cassandra 并发技术介绍

摘要

本文主要介绍cassandra线程技术，cassandra的实现是基于java的，所以线程技术使用的也是jdk包提供的线程类。cassandra是分布式数据库，整个并发架构是基于阶段事件驱动架构(staged envent-driven architecture)它能够利用queue将复杂的事件驱动分解为各个阶段。

一.java并发

Executor 框架

http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/Executor.html

我们可以通过集成Thread类，实现Runnable接口等方法创建多线程。java concurrent包提供了一种更加灵活的实现方式。

public interface Executor{
    void execute(Runnable command);
}

Executor将任务的提交过程与执行过程分离开来，直接使用Runnable表示任务。基于生产者-消费者模式，提交任务的操作就是生产者，执行任务的线程相当于消费者。

ExecutorService 提供生命周期管理

ExecutorService 继承了Executor 接口，提供了生命周期的管理，ExecutorService 有三种状态

运行，关闭，终止。

public interface ExecutorService extends Executor {

void shutdown();
List<Runnable> shutdownNow();
boolean isShutdown();
boolean isTerminated();
boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException;
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
    throws InterruptedException;
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                              long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException;
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
    throws InterruptedException, ExecutionException;

<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

Executor是以异步方式来执行task，所以在某个时刻，有任务还没有完成，有些任务还在队列中等待。shutdown方法提供的是平缓关闭，将已经启动的任务完成，不接受新的任务。shutdownNow 则是强制关闭所有任务。

Future提供带返回结果的任务

Executor 不提供返回结果，所以需要有带返回结果的Future

public interface Future<V> {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

在上面的ExecutorService 的submit方法中我们可以看到需要Future类，这样Executor就可以根据返回的Future 来获得任务的执行结果或者取消任务。Future 的get方法就是用来获取任务执行情况，如果任务已经完成，就会立即返回或者抛出异常，如果没有完成就会block住，等待任务完成。

http://www.javaworld.com/article/2078809/java-concurrency/java-concurrency-java-101-the-next-generation-java-concurrency-without-the-pain-part-1.html?page=2

二.SEDA架构

SEDA 架构是有加州大学伯克利分校的Matt Welsh, David Culler, and Eric Brewer首先提出来的。

(原论文请访问):http://www.eecs.harvard.edu/~mdw/papers/seda-sosp01.pdf

SEDA架构将应用分为不同的阶段。每个阶段都是独立构建，独自负责资源管理，并有一个与之关联的事件队列。各个阶段通过队列联系。SEDA使用动态资源阈值来控制资源管理使得系统能够适应过载的情况。

三.Cassandra线程技术

cassandra 阶段有单线程和多线程两种，可以通过 nodetool tpstats 查看各阶段的信息。也可以通过JMX 暴露出来的metrics来监控。

cassandra 各阶段的健康状况，来判断集群的瓶颈及问题所在。属性主要有以下五种

MBean	tpstats	意义
ActiveCount	Active	线程正在处理的tasks数目
PendingTasks	Pending	queue 里面等待线程的tasks 数目
CompletedTasks	Completed	已经完成的tasks 数目
CurrentlyBlockedTasks	Blocked	当线程池中的thread都分配了，queue中的pending task也到了设置的最大值。再进来的task就会被block住
TotalBlockedTasks	All time blocked	已经block的tasks 总和

一般正常的系统不会出现block tasks。出现了block，通常系统就要出问题。运维人员需要采取相关措施了。cassandra的multi-thread pool 线程数默认值是32。

cassandra 单线程阶段

阶段名	作用
AntiEntropyStage	创建merkle tree,修复数据一致性问题
CommitLogArchiver	备份或者还原commit log
GossipStage	节点之间gossip 通信
MigrationStage	数据表 schema 改变
MiscStage	节点完全移除后对数据进行snapshot和复制
MemtablePostFlusher	mebtable 被flush到disk后，删除对应的commitlog,flush secondary indexes
Tracing	查询 trace

cassandra 多线程阶段

阶段名	作用
FlushWriter	将memtables flush到disk
HintedHandoff	将down掉的节点的metations发送到down掉节点
InternalResponseStage	非client端发送的request响应，节点内部消息应答如bootstrap
MemoryMeter	计算内存使用情况以及memtable大小
MutationStage	执行本地的 insert/update
ReadStage	执行本地read
ReadRepairStage	执行read repair 操作
ReplicateOnWriteStage	在非coordinator节点上执行counter 写，当完成本地写后进行复制
RequestResponseStage	请求回复

可以在org.apache.cassandra.concurrent.StageManager类中看到这些Stage的定义

四.从阶段的角度拆分写操作

在这篇文章有简单提到过cassandra的写过程http://blog.csdn.net/fs1360472174/article/details/51174487

写操作主要涉及到的Stage有MutationStage,FlushWriter,MemtablePostFlusher,CounterMutation,

MigrationStage

细节将会在另一篇文章中详述

对cassandra感兴趣的童鞋可以参入群(104822562)一起学习探讨

五.参考

http://blog.csdn.net/lxlzhn/article/details/8163380

https://wiki.apache.org/cassandra/ArchitectureInternals