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Tair

示例代码见: https://gitee.com/ixinglan/others-cache-demo.git

1. 介绍

Tair(TaobaoPair)是淘宝开发的分布式Key-Value存储引擎

服务器端自动负载均衡

分为持久化和非持久化两种方式存储

  • 非持久化：分布式缓存使用Memcached（mdb）、Redis（rdb）
  • 持久化：SQL-DB使用FireBird（fdb）, NoSQL-DB：使用KyotoCabinet（kdb）、LevelDB（ldb）

Tair采用可插拔存储引擎设计，以上这些存储引擎可以很方便的替换，还可以引入新的存储引擎比如：MySQL

使用场景:

  • 分布式缓存

    大访问少量临时数据的存储, 缓存, session场景, 高速访问某些数据结构的应用和计算(rdb)

  • 数据源存储

    快速读取数据(fdb), 持续大数据量的存入读取(ldb)如交易快照, 高频度的更新读取(ldb)如库存

2. 整体架构分析

一个Tair集群主要包括client、Configserver和Dataserver三个不同的应用。

  • Client在初始化时，从Configserver处获取数据的分布信息，根据分布信息和相应的Dataserver交互完成用户的请求。
  • ConfigServer通过和DataServer的心跳（HeartBeat）维护集群中可用的节点，并根据可用的节点，构建数据的在集群中的分布信息
  • Dataserver负责数据的存储，并按照Configserver的指示完成数据的复制和迁移工作。

2.1 Config Server

ConfigServer是单点，采用一主一备的方式保证可靠性。

管理所有的dataserver,维护dataserver的状态信息, 用户配置的桶数量、副本数、机房信息

数据分布的对照表

协调数据迁移、管理进度，将数据迁移到负载较小的节点上

Client和ConfigServer的交互主要是为了获取数据分布的对照表，当client获取到对照表后，会cache这张表，然后通过查这张表决定数据存储的节点，所以不需要和configserver交互，这使得Tair对外的服务不依赖configserver，所以它不是传统意义上的中心节点

Config server维护的对照表有版本概念，由于集群变动或管理触发，构建新的对照表后，对照表的版本号递增，并通过Dataserver的心跳，将新表同步给数据节点。

客户端和Data server交互时，Dataserver每次都把自己缓存的对照表版本号放入response结构中，返回给客户端，客户端将Dataserver的对照表版本号和自己缓存的对照表版本号比较，如果不相同，会主动和Configserver通信，请求新的对照表。

Tair的Config server使客户端的使用，不需要配置数据节点列表，也不需要处理节点的的状态变化，这使得Tair对最终用户来说使用和配置都很简单。

2.2 Data Server

Dataserver负责数据的物理存储，并根据Configserver构建的对照表完成数据的复制和迁移工作。

Dataserver具备抽象的存储引擎层，可以很方便地添加新存储引擎。Dataserver还有一个插件容器，可以动态地加载/卸载插件。

Tair的存储引擎有一个抽象层，只要满足存储引擎需要的接口，便可以很方便地替换Tair底层的存储引擎。比如你可以很方便地将bdb、tc甚至MySQL作为Tair的存储引擎，而同时使用Tair的分布方式、同步等特性。

Tair默认包含两个存储引擎：mdb和fdb。

  • mdb是一个高效的缓存存储引擎，它有着和memcached类似的内存管理方式。mdb支持使用share memory（tmpfs），这使得我们在重启Tair数据节点的进程时不会导致数据的丢失，从而使升级对应用来说更平滑，不会导致命中率的较大波动。
  • fdb是一个简单高效的持久化存储引擎，使用树的方式根据数据key的hash值索引数据，加快查找速度。索引文件和数据文件分离，尽量保持索引文件在内存中，以便减小IO开销。使用空闲空间池管理被删除的空间。

3. 安装和使用

3.1 环境准备

# git
yum install git 
yum update -y nss curl libcurl

# svn(可以不用)
yum install subversion

# libtoop
yum install libtool

# boost-devel
yum install boost-devel

#zlib
yum install zlib-devel

#c++
yum install gcc-c++

3.2 源码下载和编译

#git源码下载
git clone https://github.com/kayaklee/tb-common-util.git

#设置环境变量 
mkdir /var/tblib 
export TBLIB_ROOT="/var/tblib" 
#因为tbnet和tbsys在两个不同的目录，但它们的源码文件里头文件的互相引用却没有加绝对或相对路径，
#将两个目录的源码加入到C++环境变量中即可。否则编译时会出现：“fatal error:tysys.h: 
#No such file or directory”的错误。 
CPLUS_INCLUDE_PATH=/home/tair/tb-common-util/tbsys/src:/home/tair/tb-common- util/tbnet/src 
export CPLUS_INCLUDE_PATH
#修改tbsys代码 
cd ~/tb-common-util/trunk/tbsys/src 
#下载的代码有个错误：具体是tbsys/src/tblog.cpp中323行代码
#:需要将CLogger::CLogger& CLogger::getLogger()改为CLogger& CLogger::getLogger() 
#编译tbsys和tbnet 
cd tb-common-utils 
./build.sh 
#注：安装成功后，TBLIB_ROOT所指示的目录下会有include和lib两个目录。

3.3 tair下载

#git源码下载 
git clone https://github.com/alibaba/tair.git
#安装依赖 
yum install -y openssl-devel libcurl-devel 
#编译 
./bootstrap.sh 
#检测和生成 Makefile 
./configure 
#编译和安装到目标目录 
make -j
make install 
# 注：默认安装位置是 ~/tair_bin

3.4 tair配置和启动

下面以MDB引擎为例配置一个最小化的Tair集群（1 * ConfifigServer + 1 * DataServer）

#查看和设置系统tmpfs 
#MDB 引擎默认使用共享内存，所以需要查看并设置系统的tmpfs的大小 
# 这里根据实际机器内存情况配置，必须大于Tair使用内存的配置
vim /etc/fstab tmpfs /dev/shm 
tmpfs defaults,size=1024M 0 0

#生效 
mount -o remount /dev/shm
#查看tmpfs
cat /etc/fstab | grep /dev/shm
显示tmpfs /dev/shm tmpfs rw,size=1G 0 0
# 定义配置文件 复制配置文件
cp etc/configserver.conf.default etc/configserver.conf 
cp etc/group.conf.default etc/group.conf 
cp etc/dataserver.conf.default etc/dataserver.conf

# 1.configserver.conf
[public] 
config_server=192.168.127.133:5198 
#config_server=192.168.1.2:5198 
#config_server=10.211.55.9:5198 
#config_server=192.168.1.2:5198 
dev_name=eno16777736 

#2.group.conf 
# data center A 
_server_list=192.168.127.133:5191
#_server_list=192.168.1.2:5191
#_server_list=192.168.1.3:5191
#_server_list=192.168.1.4:5191
# data center B
#_server_list=192.168.2.1:5191 
#_server_list=192.168.2.2:5191 
#_server_list=192.168.2.3:5191 
#_server_list=192.168.2.4:5191

#3.dataserver.conf
[public] 
config_server=192.168.127.133:5198 
#config_server=192.168.1.2:5198 

dev_name=eno16777736
mdb_inst_shift=0 
process_thread_num=4 
io_thread_num=4 
#这里 slab_mem_size控制MDB内存池的总大小，mdb_inst_shift 控制实例的个数，
#注意这里一个实例 必须大于512MB且小于64GB。 
slab_mem_size=512 
#修改 tair.sh启动脚本 
#在CentOS 7下，安装目录下的 tair.sh 启动脚本有一行代码需要修改 
tmpfs_size=`df -m |grep /dev/shm | awk '{print $2}'` 

#启动Tair实例 
#启动dataserver 
tair_bin $ ./tair.sh start_ds 
#启动configserver 
tair_bin $ ./tair.sh start_cs 
#查看进程 ps -ef |grep tair 

#注：执行后没有两行记录显示，说明启动失败，可查看logs中的log查看错误信息

3.5 tair测试

#客户端读写测试 
tair_bin $ ./sbin/tairclient -c 192.168.127.133:5198 -g group_1 
TAIR> health
TAIR> put key value 
TAIR> get key 
TAIR> remove key 
TAIR> get key

3.6 tair停止

#停止dataserver 
tair_bin $ ./tair.sh stop_ds 
#停止configserver 
tair_bin $ ./tair.sh stop_cs

4. 高可用和负载均衡

Tair的高可用和负载均衡，主要通过对照表和数据迁移两大功能进行支撑。

对照表将数据分为若干个桶，并根据机器数量、机器位置进行负载均衡和副本放置，确保数据分布均匀，并且在多机房有数据副本。

在集群发生变化时，会重新计算对照表，并进行数据迁移。

4.1 对照表

在Tair系统中，采用对照表将数据均衡的分布在DataServer上

还能动态适应节点的扩容和缩容

Tair基于一致性Hash算法存储数据，根据配置建立固定数量的桶（bucket）桶为Hash环节点，hash(key)顺时针设置桶

桶是负载均衡和数据迁移的基本单位

configserver根据一定的策略把每个桶指派到不同的dataserver上，

因为数据按照key做hash算法，所以可以认为每个桶中的数据基本是平衡的，保证了桶分布的均衡性,就保证了数据分布的均衡性。

Tair支持自定义的备份数，比如你可以设置数据备份为2，以提高数据的可靠性。对照表可以很方便地支持这个特性。

第二列为主节点的信息，第三列为辅节点信息。在Tair中，客户端的读写请求都是和主节点交互。

当有节点不可用时，如果是辅节点，那么configserver会重新为其指定一个辅节点，如果是持久化存储，还将复制数据到新的辅节点上。如果是主节点，那么configserver首先将辅节点提升为主节点，对外提供服务，并指定一个新的辅节点，确保数据的备份数。

  • 对照表初始化

    第一次启动ConfigServer会根据在线的DataServer生成对照表, ConfigServer会启动一个线程（table_builder_thread）,该线程会每秒检查一次是否需要重新构造对照表

    Tair提供了两种生成对照表的策略：

    • 负载均衡优先

      configserver会尽量的把桶均匀的分布到各个dataserver上,一个桶的备份数据不能在同一台主机上

    • 位置安全优先

      一般我们通过控制_pos_mask（Tair的一个配置项）来使得不同的机房具有不同的位置信息

      一个桶的备份数据不能都位于相同的一个位置（不在同一个机房）

4.2 数据迁移

当DataServer增加时，configserver负责重新计算一张新的桶在dataserver上的分布表, 将桶较为平均的分配到各个DataServer上

当DataServer发生故障时，configserver负责重新计算一张新的桶在dataserver上的分布表,将原来由故障机器服务的桶的访问重新指派到其它的dataserver中

这时需要做数据迁移，具体流程如下：

  • 1、设置当前正在迁移的桶ID
  • 2、DataServer写入桶数据时，会写入redolog
  • 3、migrate_manager迁移内存中的桶数据
  • 4、migrate_manager迁移redolog数据
  • 5、redolog数据迁移完成后，将桶标记为迁移完成
  • 6、将信息发送给ConfigServer用于同步对照表

5. 存储引擎

Tair的存储引擎有一个抽象层（storage_manager）,只要实现存储引擎接口，便可以替换Tair的底层存储引擎。

可插拔存储引擎—类似MySQL

  • mdb

    数据存储：Memcached 
高效缓存存储
使用share memory，重启不会数据丢失
支持K-V存储、prefix操作
适用于：String缓存使用（json）、大访问少量的临时数据存储、Session分离

  • fdb

    数据存储：FireBird 
高效的持久化SQL存储
索引文件和数据文件分离------>mysql MyISam 
使用Tree的方式根据key的hash值索引数据Btree 索引文件在内存中
适用于：快速访问较小的数据

  • kdb

    数据存储：Kyoto Cabinet 
Cabinet开发的KV的持久化存储
简单的包含记录的数据文件存储形式为hash表或B+Tree 
适用于：简单临时存储

  • ldb

    数据存储：LevelDB 
是Google开发的高性能持久化KV存储
可内嵌mdb缓存mdb+ldb 
支持kv、prefix 
支持批量操作
适用于：大数据量的存取（交易快照）、高频度的更新（库存）、离线大批量数据导入

  • rdb

    数据存储：Redis 
高效缓存存储
多种数据结构和计算
适用于：复杂数据结构存储、商品属性、粉丝列表、商品评论、消息队列

  • mdb存储结构

    • mem_pool

      用于共享内存管理，将内存分为若干个page

      page个数根据slab_mem_size设置，单位为MB

      单个DataServer最多使用64G内存

    • mem_cache

      用于管理slab，存放slab_manager列表

      slab_manager管理item(数据块)

      slab个数为100，一个slab可存储800kb

    • cache_hash_map

      用于存储hash表，根据key进行hash对应item数据

      hash冲突，产生链表

    • mdb_area_stat

      用于维护area（namespace）状态，记录了该area的数据链表和数据量限制(tablespace)

6. 常用API

见示例代码

操作说明
getget key [area]获得key的值
putput key data [area] [expired]设置key和value
incrincr key [count] [initValue] [area]对key的值自增
decrdecr key [count] [area]对key的值自减
batcheGetmget key1 … keyn批量获得
expireexpire key time设置key的过期时间
prefixPutpput [area] pkey skey value根据前缀设置，按照prefifix计算hash，同一个prefifix会存储在同一个hash表，形成链表
prefixGetpget [area] pkey skey根据前缀读取

version:

Tair中的每个数据都包含版本号，版本号在每次更新后都会递增。这个特性有助于防止由于数据的并发更新导致的问题，类似于乐观锁

tair 实现乐观锁:

trylock（获取版本）–>transaction–>unlock(版本检查)—正常—>version+1 commit —异常—>rollback

只要能获取版本，就认为trylock成功
版本检查则更新version，一般是加1；
否则，异常处理，version不变，并开启回滚
多事务同时获得乐观锁时，unlock只能有一个成功，其余的都应该失败

tair实现分布式锁:

利用Tair的version特性可以实现分布式锁，由于LDB具有持久化功能，当服务有出现宕机的情况，也不会因此出现锁丢失或者锁不可释放的情况。

如果KEY不存在的话，传入一个固定的初始化VERSION（需要大于1），Tair会在保存这个缓存的同时设置这个缓存的VERSION为你传入的VERSION+1

KEY如果已经存在，Tair会校验你传入的VERSION是否等于现在这个缓存的VERSION，如果相等则允许修改，否则将失败。

//获得锁 
public boolean lock(String lockKey) { 
  //10 :version expiretime : 过期时间 秒 
  ResultCode code = defaultTairManager.put(lockKey, defaultVlaue, 5, expiretime); 
  if (ResultCode.SUCCESS.equals(code)) 
    return true; 
  else
    return false; 
} 

//释放锁 
public Boolean unlock(String lockKey){ 
  ResultCode code = defaultTairManager.delete(lockKey); 
  return ResultCode.SUCCESS.equals(code); 
}
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标题：Tair

作者：古道长亭

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