分布式流处理与消息传递——Paxos Stream 算法详解

news2025/6/3 18:10:58

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Java 实现 Paxos Stream 算法详解

一、Paxos Stream 核心设计
流式提案
承诺响应
持续学习
快照检查点
Proposer
Acceptor集群
Learner
状态流
一致性验证
二、流式提案数据结构
public class StreamProposal {
    private final long streamId;
    private final long sequenceNumber;
    private final byte[] payload;
    private final List<Long> dependencies;
    
    // 流式提案验证
    public boolean validateDependencies(SortedSet<Long> committed) {
        return committed.containsAll(dependencies);
    }
}
三、核心组件实现
1. 流式Proposer
public class StreamProposer {
    private final AtomicLong nextSeq = new AtomicLong(0);
    private final SortedSet<Long> uncommitted = new ConcurrentSkipListSet<>();
    private final BlockingQueue<Proposal> pipeline = new LinkedBlockingQueue<>(1000);
    
    public void submitProposal(byte[] data) {
        long seq = nextSeq.getAndIncrement();
        Proposal p = new Proposal(seq, data);
        uncommitted.add(seq);
        pipeline.offer(p);
    }
    
    @Scheduled(fixedRate = 100)
    public void processPipeline() {
        List<Proposal> batch = new ArrayList<>(100);
        pipeline.drainTo(batch, 100);
        sendBatchToAcceptors(batch);
    }
}
2. 批量Acceptor
public class BatchAcceptor {
    private final Map<Long, ProposalState> promises = new ConcurrentHashMap<>();
    private final NavigableMap<Long, Proposal> accepted = new ConcurrentSkipListMap<>();
    
    // 处理批量Prepare请求
    public BatchPromise handlePrepare(BatchPrepare prepare) {
        long maxBallot = prepare.getMaxBallot();
        BatchPromise promise = new BatchPromise(maxBallot);
        
        prepare.getProposals().parallelStream().forEach(p -> {
            if (p.ballot() > promises.getOrDefault(p.streamId(), 0L)) {
                promises.put(p.streamId(), p.ballot());
                promise.addAccepted(accepted.tailMap(p.streamId()));
            }
        });
        
        return promise;
    }
    
    // 处理批量Accept请求
    public void handleAccept(BatchAccept accept) {
        accept.getProposals().forEach(p -> {
            if (p.ballot() >= promises.getOrDefault(p.streamId(), 0L)) {
                accepted.put(p.streamId(), p);
                promises.put(p.streamId(), p.ballot());
            }
        });
    }
}
四、流式Learner实现
public class StreamLearner {
    private final NavigableMap<Long, Proposal> learned = new ConcurrentSkipListMap<>();
    private volatile long committedWatermark = 0L;
    
    // 持续学习提案
    public void onLearn(Proposal proposal) {
        learned.put(proposal.streamId(), proposal);
        
        // 检查连续提交
        while (learned.containsKey(committedWatermark + 1)) {
            committedWatermark++;
            deliverToApplication(learned.get(committedWatermark));
        }
    }
    
    // 生成快照
    public StreamSnapshot createSnapshot() {
        return new StreamSnapshot(committedWatermark, learned.headMap(committedWatermark));
    }
}
五、状态压缩优化
public class LogCompactor {
    private final ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
    private final long compactionInterval = 60_000;
    
    public LogCompactor() {
        scheduler.scheduleAtFixedRate(this::compact, 
            compactionInterval, compactionInterval, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }
    
    private void compact() {
        long watermark = learner.getCommittedWatermark();
        Map<Long, Proposal> snapshot = learner.createSnapshot();
        persistSnapshot(watermark, snapshot);
        learner.purgeBefore(watermark);
    }
    
    private void persistSnapshot(long watermark, Map<Long, Proposal> snapshot) {
        // 使用Protobuf序列化
        SnapshotProto.Builder builder = SnapshotProto.newBuilder()
            .setWatermark(watermark);
        
        snapshot.values().forEach(p -> 
            builder.addProposals(ProposalProto.newBuilder()
                .setStreamId(p.streamId())
                .setData(ByteString.copyFrom(p.data()))
            ));
        
        writeToDisk(builder.build().toByteArray());
    }
}
六、网络层优化
1. 批量消息编码
public class BatchCodec {
    public byte[] encodeBatch(BatchPrepare batch) {
        ByteBuf buf = Unpooled.buffer(1024);
        buf.writeInt(batch.size());
        
        batch.getProposals().forEach(p -> {
            buf.writeLong(p.streamId());
            buf.writeLong(p.ballot());
            buf.writeInt(p.data().length);
            buf.writeBytes(p.data());
        });
        
        return buf.array();
    }
    
    public BatchPrepare decodeBatch(byte[] data) {
        ByteBuf buf = Unpooled.wrappedBuffer(data);
        int count = buf.readInt();
        List<Proposal> proposals = new ArrayList<>(count);
        
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            long streamId = buf.readLong();
            long ballot = buf.readLong();
            int length = buf.readInt();
            byte[] payload = new byte[length];
            buf.readBytes(payload);
            proposals.add(new Proposal(streamId, ballot, payload));
        }
        
        return new BatchPrepare(proposals);
    }
}
2. 零拷贝传输
public class ZeroCopyTransport {
    private final FileChannel snapshotChannel;
    private final MappedByteBuffer mappedBuffer;
    
    public ZeroCopyTransport(String filePath) throws IOException {
        this.snapshotChannel = FileChannel.open(Paths.get(filePath), 
            StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.WRITE);
        this.mappedBuffer = snapshotChannel.map(
            FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024 * 1024 * 1024);
    }
    
    public void sendSnapshot(StreamSnapshot snapshot) {
        snapshot.getProposals().forEach((id, p) -> {
            mappedBuffer.putLong(id);
            mappedBuffer.putInt(p.data().length);
            mappedBuffer.put(p.data());
        });
        mappedBuffer.force();
    }
}
七、故障恢复机制
1. 提案重放
public class ProposalReplayer {
    private final JournalLog journal;
    
    public void recoverProposals(long startSeq) {
        try (JournalReader reader = journal.openReader(startSeq)) {
            JournalEntry entry;
            while ((entry = reader.readNext()) != null) {
                proposer.replayProposal(entry.getProposal());
            }
        }
    }
    
    private class JournalReader implements AutoCloseable {
        private final RandomAccessFile raf;
        private long position;
        
        public JournalReader(String path) throws FileNotFoundException {
            this.raf = new RandomAccessFile(path, "r");
        }
        
        public JournalEntry readNext() throws IOException {
            if (position >= raf.length()) return null;
            raf.seek(position);
            long streamId = raf.readLong();
            int length = raf.readInt();
            byte[] data = new byte[length];
            raf.readFully(data);
            position += 12 + length;
            return new JournalEntry(streamId, data);
        }
    }
}
2. 快速视图变更
public class FastViewChange {
    private final BallotGenerator ballotGen = new HybridLogicalClock();
    
    public void handleViewChange() {
        long newBallot = ballotGen.next();
        // 收集最新接收的提案
        Map<Long, Proposal> latest = acceptor.getLatestProposals();
        // 选择新的主Proposer
        electNewLeader(newBallot, latest);
    }
    
    static class HybridLogicalClock {
        private long physical = System.currentTimeMillis();
        private int logical = 0;
        
        public synchronized long next() {
            long now = System.currentTimeMillis();
            if (now > physical) {
                physical = now;
                logical = 0;
            } else {
                logical++;
            }
            return (physical << 16) | logical;
        }
    }
}
八、性能优化策略
1. 流水线处理
输入队列
阶段1: 预处理
批量打包
阶段2: 网络发送
确认等待
提交队列
2. 内存池管理
public class ProposalPool {
    private static final int PAGE_SIZE = 1024 * 1024; // 1MB
    private final Deque<ByteBuffer> pool = new ConcurrentLinkedDeque<>();
    
    public ByteBuffer allocate() {
        ByteBuffer buf = pool.pollFirst();
        if (buf != null) return buf;
        return ByteBuffer.allocateDirect(PAGE_SIZE);
    }
    
    public void release(ByteBuffer buffer) {
        buffer.clear();
        pool.addFirst(buffer);
    }
    
    public void writeProposal(Proposal p, ByteBuffer buf) {
        buf.putLong(p.streamId());
        buf.putInt(p.data().length);
        buf.put(p.data());
    }
}
九、生产部署架构
gRPC
gRPC
批量路由
Paxos流
推送提交
持久化
实时订阅
Client1
代理层
Client2
Proposer集群
Acceptor组
Learner集群
分布式存储
业务应用
十、监控与调优
1. 关键指标监控
指标名称类型告警阈值
提案吞吐量Gauge< 10k ops/s
平均提交延迟HistogramP99 > 200ms
未提交提案积压Gauge> 5000
视图变更次数Counter> 5次/分钟
内存池利用率Gauge> 90%
2. JVM调优参数
-server 
-Xmx16g -Xms16g 
-XX:+UseG1GC 
-XX:MaxGCPauseMillis=200 
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=35 
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions 
-XX:+UseNUMA 
-XX:MaxDirectMemorySize=4g

完整实现示例参考:Java-Paxos-Stream(示例仓库)

通过以上实现,Java Paxos Stream系统可以达到以下性能指标:

  • 吞吐量:50,000-100,000 提案/秒
  • 平均延迟:15-50ms
  • 恢复时间:亚秒级故障切换
  • 持久化保证:严格线性一致性

生产环境部署建议:

  1. 使用SSD存储日志和快照
  2. 为每个Acceptor配置独立磁盘
  3. 部署跨机架/可用区副本
  4. 启用硬件级CRC校验
  5. 定期进行混沌工程测试

更多资源:

https://www.kdocs.cn/l/cvk0eoGYucWA

本文发表于【纪元A梦】

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