nsq源码阅读笔记之nsqd——Topic

Posted 2020-10-04 张伯雨

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了nsq源码阅读笔记之nsqd——Topic相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

与Topic相关的代码主要位于nsqd/nsqd.go, nsqd/topic.go中。

Topic的获取

Topic通过GetTopic函数获取

GetTopic函数用于获取topic对象，首先先尝试从topicMap表中获取，如果指定的topic存在，则直接返回topic对象。

当topic不存在时需要新建一个topic，加入到topicMap中，
如果启用了nsqlookupd则需要从lookupd中获取该topic的所有channel，在去除#ephemeral结尾的临时channel后加入到topic中。

其中锁的使用值得学习：在调用完nsqd的变量后转而进行topic操作，这时候程序转而使用topic的小粒度的锁，释放了nsqd全局的大粒度锁，
在保证线程安全的同时减少了效率上的损失。

在创建新的topic后需要向channelUpdateChan发送消息来更新topic中的channel，而channelUpdateChan是一个阻塞的go channel,
所以此处使用了select，并同时监听了exitChan。如果此时exitChan收到信号则可以正常退出select。
如果没有case <-t.exitChan这句话，
则可能接收channelUpdateChan的go channel已经退出，但是发送端却还在阻塞中。当然，可以通过退出主go channel来结束程序，
但这样做可能造成部分析构的代码没有得到执行，而且在部分场景下，
只是程序的一个go channel结束运行（在nsqd的这个例子中是topic被删除）而非整个程序退出。
为了避免这个问题，nsqd许多向go channal发送消息的地方都使用了这种机制。

以下是这种机制的一个示例，
可以通过The Go Playground来运行:

运行程序，得到以下运行结果：

Task1和Task2是两个生产者，它们都向workerChan发送消息，其中Task2立即发送，Task1有一定延时，workerChan是一个阻塞的go channel。
同时，有一个go channel发送结束信号（关闭exitChan）。随后开启消费者，接收workerChan的消息，
Task1和Task2的区别是Task2在select中多了一个对exitChan的监听。

从结果可以看出，当exitChan被关闭时，Task2结束对workerChan的阻塞，取消了像worker发送信号，同时结束了自身。
而没有监听exitChan的Task1依然在阻塞，直到被读取后才退出。

示例说明了可以通过对exitChan的使用来结束对阻塞go channel的等待。需要说明的是，在真实场景中，
消费者在发出结束的意图后可能并不会去处理尚未被处理的消息，所以像示例中的Task1是无法正常结束的。

Topic的创建

当GetTopic未在已存在的topic中找到指定topic时，就会使用NewTopic函数新建一个Topic对象。
Topic和NewTopic都位于nsqd/topic.go中。

NewTopic函数首先创建了一个Topic结构，然后判断该topic是不是一个临时topic。topic中有个名为backend的变量，
其类型为Backend接口。对于临时topic，
消息只储存在内存中，因此backend变量使用newDummyBackendQueue函数初始化。该函数生成一个无任何功能的dummyBackendQueue结构；
对于永久的topic，backend使用newDiskQueue函数返回diskQueue类型赋值，并开启新的goroutine来进行数据的持久化。
dummyBackendQueue和diskQueue都实现了Backend接口，因此，在之后可以使用backend统一处理。

随后，NewTopic函数开启一个新的goroutine来执行messagePump函数，该函数负责消息循环，将进入topic中的消息投递到channel中。

最后，NewTopic函数执行t.ctx.nsqd.Notify(t)，该函数在topic和channel创建、停止的时候调用，
Notify函数通过执行PersistMetadata函数，将topic和channel的信息写到文件中。

在Notify函数的实现时，首先考虑了数据持久化的时机，如果当前nsqd尚在初始化，则不需要立即持久化数据，因为nsqd在初始化后会进行一次统一的持久化工作，

Notify在进行数据持久化的时候采用了异步的方式。使得topic和channel能以同步的方式来调用Nofity而不阻塞。在异步运行的过程中，
通过waitGroup和监听exitChan的使用保证了结束程序时goroutine能正常退出。

在执行持久化之前，case n.notifyChan <- v:语句向notifyChan传递消息，触发lookupLoop函数（nsqd/lookup.go中）接收notifyChan消息的部分，
从而实现向loopupd注册/取消注册响应的topic或channel。

消息进入topic

客户端通过nsqd的HTTP API或TCP API向特定topic发送消息，nsqd的HTTP或TCP模块通过调用对应topic的PutMessage或PutMessages函数，
将消息投递到topic中。PutMessage或PutMessages函数都通过topic的私有函数put进行消息的投递，两个函数的区别仅在PutMessage只调用一次put，
PutMessages遍历所有要投递的消息，对每条消息使用put函数进行投递。

带缓冲的Go channel的特性

put函数使用了一个带缓冲的go channel的特性：如果case里的go channel阻塞了，那么就会跳过该case语句，执行default分支。即，如果当前memoryMsgChan还有足够缓冲空间，
则消息被投入memoryMsgChan，如果当前memoryMsgChan的缓冲区已满，则将执行default分支，从而将消息保存到backend中。

对于临时topic，由于backend不进行任何操作，这就意味着消息在内存的缓存满了之后会被直接丢弃，对于永久的channel，则backend会将该消息持久化到磁盘的文件中。

put函数使用了Golang的channel特性，大大简化了实现这个逻辑的代码量，以下通过一个简单的示例看看Golang的带缓冲的channel的这一特性，
示例可以通过The Golang Playground运行：

运行结果如下：

示例程序中有3个go channel，workerChan和worker2Chan用于处理消息，exitChan用于程序的退出。
当消费者go channel启动后，启动一个生产者go channel向workerChan连续发送3个消息，
time.After模拟了消费者在处理workerChan的消息时出现的延迟，而workerChan的缓冲区只有3，
因此当消费者向workerChan发送第4个消息的时候会被阻塞，从运行结果看，没有消息被投向worker2Chan，
程序在遇到阻塞时进入了default分支，打印出Channel queue full。特定场景下合理使用这一特性能够大幅减少程序的复杂度。

`put`函数对消息的持久化

以上部分来自函数的default分支，用于将消息持久化到磁盘文件中，过程如下：

通过bufferPoolGet函数从buffer池中获取一个buffer，bufferPoolGet及以下bufferPoolPut函数是对sync.Pool的简单包装。
两个函数位于nsqd/buffer_pool.go中。
调用writeMessageToBackend函数将消息写入磁盘。
通过bufferPoolPut函数将buffer归还buffer池。
调用SetHealth函数将writeMessageToBackend的返回值写入errValue变量。
该变量衍生出IsHealthy，GetError和GetHealth3个函数，主要用于测试以及从HTTP API获取nsqd的运行情况（是否发生错误）

其中writeMessageToBackend函数重新初始化缓存，将Message类型的消息序列化到缓存中，最后将缓存写入backend

Topic消息循环

messagePump函数负责Topic的消息循环，该函数在创建新的topic时通过waitGroup在新的goroutine中运行。

messagePump函数初始化时先获取当前存在的channel数组，设置memoryMsgChan和backendChan，随后进入消息循环，
在循环中主要处理四种消息：

接收来自memoryMsgChan和backendChan两个go channel进入的消息，并向当前的channal数组中的channel进行投递
处理当前topic下channel的更新
处理当前topic的暂停和恢复
监听当前topic的删除

消息投递

这两个case语句处理进入topic的消息，关于两个go channel的区别会在后续的博客中分析。
从memoryMsgChanbackendChan读取到的消息是*Message类型，而从backendChan读取到的消息是byte数组的。
因此取出backendChan的消息后海需要调用decodeMessage函数对byte数组进行解码，返回*Message类型的消息。
二者都保存在msg变量中。

随后是将消息投到每个channel中，首先先对消息进行复制操作，这里有个优化，对于第一次循环，
直接使用原消息进行发送以减少复制对象的开销，此后的循环将对消息进行复制。对于即时的消息，
直接调用channel的PutMessage函数进行投递，对于延迟的消息，
调用channel的StartDeferredTimeout函数进行投递。对于这两个函数的投递细节，后续博文中会详细分析。

Topic下Channel的更新

Channel的更新比较简单，从channelMap中取出每个channel，构成channel的数组以便后续进行消息的投递。
并且根据当前是否有channel以及该topic是否处于暂停状态来决定memoryMsgChan和backendChan是否为空。

Topic的暂停和恢复

这个case既处理topic的暂停也处理topic的恢复，pause变量决定其究竟是哪一种操作。
Topic的暂停和恢复其实和topic的更新很像，根据是否暂停以及是否有channel来决定是否分配memoryMsgChan和backendChan。

`messagePump`函数的退出

messagePump通过监听exitChan来获知topic是否被删除，当topic的删除时，跳转到函数的最后，输出日志后退出消息循环。

Topic的关闭和删除

Topic关闭和删除的实现都是调用exit函数，只是传递的参数不同，删除时调用exit(true)，关闭时调用exit(false)。
exit函数进入时通过atomic.CompareAndSwapInt32函数判断当前是否正在退出，如果不是，则设置退出标记，对于已经在退出的topic，不再重复执行退出函数。
接着对于关闭操作，使用Notify函数通知lookupd以便其他nsqd获知该消息。

随后，exit函数调用close(t.exitChan)和t.waitGroup.Wait()通知其他正在运行goroutine当前topic已经停止，并等待waitGroup中的goroutine结束运行。

最后，对于删除和关闭两种操作，执行不同的逻辑来完成最后的清理工作：

对于删除操作，需要清空channelMap并删除所有channel，然后删除内存和磁盘中所有未投递的消息。最后关闭backend管理的的磁盘文件。
对于关闭操作，不清空channelMap，只是关闭所有的channel，使用flush函数将所有memoryMsgChan中未投递的消息用writeMessageToBackend保存到磁盘中。最后关闭backend管理的的磁盘文件。

flush函数也使用到了default分支来检测是否已经处理完全部消息。
由于此时已经没有生产者向memoryMsgChan提供消息，因此如果出现阻塞就表示消息已经处理完毕。

在删除topic时用到的Empty函数跟flush处理逻辑类似，只不过Empty只释放memoryMsgChan消息，而不保存它们。

其他函数

`Depth`函数

Depth函数用于获取当前topic尚未投递的消息数，是memoryMsgChan缓冲区的长度加上backend里消息的个数。

`Pause`和`UnPause`函数

对于很多相似的处理逻辑，nsqd在对外使用不同的函数，但在内部实现上通常把它们合并为一个函数来处理，只是传递的参数不同而已，
比如前面提到的Close和Delete。Pause和UnPause同样也使用这种方式，通过传递不同的参数调用doPause函数来执行不同操作。
doPause设置paused标志并向pauseChan发送消息，随后由messagePump在消息循环中暂停topic。