源码分析 RocketMQ DLedger(多副本) 之日志追加流程

xbkong

发布于 2023-6-7 15:52

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上一篇我们详细分析了源码分析RocketMQ多副本之Leader选主，本文将详细分析日志复制的实现。

有了前篇源码分析 RocketMQ DLedger 多副本存储实现，本文将直接从 Leader 处理客户端请求入口开始，其入口为：DLedgerServer 的 handleAppend 方法开始讲起。

1、日志复制基本流程

在正式分析 RocketMQ DLedger 多副本复制之前，我们首先来了解客户端发送日志的请求协议字段，其类图如下所示：

源码分析 RocketMQ DLedger(多副本) 之日志追加流程-鸿蒙开发者社区

我们先一一介绍各个字段的含义：

String group
该集群所属组名。
String remoteId
请求目的节点ID。
String localId
节点ID。
int code
请求响应字段，表示返回响应码。
String leaderId = null
集群中的Leader Id。
long term
集群当前的选举轮次。
byte[] body
待发送的数据。

日志的请求处理处理入口为 DLedgerServer 的 handleAppend 方法。

DLedgerServer#handleAppend

1PreConditions.check(memberState.getSelfId().equals(request.getRemoteId()), DLedgerResponseCode.UNKNOWN_MEMBER, "%s != %s", request.getRemoteId(), memberState.getSelfId());
2reConditions.check(memberState.getGroup().equals(request.getGroup()), DLedgerResponseCode.UNKNOWN_GROUP, "%s != %s", request.getGroup(), memberState.getGroup());
3PreConditions.check(memberState.isLeader(), DLedgerResponseCode.NOT_LEADER);

Step1：首先验证请求的合理性：

如果请求的节点ID不是当前处理节点，则抛出异常。
如果请求的集群不是当前节点所在的集群，则抛出异常。
如果当前节点不是主节点，则抛出异常。

DLedgerServer#handleAppend

 1long currTerm = memberState.currTerm();
 2if (dLedgerEntryPusher.isPendingFull(currTerm)) {  // @1
 3    AppendEntryResponse appendEntryResponse = new AppendEntryResponse();
 4    appendEntryResponse.setGroup(memberState.getGroup());
 5    appendEntryResponse.setCode(DLedgerResponseCode.LEADER_PENDING_FULL.getCode());
 6    appendEntryResponse.setTerm(currTerm);
 7    appendEntryResponse.setLeaderId(memberState.getSelfId());
 8    return AppendFuture.newCompletedFuture(-1, appendEntryResponse);
 9} else {   // @2
10    DLedgerEntry dLedgerEntry = new DLedgerEntry();
11    dLedgerEntry.setBody(request.getBody());
12    DLedgerEntry resEntry = dLedgerStore.appendAsLeader(dLedgerEntry);
13    return dLedgerEntryPusher.waitAck(resEntry);
14}

Step2：如果预处理队列已经满了，则拒绝客户端请求，返回 LEADER_PENDING_FULL 错误码；如果未满，将请求封装成 DledgerEntry，则调用 dLedgerStore 方法追加日志，并且通过使用 dLedgerEntryPusher 的 waitAck 方法同步等待副本节点的复制响应，并最终将结果返回给调用方法。

代码@1：如果 dLedgerEntryPusher 的 push 队列已满，则返回追加一次，其错误码为 LEADER_PENDING_FULL。
代码@2：追加消息到 Leader 服务器，并向从节点广播，在指定时间内如果未收到从节点的确认，则认为追加失败。

接下来就按照上述三个要点进行展开：

判断 Push 队列是否已满
Leader 节点存储消息
主节点等待从节点复制 ACK

1.1 如何判断 Push 队列是否已满

DLedgerEntryPusher#isPendingFull

1public boolean isPendingFull(long currTerm) {
2    checkTermForPendingMap(currTerm, "isPendingFull");     // @1
3    return pendingAppendResponsesByTerm.get(currTerm).size() > dLedgerConfig.getMaxPendingRequestsNum(); // @2
4}

主要分两个步骤：
代码@1：检查当前投票轮次是否在 PendingMap 中，如果不在，则初始化，其结构为：Map< Long/* 投票轮次*/, ConcurrentMap>>。

代码@2：检测当前等待从节点返回结果的个数是否超过其最大请求数量，可通过maxPendingRequests
Num 配置，该值默认为：10000。

上述逻辑比较简单，但疑问随着而来，ConcurrentMap> 中的数据是从何而来的呢？我们不妨接着往下看。

1.2 Leader 节点存储数据

Leader 节点的数据存储主要由 DLedgerStore 的 appendAsLeader 方法实现。DLedger 分别实现了基于内存、基于文件的存储实现，本文重点关注基于文件的存储实现，其实现类为：DLedgerMmapFileStore。

下面重点来分析一下数据存储流程，其入口为DLedgerMmapFileStore 的 appendAsLeader 方法。

DLedgerMmapFileStore#appendAsLeader

1PreConditions.check(memberState.isLeader(), DLedgerResponseCode.NOT_LEADER);
2PreConditions.check(!isDiskFull, DLedgerResponseCode.DISK_FULL);

Step1：首先判断是否可以追加数据，其判断依据主要是如下两点：

当前节点的状态是否是 Leader，如果不是，则抛出异常。
当前磁盘是否已满，其判断依据是 DLedger 的根目录或数据文件目录的使用率超过了允许使用的最大值，默认值为85%。

1ByteBuffer dataBuffer = localEntryBuffer.get();
2ByteBuffer indexBuffer = localIndexBuffer.get();

Step2：从本地线程变量获取一个数据与索引 buffer。其中用于存储数据的 ByteBuffer，其容量固定为 4M ，索引的 ByteBuffer 为两个索引条目的长度，固定为64个字节。

 1DLedgerEntryCoder.encode(entry, dataBuffer);
 2public static void encode(DLedgerEntry entry, ByteBuffer byteBuffer) {
 3    byteBuffer.clear();
 4    int size = entry.computSizeInBytes();
 5    //always put magic on the first position
 6    byteBuffer.putInt(entry.getMagic());
 7    byteBuffer.putInt(size);
 8    byteBuffer.putLong(entry.getIndex());
 9    byteBuffer.putLong(entry.getTerm());
10    byteBuffer.putLong(entry.getPos());
11    byteBuffer.putInt(entry.getChannel());
12    byteBuffer.putInt(entry.getChainCrc());
13    byteBuffer.putInt(entry.getBodyCrc());
14    byteBuffer.putInt(entry.getBody().length);
15    byteBuffer.put(entry.getBody());
16    byteBuffer.flip();
17}

Step3：将 DLedgerEntry，即将数据写入到 ByteBuffer中，从这里看出，每一次写入会调用 ByteBuffer 的 clear 方法，将数据清空，从这里可以看出，每一次数据追加，只能存储4M的数据。

DLedgerMmapFileStore#appendAsLeader

1synchronized (memberState) {
2    PreConditions.check(memberState.isLeader(), DLedgerResponseCode.NOT_LEADER, null);
3    // ... 省略代码
4}

Step4：锁定状态机，并再一次检测节点的状态是否是 Leader 节点。

DLedgerMmapFileStore#appendAsLeader

1long nextIndex = ledgerEndIndex + 1;
2entry.setIndex(nextIndex);
3entry.setTerm(memberState.currTerm());
4entry.setMagic(CURRENT_MAGIC);
5DLedgerEntryCoder.setIndexTerm(dataBuffer, nextIndex, memberState.currTerm(), CURRENT_MAGIC);

Step5：为当前日志条目设置序号，即 entryIndex 与 entryTerm (投票轮次)。并将魔数、entryIndex、entryTerm 等写入到 bytebuffer 中。

DLedgerMmapFileStore#appendAsLeader

1long prePos = dataFileList.preAppend(dataBuffer.remaining());
2entry.setPos(prePos);
3PreConditions.check(prePos != -1, DLedgerResponseCode.DISK_ERROR, null);
4DLedgerEntryCoder.setPos(dataBuffer, prePos);

Step6：计算新的消息的起始偏移量，关于 dataFileList 的 preAppend 后续详细介绍其实现，然后将该偏移量写入日志的 bytebuffer 中。

DLedgerMmapFileStore#appendAsLeader

1for (AppendHook writeHook : appendHooks) {
2    writeHook.doHook(entry, dataBuffer.slice(), DLedgerEntry.BODY_OFFSET);
3}

Step7：执行钩子函数。

DLedgerMmapFileStore#appendAsLeader

1long dataPos = dataFileList.append(dataBuffer.array(), 0, dataBuffer.remaining());
2PreConditions.check(dataPos != -1, DLedgerResponseCode.DISK_ERROR, null);
3PreConditions.check(dataPos == prePos, DLedgerResponseCode.DISK_ERROR, null);

Step8：将数据追加到 pagecache 中。该方法稍后详细介绍。

DLedgerMmapFileStore#appendAsLeader

1DLedgerEntryCoder.encodeIndex(dataPos, entrySize, CURRENT_MAGIC, nextIndex, memberState.currTerm(), indexBuffer);
2long indexPos = indexFileList.append(indexBuffer.array(), 0, indexBuffer.remaining(), false);
3PreConditions.check(indexPos == entry.getIndex() * INDEX_UNIT_SIZE, DLedgerResponseCode.DISK_ERROR, null);

Step9：构建条目索引并将索引数据追加到 pagecache。

DLedgerMmapFileStore#appendAsLeader

1ledgerEndIndex++;
2ledgerEndTerm = memberState.currTerm();
3if (ledgerBeginIndex == -1) {
4    ledgerBeginIndex = ledgerEndIndex;
5}
6updateLedgerEndIndexAndTerm();

Step10：ledgerEndeIndex 加一（下一个条目）的序号。并设置 leader 节点的状态机的 ledgerEndIndex 与 ledgerEndTerm。

Leader 节点数据追加就介绍到这里，稍后会重点介绍与存储相关方法的实现细节。

1.3 主节点等待从节点复制 ACK

其实现入口为 dLedgerEntryPusher 的 waitAck 方法。

DLedgerEntryPusher#waitAck

 1public CompletableFuture<AppendEntryResponse> waitAck(DLedgerEntry entry) {
 2    updatePeerWaterMark(entry.getTerm(), memberState.getSelfId(), entry.getIndex());    // @1
 3    if (memberState.getPeerMap().size() == 1) {                                                                  // @2
 4        AppendEntryResponse response = new AppendEntryResponse();
 5        response.setGroup(memberState.getGroup());
 6        response.setLeaderId(memberState.getSelfId());
 7        response.setIndex(entry.getIndex());
 8        response.setTerm(entry.getTerm());
 9        response.setPos(entry.getPos());
10        return AppendFuture.newCompletedFuture(entry.getPos(), response);
11    } else {
12        checkTermForPendingMap(entry.getTerm(), "waitAck");                                            
13        AppendFuture<AppendEntryResponse> future = new AppendFuture<>(dLedgerConfig.getMaxWaitAckTimeMs()); // @3
14        future.setPos(entry.getPos());
15        CompletableFuture<AppendEntryResponse> old = pendingAppendResponsesByTerm.get(entry.getTerm()).put(entry.getIndex(), future);     // @4
16        if (old != null) {
17            logger.warn("[MONITOR] get old wait at index={}", entry.getIndex());
18        }
19        wakeUpDispatchers();                                       // @5
20        return future;
21    }
22}

代码@1：更新当前节点的 push 水位线。

代码@2：如果集群的节点个数为1，无需转发，直接返回成功结果。

代码@3：构建 append 响应 Future 并设置超时时间，默认值为：2500 ms，可以通过 maxWaitAckTimeMs 配置改变其默认值。

代码@4：将构建的 Future 放入等待结果集合中。

代码@5：唤醒 Entry 转发线程，即将主节点中的数据 push 到各个从节点。

接下来分别对上述几个关键点进行解读。

1.3.1 updatePeerWaterMark 方法

DLedgerEntryPusher#updatePeerWaterMark

1private void updatePeerWaterMark(long term, String peerId, long index) {    // 代码@1
2    synchronized (peerWaterMarksByTerm) { 
3       checkTermForWaterMark(term, "updatePeerWaterMark");                     // 代码@2
4        if (peerWaterMarksByTerm.get(term).get(peerId) < index) {                   // 代码@3
5            peerWaterMarksByTerm.get(term).put(peerId, index);
6        }
7    }
8}

代码@1：先来简单介绍该方法的两个参数：

long term
当前的投票轮次。
String peerId
当前节点的ID。
long index
当前追加数据的序号。

代码@2：初始化 peerWaterMarksByTerm 数据结构，其结果为 < Long \/** term */, Map< String \/** peerId */, Long \/** entry index*/>。

代码@3：如果 peerWaterMarksByTerm 存储的 index 小于当前数据的 index，则更新。

1.3.2 wakeUpDispatchers 详解

DLedgerEntryPusher#updatePeerWaterMark

1public void wakeUpDispatchers() {
2    for (EntryDispatcher dispatcher : dispatcherMap.values()) {
3        dispatcher.wakeup();
4    }
5}

该方法主要就是遍历转发器并唤醒。本方法的核心关键就是 EntryDispatcher，在详细介绍它之前我们先来看一下该集合的初始化。

DLedgerEntryPusher 构造方法

1for (String peer : memberState.getPeerMap().keySet()) {
2    if (!peer.equals(memberState.getSelfId())) {
3        dispatcherMap.put(peer, new EntryDispatcher(peer, logger));
4    }
5}

原来在构建 DLedgerEntryPusher 时会为每一个从节点创建一个 EntryDispatcher 对象。

显然，日志的复制由 DLedgerEntryPusher 来实现。由于篇幅的原因，该部分内容将在下篇文章中继续。

上面在讲解 Leader 追加日志时并没有详细分析存储相关的实现，为了知识体系的完备，接下来我们来分析一下其核心实现。

2、日志存储实现详情

主要对 MmapFileList 的 preAppend 与 append 方法进行详细讲解。

存储部分的设计请查阅笔者的博客：源码分析RocketMQ DLedger 多副本存储实现，MmapFileList 对标 RocketMQ 的MappedFileQueue。

2.1 MmapFileList 的 preAppend 详解

该方法最终会调用两个参数的preAppend方法，故我们直接来看两个参数的 preAppend 方法。

MmapFileList#preAppend

 1public long preAppend(int len, boolean useBlank) {                // @1
 2    MmapFile mappedFile = getLastMappedFile();                   // @2 start
 3    if (null == mappedFile || mappedFile.isFull()) {
 4        mappedFile = getLastMappedFile(0);
 5    }
 6    if (null == mappedFile) {
 7        logger.error("Create mapped file for {}", storePath);
 8        return -1;
 9    }                                                                                            // @2 end
10    int blank = useBlank ? MIN_BLANK_LEN : 0;
11    if (len + blank > mappedFile.getFileSize() - mappedFile.getWrotePosition()) {   // @3
12        if (blank < MIN_BLANK_LEN) {
13            logger.error("Blank {} should ge {}", blank, MIN_BLANK_LEN);
14            return -1;
15        } else {
16            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(mappedFile.getFileSize() - mappedFile.getWrotePosition());     // @4
17            byteBuffer.putInt(BLANK_MAGIC_CODE);                                                                                                      // @5
18            byteBuffer.putInt(mappedFile.getFileSize() - mappedFile.getWrotePosition());                                               // @6
19            if (mappedFile.appendMessage(byteBuffer.array())) {                                                                                     // @7
20                //need to set the wrote position
21                mappedFile.setWrotePosition(mappedFile.getFileSize());
22            } else {
23                logger.error("Append blank error for {}", storePath);
24                return -1;
25            }
26            mappedFile = getLastMappedFile(0);
27            if (null == mappedFile) {
28                logger.error("Create mapped file for {}", storePath);
29                return -1;
30            }
31        }
32    }
33    return mappedFile.getFileFromOffset() + mappedFile.getWrotePosition();// @8
34}

代码@1：首先介绍其参数的含义：

int len 需要申请的长度。
boolean useBlank 是否需要填充，默认为true。

代码@2：获取最后一个文件，即获取当前正在写的文件。

代码@3：如果需要申请的资源超过了当前文件可写字节时，需要处理的逻辑。代码@4-@7都是其处理逻辑。

代码@4：申请一个当前文件剩余字节的大小的bytebuffer。

代码@5：先写入魔数。

代码@6：写入字节长度，等于当前文件剩余的总大小。

代码@7：写入空字节，代码@4-@7的用意就是写一条空Entry，填入魔数与 size，方便解析。

代码@8：如果当前文件足以容纳待写入的日志，则直接返回其物理偏移量。

经过上述代码解读，我们很容易得出该方法的作用，就是返回待写入日志的起始物理偏移量。

2.2 MmapFileList 的 append 详解

最终会调用4个参数的 append 方法，其代码如下：
MmapFileList#append

 1public long append(byte[] data, int pos, int len, boolean useBlank) {  // @1
 2    if (preAppend(len, useBlank) == -1) {
 3        return -1;
 4    }
 5    MmapFile mappedFile = getLastMappedFile();                               // @2
 6    long currPosition = mappedFile.getFileFromOffset() + mappedFile.getWrotePosition();   // @3
 7    if (!mappedFile.appendMessage(data, pos, len)) {            // @4
 8        logger.error("Append error for {}", storePath);
 9        return -1;
10    }
11    return currPosition;
12}

代码@1：首先介绍一下各个参数：

byte[] data
待写入的数据，即待追加的日志。
int pos
从 data 字节数组哪个位置开始读取。
int len
待写入的字节数量。
boolean useBlank
是否使用填充，默认为 true。

代码@2：获取最后一个文件，即当前可写的文件。

代码@3：获取当前写入指针。

代码@4：追加消息。

最后我们再来看一下 appendMessage，具体的消息追加实现逻辑。

DefaultMmapFile#appendMessage

 1public boolean appendMessage(final byte[] data, final int offset, final int length) {
 2    int currentPos = this.wrotePosition.get();
 3
 4    if ((currentPos + length) <= this.fileSize) {
 5        ByteBuffer byteBuffer = this.mappedByteBuffer.slice(); // @1
 6        byteBuffer.position(currentPos);
 7        byteBuffer.put(data, offset, length);
 8        this.wrotePosition.addAndGet(length);
 9        return true;
10    }
11    return false;
12}

该方法主要突出一下写入的方式是 mappedByteBuffer，是通过 FileChannel 的 map方法创建，即我们常说的 PageCache，即消息追加首先是写入到 pageCache 中。

本文详细介绍了 Leader 节点处理客户端消息追加请求的前面两个步骤，即判断 Push 队列是否已满与 Leader 节点存储消息。考虑到篇幅的问题，各个节点的数据同步将在下一篇文章中详细介绍。

在进入下一篇的文章学习之前，我们不妨思考一下如下问题：