分布式定时任务 ｜ 青训营笔记

Nebula1805
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这是我参与「第五届青训营 」伴学笔记创作活动的第 12 天

本堂课重点

本节课程主要分为五个方面：

  1. 分布式定时任务整体架构
  2. 控制台 Admin 详细设计
  3. 触发器 Trigger 详细设计
  4. 调度器 Scheduler 详细设计
  5. 执行器 Executor 详细设计

课程收益

  • 知识面扩充

    • 对分布式定时任务建立起宏观的认知，并深入了解其实现原理
    • 了解关联的单机定时任务、大数据处理引擎，通过了解不同实现方案的优劣来拓展知识面

  • 项目实践能力加强

    • 了解在哪些实际业务场景中使用分布式定时任务
    • 对于实际业务场景的中间件选型、技术方案设计做到成竹在胸

1.前言

从抖音春节活动说起

  • 每年春节抖音都会有很多有意思的玩法，如果同学们是字节的后端同学，怎么设计今年春节集卡瓜分20亿的技术方案？

业务流程

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  • 定时扫描抖音用户集卡状态
  • 汇总计算用户的瓜分金额
  • 定时开奖

技术体量

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  • 亿级用户规模
  • 十亿级资金规模
  • 百万级读写 QPS

方案引出

  • 自动化 + 定时执行 + 海量数据 + 高效稳定 = 分布式定时任务

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2.发展历程

从 Linux 命令到单机再到分布式，定时任务一直没有停下发展的脚步

2.0 Windows 批处理

  • Case1: 10 分钟后 Windows 电脑自动关机

Step1:桌面空白处右键单击-新建-文本文档

Step2:更改文件名和后缀为“自动关机.bat”

Step3:修改文件内容为“shutdown -s -t 600”,代表 10 分钟后关机

Step4:双击运行该批处理文件，电脑将会在 10 分钟之后自动关机

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2.0 Windows任务计划程序

  • Case2:每天 12：00 自动疫情打卡

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2.1 Linux命令-CronJob

  • Case 3:每天 02：30 定时清理机器日志

    • Linux 系统命令，使用简单，稳定可靠
    • 只能控制单台机器，且无法适用于其他操作系统

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2.2 单机定时任务-Timer、Ticker

  • Case4 :每隔 5 分钟定时刷新本地缓存数据

    • 跨平台
    • 仅单机可用

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2.3 单机定时多任务-ScheduledExecutorService

  • Case 5:每隔 5 分钟定时执行多个任务

    • 拥有线程池功能
    • 仅单机可用

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2.4 任务调度-Quartz

  • 单任务极致控制
  • 没有负载均衡机制

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2.5 分布式定时任务

  • 平台化管理
  • 分布式部署
  • 支持海数据

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2.5.1 什么是分布式定时任务

定时任务是指系统为了自动完成特定任务，实时、延时、周期性完成任务调度的过程。

分布式定时任务是把分散的、可靠性差的定时任务纳入统一的平台，并实现集群管理调度和分布式部署的一种定时任务的管理方式。

按触发时机分类：

  • 定时任务：特定时间触发，比如今天 15：06 执行
  • 延时任务：延时触发，比如 10s 后执行
  • 周期任务：固定周期时间，或固定频率周期调度触发，比如每天 12 点或者每隔 5s 执行

定时任务，解决了自动化和准时这两个问题

分布式定时任务，则是解决高性能、可靠性、分布式部署等问题

2.5.2 分布式定时任务-特点

特点描述
自动化全自动完成定时任务的调度和执行
平台化基于平台化的思维管控一系列的分布式定时任务
分布式在分布式系统环境下运行任务调度，突破单机定时任务的性能瓶颈
伸缩性采用集群方式部署，可以随时按需扩缩容
高可用单点故障不影响最终任务结果，可以做到故障转移

2.5.3 分布式定时任务-执行方式

执行方式描述
单机任务随机触发一台机器执行任务，适用于计算量小、并发度低的任务
广播任务广播到所有机器上执行同一个任务，比如所有机器一起清理日志
Map 任务一个任务可以分出多个子任务，每个子任务负责一部分的计算。适用于计算量大，单机无法满足要求的任务
MapReduce 任务在 Map 任务的基础上，还可以对所有子任务的结果做汇总计算，适用于计算量大，并且需要对子任务结果做汇总的任务

2.5.4 执行方式 VS 春节集卡

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2.6 业内定时任务框架

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2.6.1 Xxl-job

Xxl-job 是大众点评员工许雪里于 2015 年发布的分布式任务调度平台，是一个轻量级分布式任务调度框架，其核心设计目标是开发迅速、学习简单、轻量级、易扩展。XL-J○B支持分片，简单支持任务依赖，支持子任务依赖，不是跨平台的。

Xxl-job 很大一个优势在于开源且免费，并且轻量级，开箱即用，操作简易，上手快，企业维护起来成本不高，因而在中小型公司使用非常广泛。

2.6.2 SchedulerX

分布式任务调度 SchedulerX 2.0 是阿里巴巴基于 Akka 架构自研的新一代分布式任务调度平台，提供定时调度、调度任务编排和分布式批量处理等功能。

SchedulerX 可在阿里云付费使用。它功能非常强大，在阿里巴巴内部广泛使用并久经考验。

2.6.3 TCT

分布式任务调度服务 (Tencent Cloud Task) 是腾讯云自主研发的一款高性能、高可靠通用的分布式任务调度中间件，通过指定时间规则严格触发调度任务，保障调度任务的可靠有序执行。该服务支持国际通用的时间表达式、调度任务执行生命周期管理，解决传统定时调度任务单点及并发性能问题。同时，支持任务分片、流程编排复杂调度任务处理能力，覆盖广泛的任务调度应用场景。

TCT 仅在腾讯内部使用，未开源，也末商用。

2.7 知识面扩充

分布式定时任务 VS 单机定时任务

关系差异
都可以实现自动化的定时、延时、周期任务调度分布式定时任务可支撑更大的业务体量
分布式定时任务的性能、伸缩性、稳定性更高

分布式定时任务 VS 大数据处理引擎

关系差异
都可以对海量数据做处理定时并不是大数据处理引擎要解决的核心问题
性能、伸缩性、稳定性都很高大数据处理引擎往往致力于将源数据处理成结果数据，分布式定时任务除了能做这个之外，还可以调用 HTTP 和 RPC 服务

2.8 小结

  • 生活用途

    • Windows批处理
    • Windows任务计划程序

  • 工作用途

    • Linux 命令 —— cronjob
    • 单机定时任务 —— Timer、Ticker
    • 单机定时任务 —— ScheduledExecutorService
    • 任务调度 —— Quartz
    • 分布式定时任务

  • 分布式定时任务

    • 触发时机：定时、延时、周期
    • 执行方式：单机、广播、Map、MapReduce
    • 业内流行框架：Xxl-Job、SchedulerX、TCT
    • 关联技术：单机定时任务、大数据处理引擎

3.实现原理

深入了解分布式定时任务的实现原理

3.1 核心架构

分布式定时任务核心要解决触发、调度、执行三个关键问题

  • 触发器：Trigger,解析任务，生成触发事件
  • 调度器：Scheduler,分配任务，管理任务生命周期
  • 执行器：Executor,获取执行任务单元，执行任务逻辑

除此之外，还需要提供一个控制台(Admin)，提供任务管理和干预的功能。

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3.1.1 数据流

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3.1.2 功能架构

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3.2 控制台

3.2.1 基本概念

概念描述
任务Job,任务元数据
任务实例JobInstance,周期任务会生成多个任务实例
任务结果JobResult,任务实例运行的结果
任务历史JobHistory,用户可以修改任务信息，任务实例对应的任务元数据可以不同，因而使用任务历史存储

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3.2.2 任务元数据

任务元数据 (Job) 是用户对任务属性定义，包括任务类型调度时机、执行行为等。

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3.2.3 任务实例

任务实例 (JobInstance) 是一个确定的 Job 的一次运行实例。

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3.3 触发器

3.3.1 核心职责

  • 给定一系列任务，解析它们的触发规则，在规定的时间点触发任务的调度

设计约束：

  • 需支持大量任务
  • 需支持秒级的调度
  • 周期任务需要多次执行
  • 需保证秒级扫描的高性能，并避免资源浪费

3.3.2 方案一 定期扫描 + 延时消息

腾讯、字节方案

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定时扫描的机器集群部署，通过分布式锁保证只有一台在调度

3.3.3 方案二 时间轮

Quartz所用方案

时间轮是一种高效利用线程资源进行批量化调度的一种调度模型。时间轮是一个存储环形队列，底层采用数组实现，数组中的每个元素可以存放一个定时任务列表。

image-20230208145218495.png 目标：遍历任务列表，从中找出当前时间点需触发的任务列表

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3.3.4 高可用

核心问题

  • 不同业务之间，任务的调度相互影响怎么办？
  • 负责扫描和触发的机器挂了怎么办？

解法思路

  • 存储上，不同国别、业务做资源隔离
  • 运行时，不同国别、业务分开执行
  • 部署时，采用多机房集群化部署，避免单点故障，通过数据库锁或分布式锁保证任务只被触发一次
3.3.4.1 问题引出

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3.3.4.2 数据库行锁模式

在触发调度之前，更新数据库中 JobInstance 的状态，成功抢锁的才会触发调度

image-20230208150936777.png 多台机器频繁竞争数据库锁，节点越多性能越差

3.3.4.3 分布式锁模式

在触发调度之前，尝试抢占分布式锁，可使用 Redis 锁或 Zookeeper 锁

image-20230208151101238.png 性能较高，多家公司使用此方案

3.4 调度器

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3.4.1 资源来源

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3.4.2 资源调度

3.4.2.1 节点选择

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3.4.2.2 任务分片

通过任务分片来提高任务执行的效率和资源的利用率

image-20230208151736849.png N 个执行器 Executor ,M 个业务数据区段，最好 M >= N ,且 M 是 N 的整数倍

3.4.3 高级特性

3.4.3.1 任务编排

使用有向无环图 DAG (Directed Acyclic Graph) 进行可视化任务编排

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3.4.3.2 故障转移

故障转移：确保部分执行单元任务失败时，任务最终成功

image-20230208152025214.png 分片任务基于一致性 hash 策略分发任务，当某 Executor 异常时，调度器会将任务分发到其他 Executor

3.4.4 高可用

调度器可以集群部署，做到完全的无状态，靠消息队列的重试机制保障任务一定会被调度

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3.5 执行器

基于注册中心，可以做到执行器的弹性扩缩容

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小结

  • 核心架构

    • 控制台 Admin、触发器 Trigger、调度器 Scheduler、执行器 Executor

  • 业务模型

    • 任务元数据 Job、任务实例 JobInstance、任务结果 JobResult、任务历史 JobHistory

  • 触发器

    • 定时扫描 + 延时消息

    • 时间轮

      • 链表、最小堆、时间轮、多级时间轮

  • 调度器

    • 资源来源
    • 资源调度：节点选择、任务分片、任务编排、故障转移

  • 执行器

    • 注册、调度、回调、心跳检测

4.业务应用

在哪些实际业务中使用分布式定时任务？

4.1 业务应用

所有需要定时、延时、周期性执行任务的业务场景，都可以考虑使用分布式定时任务。

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4.2 其他解决方案

发货后超过 10 天未收货时系统自动确认收货

  • 使用分布式定时任务的延时任务
  • 使用消息队列的延时消息或者定时消息

春节集卡活动统计完成集卡的用户个数和总翻倍数

  • 使用分布式定时任务的 MapReduce 任务
  • 使用大数据离线处理引擎 Hive 离线做统计
  • 使用大数据实时处理引擎 Flink 实时做累计

4.3 其他解决方案对比

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回顾

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课后作业

1.分布式定时任务可以帮助我们处理哪些业务场景？

2.春节集卡瓜分20亿的玩法，发奖金额计算、实时开奖两个阶段分别用到分布式定时任务什么执行方式？

3.有了分布式定时任务，单机定时任务还有适用场景么？

4.时间轮这种数据结构，在定时/延时场景相比其他数据结构有哪些优势？

5.分布式定时任务的调度中心怎么判断一台执行器的机器处于可被调度状态？

6.你能想到哪些业务场景，实时计算引擎优于分布式定时任务？

个人总结

  • 定时任务的发展历程
  • 分布式定时任务的原理以及应用场景

参考引用

后端专场 学习资料五

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