kafka
if err := s.ksProducer.ProduceKafkaMessage(topics, fmt.Sprintf("%d", reqId), buf); err != nil {
...
}
t := time.NewTimer(3 * time.Second)
for {
select {
case <-t.C:
...
case msg := <-pubsubCh:
result, err := strconv.ParseFloat(msg.Payload, 32)
if err != nil {
...
}
val := fmt.Sprintf("%f", result)
//将server处理结果缓存到redis中
if err = s.rdb.Set(request, val, 120*time.Second).Err(); err != nil {
...
}
return &cpb.CalculateResponse{Message: "Hello! " + in.Name + "!" + fmt.Sprintf("This is Server: %s:%d", s.info.Addr, s.info.Port), SuccessFlag: true, Result: result}, nil
}
}
}
//server
//consumer
//在sarama的每次session建立后，在consume执行前，根据redis记录的offset接着消费
func (consumer *Consumer) Setup(sess sarama.ConsumerGroupSession) error {
//获取session消费的topic有哪些分区
m_partitions := sess.Claims()
...
for _, topic := range consumer.topics {
for _, partNo := range partitions {
offset, hwOffset, err := consumer.getOffset(fmt.Sprintf("%s-%d", topic, partNo))
//No record value in redis for the first time run
if err != nil {
...
}
//if the offset record in redis smaller than the record in zookeeper, then need use ResetOffset
//if the offset record in redis bigger than the record in zookeeper, then need use MarkOffset
sess.ResetOffset(topic, partNo, offset, "")
sess.MarkOffset(topic, partNo, offset, "")
}
}
return nil
}
//message protocol: [topic type][retry count][reqID][req]
func (consumer *Consumer) ProcessMessage(topic, msg string) {
message := strings.Split(msg, ":")
reqId, err := strconv.ParseInt(message[2], 10, 64)
if err != nil {
...
}
switch message[0] {
case "Normal":
consumer.processNormalTopic(topic, message[3], reqId)
case "Retry":
retryCnt, err := strconv.Atoi(message[1])
if err != nil {
...
}
topic := strings.Split(topic, "Retry-")
consumer.processRetryTopic(topic[1], message[3], retryCnt, reqId)
case "DeadLetter":
consumer.processDeadLetterTopic(topic, message[3], reqId)
default:
}
}
func (s *server) ProcessTopic(topic, msg string, reqId int64) (int, error) {
switch topic {
case "GrassInWind2019":
res, err := s.processReq(msg)
if err != nil {
return 2, err
}
//Publish result to redis
err = rdb.Publish(fmt.Sprintf("%d", reqId), fmt.Sprintf("%f", res)).Err()
if err != nil {
...
}
return 0, nil
default:
}
return 0, nil
}
基于pprof的性能分析Demo
在proxy和server之间对于处理结果的获取一开始是采用redis的Set/Get来实现的，在proxy的Calculate方法中循环不断调用Get来查询结果直到超时。
在多次测试中发现，采用Set/Get的方式，proxy的经常会超时拿不到处理结果。
通过pprof性能分析工具发现，proxy的CPU消耗集中在Calculate的redis.cmdable.Get()调用中（消耗CPU比例达到了91.86%）。
然后采用redis的PUB/SUB对此作了优化，proxy的Calculate的CPU消耗降低到了42.86%。proxy不会出现超时拿不到结果了。(需要在测试前创建好topic,否则刚开始运行还是会出现超时，一段时间后正常。)
pprof分析CPU数据的命令如下
pprof -http=:8080 cpu_pub-sub.prof
使用pprof统计CPU/HEAP数据的code example
import "runtime/pprof"
cpuf, err := os.OpenFile("cpu.prof", os.O_RDWR|os.O_CREATE, 0644)
if err != nil {
panic(err)
}
pprof.StartCPUProfile(cpuf)
heapf, err := os.OpenFile("heap.prof", os.O_RDWR|os.O_CREATE, 0644)
if err != nil {
panic(err)
}
pprof.StopCPUProfile()
cpuf.Close()
pprof.WriteHeapProfile(heapf)
heapf.Close()
基于redis的Set/Get方式的pprof的CPU火焰图
基于redis的PUB/SUB方式的pprof的CPU火焰图
RPC接口
RPC接口通过protobuf定义，使用的是proto3版本。
//The request message containing the user's name
message CalculateRequest {
string name = 1;
string method = 2;
int32 num1 = 3;
int32 num2 = 4;
}
//The response message
message CalculateResponse {
string message = 1;
bool successFlag = 2;
double result = 3;
}
//service definition
service CalculateService {
rpc Calculate(CalculateRequest) returns(CalculateResponse);
}
client
-
client通过调用ConsulResolverInit注册了一个consul client,同时向gRPC注册了自定义的resolver即consulResolverBuilder。
-
client调用Dial与HelloService server建立连接。
Dial连接server大致实现过程如下：
Dial()-->DialContext()-->newCCResolverWrapper()
newCCResolverWrapper()-->Build()
Build()-->resolveServiceFromConsul() 通过consul获取service的地址信息
-->start()-->UpdateState()-->updateResolverState() 这个方法里会将consul获取的service地址信息存储到gRPC中
-->csMonitor()创建一个goroutine每隔500ms向consul获取service信息，然后调用UpdateState更新地址
updateResolverState()-->newCCBalancerWrapper()-->watcher()这个watcher goroutine专门监控service的地址变化并更新连接
-->updateClientConnState()这个方法是将通过consul获取的地址信息中去除GRPCLB地址，然后通过通道发送给watcher去处理
watcher()-->UpdateClientConnState()这个方法会根据consul获取的新地址创建SubConn并调用Connect()去连接server，然后会检查当前的地址集合将失效的地址删除 -
client调用Calculate方法
实际上调用的是通过proto自动生成的代码中的helloServiceClient的Calculate方法。
Calculate()-->Invoke()
Invoke()-->newClientStream()-->newAttemptLocked()-->getTransport()-->Pick()该方法轮询可用连接来使用即roundrobin负载均衡
-->SendMsg()该方法将请求发送给对应的server
-->RecvMsg()该方法接收server回应的respoonse -
小结 client需要实现gRPC resolver相关接口，以使得gRPC能够获取service的地址。gRPC的resolver example: https://github.com/grpc/grpc-go/blob/master/examples/features/name_resolving/client/main.go
本文的resolver example: https://github.com/GrassInWind2019/gRPC-kafkaDemo/blob/master/serviceDiscovery/consulResolver.go
client首先通过调用ConsulResolverInit向gRPC注册实现的resolver，然后调用Dial与server建立连接，然后再调用NewCalculateClient创建一个通过protoc自动生成的CalculateService的client，最后就可以调用这个client的Calculate方法来实现RPC。
本文的client example: https://github.com/GrassInWind2019/gRPC-kafkaDemo/blob/master/example/client/client.go
proxy
- 调用NewCalculateServiceServer来创建一个gRPC server及CalculateService。
- server通过调用Listen来侦听指定的地址和端口。
- 调用CreateConsulRegisterClient创建一个consul client，
- 调用RegisterServiceToConsul向consul server注册一个service。
RegisterServiceToConsul()-->registerServiceToConsul()
registerServiceToConsul()-->ServiceRegister()通过调用consul client的ServiceRegister方法向consul server注册
-->AgentServiceCheck()向consul server注册service的health check
-->创建了一个goroutine并定期调用UpdateTTL向consul server表明service还是OK的。 - 调用RegisterCalculateServiceServer向gRPC注册一个service及它提供的方法。
RegisterHelloServiceServer()-->RegisterService()-->register()
register将service提供的方法根据名称保存到了一个map中。
func (s *Server) register(sd *ServiceDesc, ss interface{}) {
...
srv := &service{
server: ss,
md: make(map[string]*MethodDesc),
...
}
//将待注册的service的MethodDesc对象保存到新创建的service的md中
for i := range sd.Methods {
d := &sd.Methods[i]
srv.md[d.MethodName] = d
}
...
//将新创建的service对象保存到server的m中
s.m[sd.ServiceName] = srv
}
- 调用Serve来为client提供服务。
Serve()-->Accept()接受client连接
-->新创建一个goroutine来处理建立的连接-->handleRawConn()
handleRawConn()-->newHTTP2Transport()-->NewServerTransport()-->newHTTP2Server()这个方法会与client完成http2握手，然后创建一个goroutine专门用于发送数据。
-->serveStreams()-->HandleStreams()-->operateHeaders()-->handleStream()会从接收到的stream中取出service和method名称，然后从server结构对应的map表中找出method handler。
func (s *Server) handleStream(t transport.ServerTransport, stream *transport.Stream, trInfo *traceInfo) {
//获取stream的Method名称
sm := stream.Method()
if sm != "" && sm[0] == '/' {
sm = sm[1:]
}
pos := strings.LastIndex(sm, "/")
...
//获取service名称
service := sm[:pos]
//获取method名称
method := sm[pos+1:]
//从gRPC server的m map中根据service名称找到对应的service对象
srv, knownService := s.m[service]
if knownService {
//再从service的md map中找到对应的MethodDesc对象，其中包含method handler
if md, ok := srv.md[method]; ok {
s.processUnaryRPC(t, stream, srv, md, trInfo)
return
}
...
}
...
if err := t.WriteStatus(stream, status.New(codes.Unimplemented, errDesc)); err != nil {
...
}
...
}
processUnaryRPC()-->NewContextWithServerTransportStream()创建一个context
-->Handler()实际就是调用SayHello
-->sendResponse()将执行结果发送给client
sendResponse()-->Write()-->put()-->executeAndPut()将数据存入controlBuffer的list中，然后通知consumer即newHTTP2Server创建的那个goroutine调用get来取数据并发送出去。
- Calculate服务
Calculate首先根据请求内容去redis中查询是否有对应的记录，若没有则先获取一个唯一id作为请求id，然后向redis订阅以这个id为名称的channel。订阅成功后，新产生一条消息，发送到kafka。然后设置3s超时，在订阅的通道等待server的处理结果。
8.模拟service故障及恢复
通过faultSimulator每隔20s调用GracefulStop来停止正在运行的server来模拟service发生故障。
func (monitor *serverMonitor) faultSimulator() {
t := time.NewTicker(20 * time.Second)
for {
select {
case <-t.C:
fmt.Println("time out! Stop servers!")
for _, s := range monitor.servers {
s.gServer.GracefulStop()
fmt.Printf("server %s:%d graceful stopped!\n", s.info.Addr, s.info.Port)
}
...
}
}
}
通过serverMonitor来监控server状态，若发生失败退出，则重新启动一个新的server。通过改变port，来模拟service地址变化，client调用RPC接口依旧能正常工作。
server
- server启动后创建一个producer和一个consumer group。consumer group的go client在sarama中已经提供了example,可参考https://github.com/Shopify/sarama/tree/master/examples/consumergroup
- consumer启动后在Setup()中先获取session的group及partition信息，然后从redis中获取对应的offset信息，再通过ResetOffset/MarkOffset将offset重置到上一次消费的offset。
- 然后consumer就进入消费消息的循环。
- 在循环中，每获取一条消息就调用ProcessMessage()，对于处理失败的，在原有topic名称的基础上加上"Retry-"，然后将消息发送到一个通道，server启动的producer会从这个通道取消息发送到kafka。对于Retry类型的topic处理依旧失败的，则将其加入Dead Letter类型的topic，发送到kafka。每条消息消费后，都会将offset记录到redis中。
- 对于处理成功的消息，server会将处理结果publish到以请求id为名称的channel.
本文github链接
https://github.com/GrassInWind2019/gRPC-kafkaDemo
<iframe src="https://ghbtns.com/github-btn.html?user=GrassInWind2019&repo=gRPC-kafkaDemo&type=watch&count=true&size=large" allowtransparency="true" frameborder="0" scrolling="0" width="156px" height="30px"></iframe> <iframe src="https://ghbtns.com/github-btn.html?user=GrassInWind2019&repo=gRPC-kafkaDemo&type=fork&count=true&size=large" allowtransparency="true" frameborder="0" scrolling="0" width="156px" height="30px"></iframe>运行Demo简介
需要下载安装的如下
- Go语言
下载link: https://golang.google.cn/dl/ - consul
consul github link: https://github.com/hashicorp/consul
mkdir -p $GOPATH/src/github.com/hashicorp/
cd $GOPATH/src/github.com/hashicorp/
git clone [email protected]:hashicorp/consul.git
下载速度只有几kB/s，需要几个小时才能下完 - protobuf
从https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases下载protobuf和protoc的包 - gRPC
mkdir -p $GOPATH/src/github.com/grpc/
cd $GOPATH/src/github.com/grpc/
git clone [email protected]:grpc/grpc-go.git
下载速度只有几kB/s，需要几个小时才能下完 - zookeeper
kafka需要zookeeper来提交偏移量及配置管理等。
zookeeper下载链接：http://zookeeper.apache.org/releases.html - kafka
kafka下载链接：http://kafka.apache.org/downloads - redis
windows 32位 redis下载链接：https://github.com/microsoftarchive/redis/releases/tag/win-3.2.100
这个版本在windows下运行不稳定...，但是redis的PUB/SUB功能需要大于2.6的版本。 微软官方只支持64位redis，下载链接：https://github.com/microsoftarchive/redis/releases - 下载kafka go client sarama
go get github.com/Shopify/sarama
具体的安装步骤请自行搜索教程。
9. 下载本文code
mkdir -p $GOPATH/src/github.com/GrassInWind2019/
cd $GOPATH/src/github.com/GrassInWind2019/
git clone [email protected]:GrassInWind2019/gRPC-kafkaDemo.git
运行步骤
- consul.exe agent -dev
我是在windows环境下运行的，首先启动consul server，这是最简单的方式。 - 运行zookeeper
zkServer.cmd，windows在cmd直接运行这个，需要在zkServer.cmd所在路径打开cmd。 - 启动kafka
.\bin\windows\kafka-server-start.bat .\config\server1.properties .\bin\windows\kafka-server-start.bat .\config\server2.properties .\bin\windows\kafka-server-start.bat .\config\server3.properties windows在cmd运行。
kafka的server的配置可参考http://kafka.apachecn.org/quickstart.html - 启动redis server
redis-server.exe redis.windows.conf 在windows的cmd下运行，需要在redis-server.exe所在路径打开cmd。 - 编译 gRPC-kafkaDemo/example/proxy/proxy.go
使用liteIDE打开proxy.go，点击build按钮即可完成编译。 liteIDE下载link：https://sourceforge.net/projects/liteide/ - 运行proxy
windows 下可以用git bash运行，在$GOPATH/src/github.com/GrassInWind2019/gRPC-kafkaDemo/example/proxy/目录下打开git bash, ./proxy.exe localhost:9092 GrassInWind2019即可。localhost:9092是kafka broker地址。 - 编译 gRPC-kafkaDemo/example/server/server.go
使用liteIDE打开server.go，点击build按钮即可完成编译。 - 运行server
windows下在目录下打开git bash，运行./server.exe -brokers localhost:9092 -topics="GrassInWind2019" -group="example"即可。其中locahost:9092是kafka broker地址，topic名称要和proxy保持一致。 - 编译gRPC-kafkaDemo/example/client/client.go
使用liteIDE打开client.go，点击build按钮即可完成编译。 - 运行client
在$GOPATH/src/github.com/GrassInWind2019/gRPC-kafkaDemo/example/client/目录下打开git bash， ./client.exe [可选参数name]。也可以直接在liteIDE点击运行按钮。
修改RPC接口
如果想修改RPC接口也就是修改CalculateService.proto文件
修改完后需要利用protoc工具重新生成CalculateService.pb.go
可使用如下命令
protoc.exe --plugin=protoc-gen-go=$GOPATH/bin/protoc-gen-go.exe --go_out=plugins=grpc:. --proto_path . CalculateService.proto
一定要带上--go_out=plugins=grpc，否则生成的go文件会缺少gRPC相关的code比如编译会报错，找不到CalculateService.RegisterHelloServiceServer。
运行结果
client
proxy
server
