分布式系统 - 分布式任务及实现方案

本文主要介绍定时任务的基础和单体方式下定时任务方案的演化，以及常见的分布式任务方案和技术实现要点。@pdai

定时任务和分布式任务介绍

主要介绍定时任务及其方案和演化。

定时任务应用场景

比如每天/每周/每月生成日志汇总，定时发送推送信息，定时生成数据表格等

定时任务的基础

Cron表达式是定时任务的基础。Cron表达式是一个字符串，字符串以5或6个空格隔开，分为6或7个域，每一个域代表一个含义，Cron有如下两种语法格式：

Seconds Minutes Hours DayofMonth Month DayofWeek Year
Seconds Minutes Hours DayofMonth Month DayofWeek

具体可以看如下文章：

CRON表达式 - CRON表达式介绍和使用
- 定时任务和CRON表达式在开发中使用也非常广泛，本文整理了CRON表达式和常见使用例子
CRON表达式 - CRON生成和校验工具
- 本文主要总结常用的在线CRON生成和校验工具，从而高效的写出正确的表达式

单体应用定时任务的演化

单体中定时任务的演化大概如下，（后续章节逐步介绍分布式场景下的方案）

cron+脚本定时任务

Linux定时任务工具crontb

JDK内置之Timer

JDK内置的Timer, 现在很少被使用。更多内容和集成可以看：SpringBoot集成定时任务 - Timer实现方式

简单示例如下

执行定时任务，延迟1秒开始执行。

@SneakyThrows
public static void timer() {
    // start timer
    Timer timer = new Timer();
    timer.schedule(new TimerTask() {
        public void run() {
            log.info("timer-task @{}", LocalDateTime.now());
        }
    }, 1000);

    // waiting to process(sleep to mock)
    Thread.sleep(3000);

    // stop timer
    timer.cancel();
}

输出

10:05:47.440 [Timer-0] INFO tech.pdai.springboot.schedule.timer.timertest.TimerTester - timer-task @2021-10-01T20:05:47.436

schedule 和 scheduleAtFixedRate 有何区别？

schedule：每次执行完当前任务后，然后间隔一个period的时间再执行下一个任务；当某个任务执行周期大于时间间隔时，依然按照间隔时间执行下个任务，即它保证了任务之间执行的间隔。
scheduleAtFixedRate：每次执行时间为上一次任务开始起向后推一个period间隔，也就是说下次执行时间相对于上一次任务开始的时间点；按照上述的例子，它保证了总时间段内的任务的执行次数

为什么几乎很少使用Timer这种方式？

Timer底层是使用一个单线来实现多个Timer任务处理的，所有任务都是由同一个线程来调度，所有任务都是串行执行，意味着同一时间只能有一个任务得到执行，而前一个任务的延迟或者异常会影响到之后的任务。

如果有一个定时任务在运行时，产生未处理的异常，那么当前这个线程就会停止，那么所有的定时任务都会停止，受到影响。

JDK内置之ScheduleExecutorService

ScheduledExecutorService是基于线程池的实现方式。更多内容和集成可以看：SpringBoot集成定时任务 - ScheduleExecutorService实现方式

简单案例如下

延迟1秒执行一个进程任务。

@SneakyThrows
public static void schedule() {
    ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(1);
    executor.schedule(
            new Runnable() {
                @Override
                @SneakyThrows
                public void run() {
                    log.info("run schedule @ {}", LocalDateTime.now());
                }
            },
            1000,
            TimeUnit.MILLISECONDS);
    // waiting to process(sleep to mock)
    Thread.sleep(10000);

    // stop
    executor.shutdown();
}

输出

21:07:02.047 [pool-1-thread-1] INFO tech.pdai.springboot.schedule.executorservice.ScheduleExecutorServiceDemo - run schedule @ 2022-03-10T21:07:02.046

为什么用ScheduledExecutorService 代替 Timer？

上文我们说到Timer底层是使用一个单线程来实现多个Timer任务处理的，所有任务都是由同一个线程来调度，所有任务都是串行执行，意味着同一时间只能有一个任务得到执行，而前一个任务的延迟或者异常会影响到之后的任务。

如果有一个定时任务在运行时，产生未处理的异常，那么当前这个线程就会停止，那么所有的定时任务都会停止，受到影响。

而ScheduledExecutorService是基于线程池的，可以开启多个线程进行执行多个任务，每个任务开启一个线程；这样任务的延迟和未处理异常就不会影响其它任务的执行了。

Netty之HashedWheelTimer

时间轮(Timing Wheel)是George Varghese和Tony Lauck在1996年的论文'Hashed and Hierarchical Timing Wheels: data structures to efficiently implement a timer facility在新窗口打开'实现的，它在Linux内核中使用广泛，是Linux内核定时器的实现方法和基础之一。

时间轮(Timing Wheel)是一种环形的数据结构，就像一个时钟可以分成很多格子（Tick)，每个格子代表时间的间隔，它指向存储的具体任务（timerTask）的一个链表。

以上述在论文中的图片例子，这里一个轮子包含8个格子（Tick), 每个tick是一秒钟；

任务的添加：如果一个任务要在17秒后执行，那么它需要转2轮，最终加到Tick=1位置的链表中。

任务的执行：在时钟转2Round到Tick=1的位置，开始执行这个位置指向的链表中的这个任务。（# 这里表示剩余需要转几轮再执行这个任务）

Netty的HashedWheelTimer要解决什么问题

在Netty中的一个典型应用场景是判断某个连接是否idle，如果idle（如客户端由于网络原因导致到服务器的心跳无法送达），则服务器会主动断开连接，释放资源。判断连接是否idle是通过定时任务完成的，但是Netty可能维持数百万级别的长连接，对每个连接去定义一个定时任务是不可行的，所以如何提升I/O超时调度的效率呢？

Netty根据时间轮(Timing Wheel)开发了HashedWheelTimer工具类，用来优化I/O超时调度(本质上是延迟任务）；之所以采用时间轮(Timing Wheel)的结构还有一个很重要的原因是I/O超时这种类型的任务对时效性不需要非常精准。

HashedWheelTimer的使用方式

通过构造函数看主要参数

public HashedWheelTimer(
        ThreadFactory threadFactory,
        long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel, boolean leakDetection,
        long maxPendingTimeouts, Executor taskExecutor) {

}

具体参数说明如下：

threadFactory：线程工厂，用于创建工作线程，默认是Executors.defaultThreadFactory()
tickDuration：tick的周期，即多久tick一次
unit: tick周期的单位
ticksPerWheel：时间轮的长度，一圈下来有多少格
leakDetection：是否开启内存泄漏检测，默认是true
maxPendingTimeouts：最多执行的任务数，默认是-1，即不限制。在高并发量情况下才会设置这个参数。

具体案例请看：SpringBoot集成定时任务 - Netty HashedWheelTimer方式

Spring Tasks

Spring提供的schedule任务，更多内容和集成可以看：SpringBoot集成定时任务 - Spring tasks实现方式

具体使用方式如下：

@EnableScheduling
@Configuration
public class ScheduleDemo {

    /**
     * 每隔1分钟执行一次。
     */
    @Scheduled(fixedRate = 1000 * 60 * 1)
    public void runScheduleFixedRate() {
        log.info("runScheduleFixedRate: current DateTime, {}", LocalDateTime.now());
    }

    /**
     * 每个整点小时执行一次。
     */
    @Scheduled(cron = "0 0 */1 * * ?")
    public void runScheduleCron() {
        log.info("runScheduleCron: current DateTime, {}", LocalDateTime.now());
    }

}

@Scheduled所支持的参数：

cron：cron表达式，指定任务在特定时间执行；
fixedDelay：表示上一次任务执行完成后多久再次执行，参数类型为long，单位ms；
fixedDelayString：与fixedDelay含义一样，只是参数类型变为String；
fixedRate：表示按一定的频率执行任务，参数类型为long，单位ms；
fixedRateString: 与fixedRate的含义一样，只是将参数类型变为String；
initialDelay：表示延迟多久再第一次执行任务，参数类型为long，单位ms；
initialDelayString：与initialDelay的含义一样，只是将参数类型变为String；
zone：时区，默认为当前时区，一般没有用到。

Quartz

来源百度百科在新窗口打开, 官网地址：http://www.quartz-scheduler.org/；更多内容和集成可以看：SpringBoot集成定时任务 - 基础quartz实现方式

Quartz是OpenSymphony开源组织在Job scheduling领域又一个开源项目，它可以与J2EE与J2SE应用程序相结合也可以单独使用。Quartz可以用来创建简单或为运行十个，百个，甚至是好几万个Jobs这样复杂的程序。Jobs可以做成标准的Java组件或 EJBs。

它的特点如下

纯java实现，可以作为独立的应用程序，也可以嵌入在另一个独立式应用程序运行
强大的调度功能，Spring默认的调度框架，灵活可配置；
作业持久化，调度环境持久化机制，可以保存并恢复调度现场。系统关闭数据不会丢失；灵活的应用方式，可以任意定义触发器的调度时间表，支持任务和调度各种组合，组件式监听器、各种插件、线程池等功能，多种存储方式等；
分布式和集群能力，可以被实例化，一个Quartz集群中的每个节点作为一个独立的Quartz使用，通过相同的数据库表来感知到另一个Quartz应用

Quartz的体系结构

Job 表示一个工作，要执行的具体内容。
JobDetail 表示一个具体的可执行的调度程序，Job 是这个可执行程调度程序所要执行的内容，另外 JobDetail 还包含了这个任务调度的方案和策略。
Trigger 代表一个调度参数的配置，什么时候去调。
Scheduler 代表一个调度容器，一个调度容器中可以注册多个 JobDetail 和 Trigger。当 Trigger 与 JobDetail 组合，就可以被 Scheduler 容器调度了。

注：上图来源于https://www.cnblogs.com/jijm123/p/14240320.html

分布式任务的方案

常见的分布式任务的方案有：Quartz Cluster，XXL-Job，Elastic-Job等。@pdai: 综合代码质量，License, 维护方，拓展性等，选择的建议：
如果仅是小团队内部自用，可以采用XXL-Job
如果是稍大一点的团队，建议使用ElasticJob或者基于ElasticJob进行二次开发
如果是团队具备自研能力，可以参考后续的章节（分布式任务的技术要点）设计和自研

Quartz Cluster

Quartz 提供的持久化方式，更多内容和集成可以看： SpringBoot集成定时任务 - 分布式quartz cluster方式

为什么要持久化？

当程序突然被中断时，如断电，内存超出时，很有可能造成任务的丢失。可以将调度信息存储到数据库里面，进行持久化，当程序被中断后，再次启动，仍然会保留中断之前的数据，继续执行，而并不是重新开始。

Quartz提供了两种持久化方式

Quartz提供两种基本作业存储类型:

RAMJobStore

在默认情况下Quartz将任务调度的运行信息保存在内存中，这种方法提供了最佳的性能，因为内存中数据访问最快。不足之处是缺乏数据的持久性，当程序路途停止或系统崩溃时，所有运行的信息都会丢失。

JobStoreTX

所有的任务信息都会保存到数据库中，可以控制事物，还有就是如果应用服务器关闭或者重启，任务信息都不会丢失，并且可以恢复因服务器关闭或者重启而导致执行失败的任务。

XXL-Job

XXL-JOB是一个分布式任务调度平台，其核心设计目标是开发迅速、学习简单、轻量级、易扩展。现已开放源代码并接入多家公司线上产品线，开箱即用。实现案例SpringBoot集成定时任务 - 分布式xxl-job方式

如下内容来源于xxl-job官网在新窗口打开; 支持如下特性：

1、简单：支持通过Web页面对任务进行CRUD操作，操作简单，一分钟上手；
2、动态：支持动态修改任务状态、启动/停止任务，以及终止运行中任务，即时生效；
3、调度中心HA（中心式）：调度采用中心式设计，“调度中心”自研调度组件并支持集群部署，可保证调度中心HA；
4、执行器HA（分布式）：任务分布式执行，任务"执行器"支持集群部署，可保证任务执行HA；
5、注册中心: 执行器会周期性自动注册任务, 调度中心将会自动发现注册的任务并触发执行。同时，也支持手动录入执行器地址；
6、弹性扩容缩容：一旦有新执行器机器上线或者下线，下次调度时将会重新分配任务；
7、触发策略：提供丰富的任务触发策略，包括：Cron触发、固定间隔触发、固定延时触发、API（事件）触发、人工触发、父子任务触发；
8、调度过期策略：调度中心错过调度时间的补偿处理策略，包括：忽略、立即补偿触发一次等；
9、阻塞处理策略：调度过于密集执行器来不及处理时的处理策略，策略包括：单机串行（默认）、丢弃后续调度、覆盖之前调度；
10、任务超时控制：支持自定义任务超时时间，任务运行超时将会主动中断任务；
11、任务失败重试：支持自定义任务失败重试次数，当任务失败时将会按照预设的失败重试次数主动进行重试；其中分片任务支持分片粒度的失败重试；
12、任务失败告警；默认提供邮件方式失败告警，同时预留扩展接口，可方便的扩展短信、钉钉等告警方式；
13、路由策略：执行器集群部署时提供丰富的路由策略，包括：第一个、最后一个、轮询、随机、一致性HASH、最不经常使用、最近最久未使用、故障转移、忙碌转移等；
14、分片广播任务：执行器集群部署时，任务路由策略选择"分片广播"情况下，一次任务调度将会广播触发集群中所有执行器执行一次任务，可根据分片参数开发分片任务；
15、动态分片：分片广播任务以执行器为维度进行分片，支持动态扩容执行器集群从而动态增加分片数量，协同进行业务处理；在进行大数据量业务操作时可显著提升任务处理能力和速度。
16、故障转移：任务路由策略选择"故障转移"情况下，如果执行器集群中某一台机器故障，将会自动Failover切换到一台正常的执行器发送调度请求。
17、任务进度监控：支持实时监控任务进度；
18、Rolling实时日志：支持在线查看调度结果，并且支持以Rolling方式实时查看执行器输出的完整的执行日志；
19、GLUE：提供Web IDE，支持在线开发任务逻辑代码，动态发布，实时编译生效，省略部署上线的过程。支持30个版本的历史版本回溯。
20、脚本任务：支持以GLUE模式开发和运行脚本任务，包括Shell、Python、NodeJS、PHP、PowerShell等类型脚本;
21、命令行任务：原生提供通用命令行任务Handler（Bean任务，"CommandJobHandler"）；业务方只需要提供命令行即可；
22、任务依赖：支持配置子任务依赖，当父任务执行结束且执行成功后将会主动触发一次子任务的执行, 多个子任务用逗号分隔；
23、一致性：“调度中心”通过DB锁保证集群分布式调度的一致性, 一次任务调度只会触发一次执行；
24、自定义任务参数：支持在线配置调度任务入参，即时生效；
25、调度线程池：调度系统多线程触发调度运行，确保调度精确执行，不被堵塞；
26、数据加密：调度中心和执行器之间的通讯进行数据加密，提升调度信息安全性；
27、邮件报警：任务失败时支持邮件报警，支持配置多邮件地址群发报警邮件；
28、推送maven中央仓库: 将会把最新稳定版推送到maven中央仓库, 方便用户接入和使用;
29、运行报表：支持实时查看运行数据，如任务数量、调度次数、执行器数量等；以及调度报表，如调度日期分布图，调度成功分布图等；
30、全异步：任务调度流程全异步化设计实现，如异步调度、异步运行、异步回调等，有效对密集调度进行流量削峰，理论上支持任意时长任务的运行；
31、跨语言：调度中心与执行器提供语言无关的 RESTful API 服务，第三方任意语言可据此对接调度中心或者实现执行器。除此之外，还提供了 “多任务模式”和“httpJobHandler”等其他跨语言方案；
32、国际化：调度中心支持国际化设置，提供中文、英文两种可选语言，默认为中文；
33、容器化：提供官方docker镜像，并实时更新推送dockerhub，进一步实现产品开箱即用；
34、线程池隔离：调度线程池进行隔离拆分，慢任务自动降级进入"Slow"线程池，避免耗尽调度线程，提高系统稳定性；
35、用户管理：支持在线管理系统用户，存在管理员、普通用户两种角色；
36、权限控制：执行器维度进行权限控制，管理员拥有全量权限，普通用户需要分配执行器权限后才允许相关操作；

xxl-job的架构设计

设计思想

将调度行为抽象形成“调度中心”公共平台，而平台自身并不承担业务逻辑，“调度中心”负责发起调度请求。

将任务抽象成分散的JobHandler，交由“执行器”统一管理，“执行器”负责接收调度请求并执行对应的JobHandler中业务逻辑。

因此，“调度”和“任务”两部分可以相互解耦，提高系统整体稳定性和扩展性；

系统组成

调度模块（调度中心）
1. 负责管理调度信息，按照调度配置发出调度请求，自身不承担业务代码。调度系统与任务解耦，提高了系统可用性和稳定性，同时调度系统性能不再受限于任务模块；
2. 支持可视化、简单且动态的管理调度信息，包括任务新建，更新，删除，GLUE开发和任务报警等，所有上述操作都会实时生效，同时支持监控调度结果以及执行日志，支持执行器Failover。
执行模块（执行器）：
1. 负责接收调度请求并执行任务逻辑。任务模块专注于任务的执行等操作，开发和维护更加简单和高效；
2. 接收“调度中心”的执行请求、终止请求和日志请求等。

架构图

Elastic-Job

ElasticJob 是面向互联网生态和海量任务的分布式调度解决方案，由两个相互独立的子项目 ElasticJob-Lite 和 ElasticJob-Cloud 组成。它通过弹性调度、资源管控、以及作业治理的功能，打造一个适用于互联网场景的分布式调度解决方案，并通过开放的架构设计，提供多元化的作业生态。它的各个产品使用统一的作业 API，开发者仅需一次开发，即可随意部署。ElasticJob 已于 2020 年 5 月 28 日成为 Apache ShardingSphere 的子项目。

使用 ElasticJob 能够让开发工程师不再担心任务的线性吞吐量提升等非功能需求，使他们能够更加专注于面向业务编码设计；同时，它也能够解放运维工程师，使他们不必再担心任务的可用性和相关管理需求，只通过轻松的增加服务节点即可达到自动化运维的目的。

ElasticJob-Lite: 定位为轻量级无中心化解决方案，使用 jar 的形式提供分布式任务的协调服务。

Elasticjob-lite的案例- SpringBoot集成定时任务 - 分布式Elasticjob-lite方式

ElasticJob-Cloud：采用自研 Mesos Framework 的解决方案，额外提供资源治理、应用分发以及进程隔离等功能。

ElasticJob-Lite和ElasticJob-Cloud的区别

	ElasticJob-Lite	ElasticJob-Cloud
无中心化	是	否
资源分配	不支持	支持
作业模式	常驻	常驻 + 瞬时
部署依赖	ZooKeeper	ZooKeeper + Mesos

分布式任务的技术要点

站在设计一个分布式任务的中间件的角度看，会需要考虑（结合上述中间件的功能看）哪些功能设计呢？ @pdai

基础功能

从基础功能看，主要包括Job类型支持，Job生命周期管理，Job异常处理，接口，拓展性和UI等。

Job类型支持
- 常规内置类型
  - Simple
  - Dataflow
  - Script
  - Http
- 其它语言任务的支持
  - Script
  - py
  - nodejs
  - php
- 特殊任务的支持
  - 有依赖性的Job，比如有向无环图(DAG)
- 用户拓展的任务
  - 通过接口拓展自定任务
Job生命周期管理
- Add/Remove
- Pause/Resume
- Disable/Enable
- Shutdown
Job异常处理策略
- LogJobErrorHandler
- ThrowJobErrorHandler
- IgnoreJobErrorHandler
- Message
  - EmailJobErrorHandler
  - WechatJobErrorHandler
  - DingtalkJobErrorHandler
接口，拓展性和UI
- 拓展性和API
  - 作业 API
  - 资源 API
  - 监控诊断 API
  - 作业监听 API
- UI可视化管理
  - 作业管控端
  - 作业执行历史数据追踪he
  - 注册中心管理

高性能和分布式

从性能和分布式的角度看，主要包括：线程池，分片，Transient Job（分如下具体项），注册中心等

线程池
分片策略
- AverageAllocationJobShardingStrategy
- OdevitySortByNameJobShardingStrategy
- RotateServerByNameJobShardingStrategy
Transient Job
- 高可用性(HA)
- 可拓展性(Scale)
  - 支持任务在分布式场景下的分片和高可用
  - 能够水平扩展任务的吞吐量和执行效率
  - 任务处理能力随资源配备弹性伸缩
- 故障转移(Failover)
- 错过作业(Misfire)重新执行
- 幂等(Idempotency)
注册中心
- ZooKeeper

生态构建

从生态构建角度看，主要包括开发拓展接口，三方和平台集成，文档国际化，社区建设等。

拓展和接口
- RestAPI
- SPI
三方和平台集成
- Spring
- SpringBoot starter
- 日志：与消息平台对接 - ELK
- 报警: 与消息平台对接 - Webchat, DingTalk, Email...
- 监控：与监控平台对接
文档国际化
社区建设

参考文章

https://shardingsphere.apache.org/elasticjob/current/cn/overview/

常用搜索	百度 Google Bing Github 搜代码
技术社区	CSDN 博客园 OSChina 知否掘金 Linux公社 IBM 开发者 StackOverflow
Java相关	面向对象基础语法基础集合框架并发基础并发关键字 JUC并发框架 IO框架 Java8 特性 JVM基础调试排错更多资源
算法相关	数组与线性表树详解图详解内部排序算法思想安全算法大数据处理分布式算法负载均衡算法推荐算法头脑风暴
数据库相关	数据库原理 SQL语言 MySQL相关 MongoDB ElasticSearch
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方法论	SOLID CAP BASE 开源协议代码规范设计模式
产品和团队	产品相关团队相关其它分享

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# 定时任务和分布式任务介绍

# 定时任务应用场景

# 定时任务的基础

# 单体应用定时任务的演化

# cron+脚本定时任务

# JDK内置之Timer

# JDK内置之ScheduleExecutorService

# Netty之HashedWheelTimer

# Spring Tasks

# Quartz

# 分布式任务的方案

# Quartz Cluster

# XXL-Job

# xxl-job的架构设计

# 设计思想

# 系统组成

# 架构图

# Elastic-Job

# 分布式任务的技术要点

# 基础功能

# 高性能和分布式

# 生态构建

# 参考文章