Beanstalkd 一个高性能分布式内存队列系统

WindySky 2016-04-21

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设计思想

高性能离不开异步，异步离不开队列，而其内部都是Producer-Comsumer模式的原理。

图1 Producer-Comsumer模式

应用

Beanstalkd，一个高性能、轻量级的分布式内存队列系统，最初设计的目的是想通过后台异步执行耗时的任务来降低高容量Web应用系统的页面访问延迟，支持过有9.5 million用户的Facebook Causes应用。后来开源，现在有PostRank大规模部署和使用，每天处理百万级任务。Beanstalkd是典型的类Memcached设计，协议和使用方式都是同样的风格，所以使用过memcached的用户会觉得Beanstalkd似曾相识。

核心概念

Beanstalkd设计里面的核心概念：

一个需要异步处理的任务，是Beanstalkd中的基本单元，需要放在一个tube中。

tube

一个有名的任务队列，用来存储统一类型的job，是producer和consumer操作的对象。

producer

Job的生产者，通过put命令来将一个job放到一个tube中。

consumer

Job的消费者，通过reserve/release/bury/delete命令来获取job或改变job的状态。

Beanstalkd中一个job的生命周期如图2所示。一个job有READY, RESERVED, DELAYED, BURIED四种状态。当producer直接put一个job时，job就处于READY状态，等待consumer来处理，如果选择延迟put，job就先到DELAYED状态，等待时间过后才迁移到READY状态。consumer获取了当前READY的job后，该job的状态就迁移到RESERVED，这样其他的consumer就不能再操作该job。当consumer完成该job后，可以选择delete, release或者bury操作；delete之后，job从系统消亡，之后不能再获取；release操作可以重新把该job状态迁移回READY（也可以延迟该状态迁移操作），使其他的consumer可以继续获取和执行该job；有意思的是bury操作，可以把该job休眠，等到需要的时候，再将休眠的job kick回READY状态，也可以delete BURIED状态的job。正是有这些有趣的操作和状态，才可以基于此做出很多意思的应用，比如要实现一个循环队列，就可以将RESERVED状态的job休眠掉，等没有READY状态的job时再将BURIED状态的job一次性kick回READY状态。

图2 Beanstalkd中job的生命周期

特性

Beanstalkd基于的源码安装和使用很简单，在此略过。这里重点介绍一下其几个很nice的特性。

优先级

支持0到2**32的优先级，值越小，优先级越高，默认优先级为1024。

持久化

可以通过binlog将job及其状态记录到文件里面，在Beanstalkd下次启动时可以通过读取binlog来恢复之前的job及状态。

分布式容错

分布式设计和Memcached类似，beanstalkd各个server之间并不知道彼此的存在，都是通过client来实现分布式以及根据tube名称去特定server获取job。

超时控制

为了防止某个consumer长时间占用任务但不能处理的情况，Beanstalkd为reserve操作设置了timeout时间，如果该consumer不能在指定时间内完成job，job将被迁移回READY状态，供其他consumer执行。

不足

在使用中发现一个Beanstalkd尚无提供删除一个tube的操作，只能将tube的job依次删除，并让Beanstalkd来自动删除空tube。还有就是Beanstalkd不支持客户端认证机制（开发者将应用场景定位在局域网）。

后续工作

介绍Beanstalkd的命令和使用
翻译Beanstalkd协议
分析Beanstalkd源码

参考文献

http://kr.github.com/beanstalkd/

http://adam./past/2010/4/24/beanstalk_a_simple_and_fast_queueing_backend/

http:///articles/about-this-blog-beanstalk-messaging-queue

http://www./2010/05/20/scalable-work-queues-with-beanstalk/

附一篇

Beanstalkd 是最近出现的一个轻量级消息中间件，他的最大特点是将自己定位为基于管道 (tube) 和任务 (job) 的工作队列 (work-queue)：

Beanstalk

“(Beanstalkd) is a simple, fast workqueue service. Its interface is generic, but was originally designed for reducing the latency of page views in high-volume web applications by running time-consuming tasks asynchronously.”

Beanstalkd 支持任务优先级 (priority), 延时 (delay), 超时重发 (time-to-run) 和预留 (buried), 能够很好的支持分布式的后台任务和定时任务处理。

它的内部实现采用 libevent, 服务器-客户端之间用类似 memcached 的轻量级通讯协议，因此有很高的性能:

Beanstalkd

尽管是内存队列, beanstalkd 提供了 binlog 机制, 当重启 beanstalkd 时，当前任务状态能够从纪录的本地 binlog 中恢复。

管道 (tube):

管道类似于消息主题 (topic), 在一个 Beanstalkd 中可以支持多个管道, 每个管道都有自己的发布者 (producer) 和消费者 (consumer). 管道之间互相不影响。

任务 (job):

Beanstalkd 用任务 (job) 代替消息 (message) 的概念。与消息不同，任务有一系列状态：

Beanstalkd

READY- 需要立即处理的任务，当延时 (DELAYED) 任务到期后会自动成为当前任务；

DELAYED- 延迟执行的任务, 当消费者处理任务后, 可以用将消息再次放回 DELAYED 队列延迟执行；

RESERVED- 已经被消费者获取, 正在执行的任务。Beanstalkd 负责检查任务是否在 TTR(time-to-run) 内完成；

BURIED- 保留的任务: 任务不会被执行，也不会消失，除非有人把它 "踢" 回队列；

DELETED- 消息被彻底删除。Beanstalkd 不再维持这些消息。

任务优先级 (priority):

任务 (job) 可以有 0~2^32 个优先级, 0 代表最高优先级。 beanstalkd 采用最大最小堆 (Min-max heap) 处理任务优先级排序, 任何时刻调用 reserve 命令的消费者总是能拿到当前优先级最高的任务, 时间复杂度为 O(logn).

延时任务 (delay):

有两种方式可以延时执行任务 (job): 生产者发布任务时指定延时；或者当任务处理完毕后, 消费者再次将任务放入队列延时执行 (RELEASE with <delay>)。这种机制可以实现分布式的 java.util.Timer，这种分布式定时任务的优势是：如果某个消费者节点故障，任务超时重发 (time-to-run) 能够保证任务转移到另外的节点执行。

任务超时重发 (time-to-run):

Beanstalkd 把任务返回给消费者以后：消费者必须在预设的 TTR (time-to-run) 时间内发送 delete / release/ bury 改变任务状态；否则 Beanstalkd 会认为消息处理失败，然后把任务交给另外的消费者节点执行。如果消费者预计在 TTR (time-to-run) 时间内无法完成任务, 也可以发送 touch 命令, 它的作用是让 Beanstalkd 从系统时间重新计算 TTR (time-to-run).

任务预留 (buried):

如果任务因为某些原因无法执行, 消费者可以把任务置为 buried 状态让 Beanstalkd 保留这些任务。管理员可以通过 peek buried 命令查询被保留的任务，并且进行人工干预。简单的, kick <n> 能够一次性把 n 条被保留的任务踢回队列。

Beanstalkd 协议:

Beanstalkd 采用类 memcached 协议, 客户端通过文本命令与服务器交互。这些命令可以简单的分成三组:

生产类 - use <tube> / put <priority> <delay> <ttr> [bytes]:

生产者用 use 选择一个管道 (tube), 然后用 put 命令向管道发布任务 (job).

消费类 - watch <tubes> / reserve / delete <id> / release <id> <priority> <delay> / bury <id> / touch <id>

消费者用 watch 选择多个管道 (tube), 然后用 reserve 命令获取待执行的任务，这个命令是阻塞的。客户端直到有任务可执行才返回。当任务处理完毕后, 消费者可以彻底删除任务 (DELETE), 释放任务让别人处理 (RELEASE), 或者保留 (BURY) 任务。

维护类 - peek job / peek delayed / peek ready / peek buried / kick <n>

用于维护管道内的任务状态, 在不改变任务状态的条件下获取任务。可以用消费类命令改变这些任务的状态。

被保留 (buried) 的任务可以用 kick 命令 "踢" 回队列。

协议文档: https://raw.github.com/kr/beanstalkd/master/doc/protocol.txt