欧阳亮的博客

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基于Kafka实现事件驱动架构

事件驱动是一种灵活的系统设计方法,在事件驱动的系统中,当数据发生变化时系统会产生、发布一个对应的事件,其它对这个事件感兴趣的部分会接收到通知,并进行相应的处理。事件驱动设计最大的好处在我看来有两点:一是它为系统提供了很好的扩展能力,比如我们可以对某类事件增加一个订阅者来对系统进行扩展,最主要的是我们并不需要修改任何已有的代码,它完全符合开闭原则;二是它实现了模块间的低偶合,系统间各个部分不是强依赖关系,而是通过事件把整个系统串联起来。

当然,任何事务都有两面性,事件驱动也有其不好的方面。首先,实现一套这样的系统复杂度就很高,对开发人员的要求也很高;再次,对系统的整体把控会很困难,想象一下面对几百个类别的事件,并且没有一个统一的地方可以让我们看到整个业务处理流程,会是什么心情?所以当我们决定采用事件驱动实现系统中,一定要维护好相关的文档,并保持它们的有效性。

我们再来看看事件驱动架构的一些其它的优点:

  • 更好的响应性

    事件驱动中,事件的响应是异步处理的,所以它具有更好的响应性。

  • 更好的容错性

    业务主流程在发布事件之后便结束了,扩展流程的延后处理可以异步不断的失败重试,直到成功为止,系统整体容错性更强。


设计篇


首先,我们需要定义什么是事件?从业务角度看,事件包括以下属性:

事件的定义
属性字段类型说明
标识IDstring系统内部每个事件都需要一个唯一的标识。
类型eventTypestring数据发生变化产生事件,不同类型的数据变化产生不同类型的事件。比如会员下单、会员注册、用户修改手机号等等。
时间eventTimedatetime即数据发生变化的时间。
上下文contextstring事件发生时的上下文信息。比如会员修改手机号事件,需要原号码和新号码,会员ID等信息。


接下来,我们看看如何设计一套基于事件驱动的系统,你知道设计模式中的观察者模式吗?

观察者模式:定义了一种一对多的依赖关系,让多个观察者对象同时监听某一个主题对象。这个主题对象在状态发生变化时,会通知所有观察者对象,使它们能够自动更新自己。

观察者模式天生就是事件驱动的一个实现,但是直接使用它有很多的弊端。首先,它是基于主题的,有多少类事件就需要多少个主题类,这可能会导致类爆炸;其次,观察者模式是同步实现的,这样我们可能会牺牲掉响应性和容错性等优势。

所以我们需要对观察者模式稍作改进,我们分别从事件发发布和消费两个方面来分析。


事件的发布

本文的标题是《基于Kafka实现事件驱动架构》,很明显,我们使用kafka作为消息中间件来传递事件消息。所以,像修改会员手机号码的代码可能实现如下:

@Transactional(readOnly = false, isolation = Isolation.READ_COMMITTED, rollbackFor = Exception.class)
@Override
public void changePhoneNumber(String newNumber) {
    userDao.updatePhone(this.getUserId(), newNumber); // 本地数据库修改

    // 发布 用户手机号码变更 事件
    Event event = new Event(...); // 创建一个事件对象,表示用户修改手机号码
    ProducerRecord record = new ProducerRecord(...event); // 根据event生成kakfa record

    Future<RecordMetadata> f = kafkaProducer.send(record);
    try {
        f.get();
    } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}


这段代码正确吗?从逻辑上看,它完全正确。但从可靠性角度看它是有问题的。Kafka和数据库是两个异构系统,我们不能仅仅通过一个本地事务保证他们之间的数据一致性。例如,推送Kafka成功了,但是在提交DB事务的时候失败了呢(比如说事务超时滚)?这样kafka中就会存在一个脏数据,因为本地数据库事务已经回滚了。

分布式系统数据一致性一直就是复杂的问题,常用的方案有两阶段提交、三阶段提交、zookeeper的zab协议、proxs、raft等算法,这不是本文的重点。我们采用一个简单易懂的方式来解决上面的问题。我们引入一张DB事件表,在发布事件时将事件信息存入这个事件表,将事件的发布和业务处理包装在同一个本地事务中。

create table if not exists `event_queue` (
  `id`          bigint      not null  auto_increment comment '主键',
  `event_id`    char(32)    not null comment '事件ID',
  `event_type`  char(12)    not null comment '事件类型',
  `event_time`  datetime    not null comment '事件发生时间',
  `context`     mediumtext  not null comment '事件内容',
  primary key (`id`),
  unique key(`event_id`)
) engine=innodb default charset=utf8 comment='事件队列表';


发布事件,就是向这个事件表中增加一条记录,修改会员手机号码的代码现在变成了:

@Transactional(readOnly = false, isolation = Isolation.READ_COMMITTED, rollbackFor = Exception.class)
@Override
public void changePhoneNumber(String newNumber) {
    userDao.updatePhone(this.getUserId(), newNumber); // 本地数据库修改

    // 发布 用户手机号码变更 事件
    Event event = new Event(...); // 创建一个事件对象,表示用户修改手机号码
    eventDao.insert(event); // 向事件表创建一条新记录。
}


由于事件消息现在被暂存进了DB,我们还需要将它取出来推到Kafka,为此我们需要起一个线程,不断的读取事件表中的记录发送给Kafka,并在成功发送之后将记录从DB中删除。如果删除DB的时候失败了,那么消息会被重新推送到kafka,意为着我们实现的是At least once的递交语义,对于业务上不接受重复的场景,在消费端需要做好幂等处理。


讲到这里,关于事件的分布已经接近尾声,但还有一个问题:性能。如果一个系统的负载很高,一秒内产生成千上万个事件,那我们的事件表就会成为瓶颈,因为只用了一个线程来处理事件表向Kafka的推送,集群中只有一个实例能发辉作用,无法实现弹性。为了解决这个问题,我们可以对事件表进行分表,并使用多线程并发处理,而且这些线程可以分布在不同的集群实例中。但这样使设计变得更复杂了,现在我们需要解决一个新的问题:如何保证一个事件表,最多只被一个线程处理?我们需要保证一个事件表同一时刻只能被一个线程处理,同时在实例宕机后,其它实例可以起线程接替它的工作。这句话我们换一种方式来描述更容易理解:

  1. 集群有M个实例,需要进行N个任务(任务是把事件分表中的事件信息推送到kafka)

  2. 一个任务最多可以分配给1个实例,1个实例可以同时执行多个任务。

  3. 如果一个实例宕机了,分配给它的任务需要重新在其它实例上分配。

  4. N个任务固定不变,实例可以动态增加或减少,需要实现实例之间的均衡负载。

如果你熟悉像HBase、ES这类分布式系统的话,不难理解我们需要在集群中选出一个实例作为Master,由它来负责任务在集群中的分配工作。我们借助Kookeeper,所有实例在启动时创建一个EPHEMERAL类型的master节点,创建成功的实例成为Master,其它实例则监听master节点,当Master实例宕机后重新竞选。

每个实例启动后,会在workers节点下创建一个临时节点,表示自己作为一个Worker加入集群;Worker同时会监听自己创建的子节点,接收由Master分配给自己的任务。Master会监听workers下子节点的变化,当实例下线或有新的实例加入集群中时,Master会收到通知并重新进行任务的分配。分配的具体信息保存在Worker实例创建的子节点中,Master通过直接修改这些子节点的内容实现分配。

从事件的发布来看,系统的架构是这样的:


这里有个细节需要说明:因为Kafka只保证partition级别的有序性,我们的事件分表数必须大于或等于partition的数量,否则事件的顺序得不到保证


事件的消费

因为我们使用了Kafka作为事件消息中间件,事件的消费简单很多。每个实例在启动时启一个Kafka Consumer即可,像实例间的负载、可用性、故障转移等等问题,Kafka已经帮我们解决了,我们只需要从Kafka中获取事件消息,并通知相应的订阅者即可。


订阅者需要实现BaseSubscriber接口,另外在启动时,需要把事件与订阅者的关系维护在SubscriberConfig类中:

BaseSubscriber sub = ... // your implementation
SubscriberConfig.instance().addSubscriber("event_type", sub);

系统整体的设计是面向扩展的,我们可以通过调整集群应用实例数、事件表分表数量和kafka partitions数量来提高系统整体的吞吐量。事件表分表越多,事件消息从DB到kafka的延迟就更低;应用实例越多,系统单位时间内能承受的事件上限也越多,另外也能更好的负载kafka消息的消费。


每一个应用,作为事件发布者,其产生的事件最终都被推送到一个Kafka Topic;但作为消费者,可以订阅不同的Topic,这些Topic可以是自己的推送的,也可以是其它应用推送的事件。这样就通过事件把不同的应用都集成起来了,整体架构如下:

实现篇


附上完整源码地址https://github.com/OuYangLiang/libevent,目前只支持了分表,还不支持分库。

这里我们只对部分核心代码作一个简单的介绍:

SimpleLock是一个基于Zookeeper的简单分布式锁实现,可以参考这里,我们使用SimpleLock来实现Master的竞选。

EventSubmitter是一个线程,负责把事件表中的事件信息推送到Kafka broker。初始化时需要传入一个int参数,表示处理哪一个事件分表。它被实现成一个响应中断的线程,因为当Master重新分配任务后,Worker需要先停掉当前进行中的任务。

Master类是Master实例的主要实现。实例在启动时会调Master类的start方法,Master实例监听workers节点,当有新实例加入或实例下线时,Master实例会调用onWorkerChange方法进行重新分配,onWorkerChange方法实现了一个简单的分配算法,只有任务变更的Worker实例会收到分配通知。

Worker类是Worker实例的主要实现,实例在启动时会调Worker类的start方法。集群中的每一个实例都是Worker,会在workers节点下创建一个临时的节点表示自己,同时监听该节点,接受Master分配给自己的任务。当Worker接收到分配通知时,会先停止当前在运行的所有任务,再根据worker节点的内容开始执行新分配的任务。

示例


来看一个具体的事例,假设我们要以天为维度,统计每天的下单量和下单金额。现在,我们已经有了订单表:

create table if not exists `order` (
  `order_id`        bigint      not null  auto_increment comment '主键',
  `user_id`         bigint      not null comment '客户id',
  `order_time`      datetime    not null comment '订单时间',
  `order_amount`    int         not null comment '订单金额,单位:分',
  primary key (`order_id`)
) engine=innodb default charset=utf8 comment='订单表';

这个需求我们可以简单的使用sql来做,比如:

select date(order_time) as day, count(*) as total_num, sum(order_amount) as total_amount from `order`
group by date(order_time)

但是在生产环境中这么做往往不现实,比如性能问题、或者我们对订单表做了分表、或者几个月前的数据库了备份,而你正好需要查询这些数据,等等。实现这个需求更好的方式是采用事件驱动,在下单的时候发布一个事件,然后异步的维护一个查询表,这样之间的种种问题都将不复存在。先创建一个查询表,如下:

create table if not exists `daily_order_report` (
  `id`              bigint      not null  auto_increment comment '主键',
  `day`             date      not null comment '统计日',
  `order_num`       bigint      not null comment '订单数量',
  `order_total`     bigint      not null comment '订单总金额,单位:分',
  primary key (`id`),
  unique key(`day`)
) engine=innodb default charset=utf8 comment='订单日报表';

在下单的时候,我们需要发布一个下单事件

@Transactional(readOnly = false, propagation = Propagation.REQUIRED, isolation = Isolation.READ_COMMITTED, rollbackFor = Exception.class)
@Override
public void createOrder(Order order) {
    orderDao.insert(order);

    //发布下单事件
    publisher.publish("order_created", new Date(), order.json(), order.getUserId().intValue() % Configuration.instance().getNumOfEventTables());
}

之后,我们需要实现一个订阅者,在接收到下单事件后,根据订单的日期做相应的统计:

@Component
public class DailyOrderReportSubscriber implements BaseSubscriber {

    @Autowired
    private OrderRepos repos;

    @Override
    public void onEvent(Event e) {
        Order order = Order.fromJson(e.getContext());
        DailyOrderReport report = repos.selectDailyOrderReportByKey(new java.sql.Date(order.getOrderTime().getTime()));

        if (null == report) {
            report = new DailyOrderReport();
            report.setDay(new java.sql.Date(order.getOrderTime().getTime()));
            report.setOrderNum(1l);
            report.setOrderTotal(new Long(order.getOrderAmount()));

            repos.createDailyOrderReport(report);
        } else {
            report.setOrderNum(report.getOrderNum() + 1);
            report.setOrderTotal(report.getOrderTotal() + order.getOrderAmount());

            repos.updateDailyOrderReport(report);
        }
    }
}

随机创建10个订单后,我们的报表情况如下:

mysql> select * from `order`;
+----------+---------+---------------------+--------------+
| order_id | user_id | order_time          | order_amount |
+----------+---------+---------------------+--------------+
|       21 |       3 | 2018-09-24 01:06:43 |          251 |
|       22 |       2 | 2018-09-24 01:06:43 |          371 |
|       23 |       5 | 2018-09-24 01:06:43 |          171 |
|       24 |       0 | 2018-09-24 01:06:43 |          904 |
|       25 |       3 | 2018-09-24 01:06:43 |           55 |
|       26 |       5 | 2018-09-24 01:06:44 |          315 |
|       27 |       8 | 2018-09-24 01:06:44 |          543 |
|       28 |       8 | 2018-09-24 01:06:44 |          537 |
|       29 |       2 | 2018-09-24 01:06:44 |          123 |
|       30 |       3 | 2018-09-24 01:06:45 |          938 |
+----------+---------+---------------------+--------------+
10 rows in set (0.00 sec)

mysql> select * from daily_order_report;
+----+------------+-----------+-------------+
| id | day        | order_num | order_total |
+----+------------+-----------+-------------+
|  2 | 2018-09-24 |        10 |        4208 |
+----+------------+-----------+-------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql>