Storm概念学习系列之Topology拓扑

　　不多说，直接上干货！

　　  Hadoop 上运行的是 MapReduce 作业，而在 Storm 上运行的是拓扑 Topology，这两者之间是非常不同的。一个关键的区别是：一个MapReduce 作业最终会结束，而一个 Topology 拓扑会永远运行（除非手动杀掉）。

Topology拓扑

　　从字面上解释Topology，就是网络拓扑，是指用传输介质互连各种设备的物理布局，是构成网络的成员间特定的物理的（即真实的），或者逻辑的，即虚拟的排列方式。拓扑是一种不考虑物体的大小、形状等物理属性，而只使用点或者线描述多个物体实际位置与关系的抽象表示方法。拓扑不关心事物的细节，也不在乎相互的比例关系，只是以图的形式表示一定范围内多个物体之间的相互关系。从Storm角度考虑，它不是网络拓扑，但是又类似于网络拓扑的结构，所以取名Topology。
那么Storm的Topology指的是类似于网络拓扑图的一种虚拟结构。Storm的拓扑Topology类似于MapReduce任务，一个关键的区别是MapReduce任务运行一段时间后最终会完成，而Storm拓扑一直运行（直到杀掉它）。一个拓扑是由Spout和Bolt组成的图，Spout和Bolt之间通过流分组连接起来。图1形象地描述了Topology中的Spout和Bolt之间的关系。

　　　　　　　　　　　　　　 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1    Spout和Bolt的关系图

　　通过对图1的理解可以看出，Topology是由Spout、Bolt、数据载体Tuple等构成的一定规则的网络拓扑图。Storm提供了TopologyBuilder类来创建Topology。打个比方，TopologyBuilder是Topology的骨架，Spout、Bolt是Topology的肉和血液。TopologyBuilder类的主要方法如图2所示。

　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 2    TopologyBuilder类的主要方法

　　 TopologyBuilder实际上是封装了Topology的Thrift接口，也就是说Topology实际上是通过Thrift定义的一个结构，TopologyBuilder将这个对象建立起来，然后Nimbus实际上运行一个Thrift服务器，用于接收用户提交的结构。由于采用Thrift实现，所以用户可以用其他语言建立Topology，这样就提供了比较方便的多语言操作支持。

 Topology实例
　　下面从一个简单的例子开始介绍Topology的构建和定义，通过此案例能够基本理解Storm，并且能够构建一个简单的Topology。本实例使用Topology来统计一个句子中单词出现的频率。下面详细介绍如何设计和运行Topology，以及一些注意事项。

　　1. 设计Topology结构
　　在编写代码之前，首先要设计Topology。在理清数据处理逻辑之后，创建Topology就非常简单了。统计单词词频的Topology的大致结构如图3所示。可以将Topology分成3个部分：一是数据源KafkaSpout，负责发送语句；二是数据处理者SplitSentenceBolt，负责切分语句；三是数据再处理者WordCountBolt，负责累加单词的频率。

             

　　　　　　　　　　　　　　　　　　   　　　　图 3      Topology的结构

                 

         2. 设计数据流
　　设计的Topology是从KafkaSpout中读取句子，并把句子划分成单词，然后汇总每个单词出现的次数，一个Bolt负责获取句子后划分成单词，一个Bolt分别对应计算每一个单词出现的次数，然后Tuple在Spout和Bolt之间传递，如图3-15所示。

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4    Topology内部数据流图

　　

　　　　　　　　　　

  　3. 代码实现
（1）构建Maven环境
　　为了开发Topology，需要把Storm相关的JAR包添加到CLASSPATH中，要么手动添加所有相关的JAR包，要么使用Maven来管理所有的依赖。Storm的JAR包发布在Clojars（一个Maven库），如果使用Maven，需要把下面的配置代码添加在项目的pom.xml中。

<repository>
   <id>clojars.org</id>
   <url>http:// clojars.org/repo</url>
</repository>
<dependency>
    <groupId>storm</groupId>
   <artifactId>storm</artifactId>
    <version>0.8.2</version>
    <scope>test</scope>
</dependency>

（2）定义Topology
　　定义Topology的内部逻辑，代码如下：

　　

SpoutConf?ig kafkaConf?ig = new SpoutConf?ig(brokerHosts, "storm-sentence", "", "storm");
kafkaConf?ig.scheme = new SchemeAsMultiScheme(new StringScheme());
TopologyBuilder builder = new TopologyBuilder();
builder.setSpout(1，new KafkaSpout(kafkaConf?ig), 10);// id, spout, parallelism_hint
builder.setBolt(2, new SplitSentence(), 10) .shuffleGrouping(1);
builder.setBolt(3, new WordCount(), 20) .f?ieldsGrouping(2, new Fields("word"));

　　声明的Topology的Spout是从Kafka中读取句子，Spout用setSpout方法插入一个独特的ID到Topology中。Topology中的每个节点必须给予一个ID，ID是由其他Bolt用于订阅该节点的输出流，KafkaSpout在Topology中的ID为1。
setBolt用于在Topology中插入Bolt。在Topology中定义的第一个Bolt是切割句子的Bolt，该Bolt（即SplitSentence）将句子流转成单词流；setBolt的最后一个参数是Bolt的并行量，因为SplitSentence是10个并发，所以在Storm集群中有10个线程并行执行。当Topology遇到性能瓶颈时，可以通过增加Bolt并行数量来解决。setBolt方法返回一个对象，用来定义Bolt的输入。例如，SplitSentence约定使用组件ID为1的输出流，1是指已经定义的KafkaSpout。SplitSentence会消耗KafkaSpout发出的每一个元组。
　　SplitSentence的关键方法是execute，它将句子拆分成单词，并发出每个单词作为新的元组。另一个重要的方法是declareOutputFields，其中声明了Bolt输出元组的架构，这个方法声明它发出一个域为“word”的元组。
SplitSentence对句子中的每个单词发射一个新的Tuple，WordCount在内存中维护每个单词出现次数的映射，WordCount每收到一个单词，都会更新内存中的统计状态。

　　SplitSentence的实现代码如下：

public class SplitSentence implements IBasicBolt{
      public void prepare(Map conf, TopologyContext context) {
       }
     public void execute(Tuple tuple, BasicOutputCollector collector) {
          String sentence = tuple.getString(0);
           for(String word: sentence.split(" ")) {
                  collector.emit(new Values(word));
             }
          }
       public void cleanup() {
      }
      public void declareOutputFields(OutputFieldsDeclarer declarer) {
            declarer.declare(new Fields("word"));
         }
 }

　　WordCount的实现代码如下：

 

public class WordCount implements IBasicBolt {
      private Map<String, Integer> _counts = new HashMap<String, Integer>();
      public void prepare(Map conf, TopologyContext context) {
      }
     public void execute(Tuple tuple, BasicOutputCollector collector) {
          String word = tuple.getString(0);
          int count;
          if(_counts.containsKey(word)) {
               count = _counts.get(word);
          } else {
               count = 0;
 }
          count++;
          _counts.put(word, count);
          collector.emit(new Values(word, count));
     }
     public void cleanup() {
     }
     public void declareOutputFields(OutputFieldsDeclarer declarer) {
          declarer.declare(new Fields("word", "count"));
     }
}

　　4. Topology运行
　　Topology运行有两种模式：本地模式和分布式模式。这两种模式的接口区别很大，使用场景也不相同。另外，下面还将介绍Topology的运行流程、方法调用过程以及并行度等。
　　1. Topology运行模式
　　Topology的运行模式可以分为本地模式和分布式模式，模式可以在配置文件中和代码中设置。
　　（1）本地模式
　　Storm用一个进程中的线程来模拟所有的Spout和Bolt。本地模式对开发和测试来说比较有用。storm-starter中的Topology是以本地模式运行的，可以看到Topology中的每一个组件发射的消息。示例代码如下：

 

Config conf = new Conf?ig();
conf.setDebug(true);
conf.setNumWorkers(2);
LocalCluster cluster = new LocalCluster();
cluster.submitTopology("test", conf, builder.createTopology());
Utils.sleep(10000);
cluster.killTopology("test");
cluster.shutdown();

　　首先，这段代码通过定义一个LocalCluster对象来定义一个进程内的集群。提交Topology给这个虚拟的集群和提交Topology给分布式集群相同。通过调用submitTopology方法来提交Topology，共有3个参数：要运行的Topology的名称、一个配置对象，以及要运行的Topology本身。
　　Topology是以名称来唯一区别的，可以用这个名称来杀掉该Topology，而且必须显式地杀掉，否则它会一直运行。

conf对象可以配置内容很多，下面两个是最常见的：
　　TOPOLOGY_WORKERS (setNumWorkers)：定义希望集群分配多少个工作进程来执行这个Topology。Topology中的每个组件都需要线程来执行。每个组件到底用多少个线程是通过setBolt和setSpout来指定的。这些线程都运行在工作进程中。每一个工作进程包含一些节点的一些工作线程。例如，指定300个线程，60个进程，那么每个工作进程中要执行6个线程，而这6个线程可能属于不同的组件（Spout或Bolt）。可以调整每个组件的并行度以及这些线程所在的进程数量来调整Topology的性能。
　　TOPOLOGY_DEBUG (setDebug)：当它设置为true时，Storm会记录下每个组件发射的每条消息。这在本地环境调试Topology时很有用，但是在生产环境中如果这么做，则会影响性能。

 （2）分布式模式
　　Storm由若干节点组成。提交Topology给Nimbus时，也会提交Topology代码。Nimbus负责分发代码和给Topolgoy分配工作进程。如果一个工作进程挂掉了，Nimbus节点会将其重新分配到其他节点。分布式模式提交拓扑的代码如下：

StormSubmitter.submitTopology(topologyName, topologyConf?ig,  builder.createTopology());

 　　在Storm代码编写完成之后，需要打包成JAR包放到Nimbus中运行。在打包时，不需要把依赖的JAR都打进去，否则运行时会出现重复的配置文件错误导致Topology无法运行，因为在Topology运行之前，会加载本地的storm.yaml配置文件。
　　在Nimbus运行的命令如下。

storm  jar  StormTopology.jar  mainclass  args

　　2. Topology运行流程
　　在Topology的运行流程中，有几点需要特别说明。
　　1）提交Topology后，Storm会把代码先存放到Nimbus节点的inbox目录下；之后，把当前Storm运行的配置生成一个stormconf.ser文件放到Nimbus节点的stormdist目录中，此目录中同时还有序列化之后的Topology代码文件。
　　2）在设定Topology关联的Spout和Bolt时，可以同时设置当前Spout和Bolt的Executor和Task数量。在默认情况下，一个Topology的Task总和与Executor的总和一致。之后，系统根据Worker的数量，尽量将这些Task平均分配到不同的Worker上执行。Worker在哪个Supervisor节点上运行是由Storm本身决定的。
　　3）在任务分配好之后，Nimbus节点将任务的信息提交到ZooKeeper集群，同时在ZooKeeper集群中有Workerbeats，这里存储了当前Topology所有Worker进程的心跳信息。
　　4）Supervisor节点不断轮询ZooKeeper集群，在ZooKeeper的assignments中保存了所有Topology的任务分配信息、代码存储目录、任务之间的关联关系等，Supervisor通过轮询此节点的内容来领取自己的任务，启动Worker进程运行。
　　5）一个Topology运行之后，不断通过Spout来发送流，通过Bolt来不断处理接收到的流，流是无界的。最后一步会不间断地执行，除非手动结束该Topology。

　　3. Topology的方法调用流程
　　Topology中的流处理时，调用方法的过程如图3-16所示。
　　Topology方法调用的过程有如下一些要点：
　　1）每个组件（Spout或者Bolt）的构造方法和declareOutputFields方法都只被调用一次。
　　2）open方法和prepare方法被调用多次。在入口函数中设定的setSpout或者setBolt中的并行度参数是指Executor的数量，是负责运行组件中的Task的线程数量，此数量是多少，上述两个方法就会被调用多少次，在每个Executor运行时调用一次。
　　3）nextTuple方法和execute方法是一直运行的，nextTuple方法不断发射Tuple，Bolt的execute不断接收Tuple进行处理。只有这样不断地运行，才会产生无界的Tuple流，体现实时性。这类似于Java线程的run方法。
　　4）提交一个Topology之后，Storm创建Spout/Bolt实例并进行序列化。之后，将序列化的组件发送给所有任务所在的节点（即Supervisor节点），在每一个任务上反序列化组件。
　　5）Spout和Bolt之间、Bolt和Bolt之间的通信，通过ZeroMQ的消息队列实现。
　　6）图3-16没有列出ack和fail方法，在一个Tuple成功处理之后，需要调用ack方法来标记成功，否则调用fail方法标记失败，重新处理该Tuple。

　　　  　　　　　　　 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5    Topology流处理过程图　　　　　　

 　　　　

　　4. Topology并行度
　　在Topology的执行单元中，有几个和并行度相关的概念。
　　（1）Worker
　　每个Worker都属于一个特定的Topology，每个Supervisor节点的Worker可以有多个，每个Worker使用一个单独的端口，Worker对Topology中的每个组件运行一个或者多个Executor线程来提供Task的执行服务。
　　（2）Executor
　　Executor是产生于Worker进程内部的线程，会执行同一个组件的一个或者多个Task。
　　（3）Task
　　实际的数据处理由Task完成。在Topology的生命周期中，每个组件的Task数量不会变化，而Executor的数量却不一定。Executor数量小于等于Task的数量，在默认情况下，二者是相等的。
　　在运行一个Topology时，可以根据具体的情况来设置不同数量的Worker、Task、Executor，设置的位置也可以在多个地方。
　　1）Worker设置：可以设置yaml中的topology.workers属性。在代码中通过Conf?ig的setNumWorkers方法设定。
　　2）Executor设置：通过Topology的入口类中的setBolt、setSpout方法的最后一个参数指定，如果不指定，则使用默认值1。
　　3）Task设置：在默认情况下，和executor数量一致。在代码中通过TopologyBuilder的setNumTasks方法设定具体某个组件的Task数量。

　　5. 终止Topology
　　在Nimbus启动的节点上，使用下面的命令来终止一个Topology的运行。
　　storm kill topologyName
　　执行kill之后，通过UI界面查看Topology状态，其先变成KILLED状态，清理完本地目录和ZooKeeper集群中与当前Topology相关的信息之后，此Topology将彻底消失。

　　6.Topology跟踪
　　提交Topology后，可以在Storm UI界面查看整个Topology运行的过程。

　　　

　　　　　　　　　

　　　　　　　　　

　　如下