分布式定时任务 ｜ 青训营笔记

LongBob
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这是我参与「第五届青训营 」笔记创作活动的第21天

一：春节红包

作为后端开发同学，怎么设计最终开奖环节技术方案?

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  • 特点：

    • 用户规模：亿级
    • 资金规模：亿级
    • 读写QPS：百万级

  • 自动化+定时执行+海量数据+高效稳定=分布式定时任务

二：发展历程

1：win批处理

  • Case 1:10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
  • Case 2:每天12:00自动疫情打卡
    • 右键此电脑-管理-用脚本创建任务即可

2：linux命令-cronjob

  • Case 3:每天02:30定时清理机器日志
    302* * * clean_log.sh

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  • 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

3：单机定时任务-Timer、Ticker

  • Case 4:每隔5分钟定时刷新本地缓存数据

    • java

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    • go

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  • 跨平台
  • 仅单机可用

4：单机定时任务- ScheduledExecutorService

  • Case 5:每隔5分钟定时执行多个任务

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  • 拥有线程池功能

  • 仅单机可用

5：任务调度-Quarz

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  • 单任务极致控制
  • 没有负载均衡机制

6：分布式定时任务

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  • 平台化管理

  • 分布式部署

  • 支持海量数据

  • 定义：

    • 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

  • 特点：

    • 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

  • 执行方式：

    • 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

  • 春节红包的应用：

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  • 业内定时任务框架对比

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  • 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。XXL-JOB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。

  • Scheduler×

    • 分布式任务调度Scheduler× 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。
    • Scheduler×可在阿里云付费使用。它功能非常强大。

  • 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，也未商用。

7：分布式定时任务VS单机定时任务

  • 关系:
    • 都可以实现自动化的定时、延时、周期任务调度
  • 差异:
    • 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

8：分布式定时任务VS大数据处理引擎

  • 关系:
    • 都可以对海量数据做处理
    • 性能、伸缩性、稳定性都很高
  • 差异:
    • 定时并不是大数据处理引擎要解决的核心问题
    • 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

三：实现原理

1：整体架构

  • 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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（1）数据流

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（2）功能架构

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2：控制台

（1）基本概念

  • 任务:Job，任务元数据
  • 任务实例:JobInstance，任务运行的实例
  • 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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①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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②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：触发器

（1）核心职责

  • 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

（2）方案1

定期扫描+延时消息(腾讯、字节方案)

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（3）方案2

  • 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。
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  • 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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（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

  • 问题引出

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  • 数据库行锁模式 在触发调度之前，更新数据库中Joblnstance的状态，成功抢锁的才会触发调度
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多台机器频繁竞争数据库锁，节点越多性能越差

  • 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
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性能较高，多家公司使用此方案

4：调度器

要解决的问题：

（1）资源来源

  • 业务系统提供机器资源

    • 使用该方案的公司:
      • 阿里、美团、字节等
    • 优点:
      • 任务执行逻辑与业务系统共用同一份资源，利用率更高
    • 缺点:
      • 更容易发生定时任务脚本影响在线服务的事故
      • 不能由定时任务平台控制扩缩容

  • 定时任务平台提供机器资源

    • 使用该方案的公司:
      • 字节等
    • 优点:
      • 任务执行逻辑与业务系统提供的在线服务隔离，避免相互影响
      • 可以支持优雅地扩缩容
    • 缺点:
      • 消耗更多机器资源
      • 需要额外为定时任务平台申请接口调用权限,而不能直接继承业务系统的权限

（2）资源调度

  • 节点选择

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  • 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
    • 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

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  • 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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  • 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
    • 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

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  • 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）任务执行

5：执行器

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基于注册中心，可以做到执行器的弹性扩缩容

四：业务实践

1：业务场景

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。

  • 电商

    • 订单30分钟未付款自动关闭订单
    • 定时给商家、达人发送消息，给用户发放优惠券等

  • 互动

    • 支付宝集五福
    • 字节春节集卡瓜分红包

  • 游戏

    • 活动结束后批量补发用户未领取的奖励
    • 定期更新游戏内榜单

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
  • 方案对比

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