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鏈路追蹤 SkyWalking 原始碼分析 —— Collector Storage 儲存元件

2019-05-24 分類：後端 閱讀(2776) 評論(0)

摘要: 原創出處 http://www.iocoder.cn/SkyWalking/collector-storage-module/ 「芋道原始碼」歡迎轉載，保留摘要，謝謝！

本文主要基於 SkyWalking 3.2.6 正式版

  • 1. 概述
  • 2. apm-collector-core
  • 3. collector-storage-define
  • 4. collector-storage-h2-provider
  • 5. collector-storage-es-provider

1. 概述

本文主要分享 SkyWalking Collector Storage 儲存元件。顧名思義，負責將呼叫鏈路、應用、應用實體等等資訊儲存到儲存器，例如，ES 、H2 。

友情提示：建議先閱讀 《SkyWalking 原始碼分析 —— Collector 初始化》 ，以瞭解 Collector 元件體系。

FROM https://github.com/apache/incubating-skywalking

下麵我們來看看整體的專案結構，如下圖所示 ：

  • apm-collector-core 的 data 和 define 包 ：資料的抽象。
  • collector-storage-define ：定義儲存元件介面。
  • collector-storage-h2-provider ：基於 H2 的 儲存元件實現。該實現是單機版，建議僅用於 SkyWalking 快速上手，生產環境不建議使用。
  • collector-storage-es-provider ：基於 Elasticsearch 的叢集管理實現。生產環境推薦使用。

下麵，我們從介面到實現的順序進行分享。

2. apm-collector-core

apm-collector-core 的 data 和 define 包，如下圖所示：

我們對類進行梳理分類，如下圖：

  • Table ：Data 和 TableDefine 之間的橋梁，每個 Table 定義了該表的表名，欄位名們。
  • TableDefine ：Table 的詳細定義，包括表名，欄位定義( ColumnDefine )們。在下文中，StorageInstaller 會基於 TableDefine 初始化表的相關資訊。
  • Data ：資料，包括一條資料的資料值們和資料欄位( Column )們。在下文中，Dao 會儲存 Data 到儲存器中。另外，在 《SkyWalking 原始碼分析 —— Collector Streaming Computing 流式處理（一）》 中，我們也會看到對 Data 的流式處理通用封裝。

2.1 Table

org.skywalking.apm.collector.core.data.CommonTable ，通用表。

  • `TABLE_TYPE` 靜態屬性，表型別。目前只有 ES 儲存元件使用到，下文詳細解析。
  • `COLUMN_` 字首的靜態屬性，通用的欄位名。

在 collector-storage-define 的 table 包下，我們可以看到所有 Table 類，以 "Table" 結尾。每個 Table 的表名，在每個實現類裡，例如 ApplicationTable 。

2.2 TableDefine

org.skywalking.apm.collector.core.data.TableDefine ，表定義抽象類。

  • `name` 屬性，表名。
  • `columnDefines` 屬性，ColumnDefine陣列。
  • `#initialize()` 抽象方法，初始化表定義。例如：ApplicationEsTableDefine 。

不同的儲存元件實現，有不同的 TableDefine 實現類，如下圖：

  • ElasticSearchTableDefine ：基於 Elasticsearch 的表定義抽象類，在 collector-storage-es-provider 的 define 包下，我們可以看到所有 ES 的 TableDefine 類。

  • H2TableDefine ：基於 H2 的表定義抽象類，在 collector-storage-h2-provider 的 `define` 包下，我們可以看到所有 H2 的 TableDefine 類。

2.2.1 ColumnDefine

org.skywalking.apm.collector.core.data.ColumnDefine ，欄位定義抽象類。

  • `name` 屬性，欄位名。
  • `type` 屬性，欄位型別。

在 collector-storage-xxx-provider 模組中，H2ColumnDefine 、ElasticSearchColumnDefine 實現 ColumnDefine 。

2.2.2 Loader

涉及到的類如下圖所示：

org.skywalking.apm.collector.core.data.StorageDefineLoader ，呼叫 org.skywalking.apm.collector.core.define.DefinitionLoader ，從 org.skywalking.apm.collector.core.data.StorageDefinitionFile 中，載入 TableDefine 實現類陣列。

另外，在 collector-storage-es-provider 和 collector-storage-h2-provider 裡都有 storage.define 檔案，如下圖：

  • StorageDefinitionFile 宣告了讀取該檔案。
  • 註意，DefinitionLoader 在載入時，兩個檔案都會被讀取，最終在 StorageInstaller#defineFilter(List) 方法，進行過濾。

程式碼比較簡單，中文註釋已加，胖友自己閱讀理解下。

2.3 Data

org.skywalking.apm.collector.core.data.Data ，資料抽象類。

  • [dataXXX]() 字首的屬性，欄位值們。
    • `dataStrings` 屬性的第一位，是 ID 屬性。參見 構造方法的【第 51 行】 或者 `#setId(id)` 方法。
  • [xxxColumns]() 字尾的屬性，欄位( Column )們。
  • 透過上述兩種屬性 + 自身類，可以確定一條資料記錄的表、欄位型別、欄位名、欄位值。
  • 繼承 `org.skywalking.apm.collector.core.data.EndOfBatchQueueMessage` ，帶是否訊息批處理的最後一條標記的訊息抽象類，`endOfBatch` 屬性，在 《SkyWalking 原始碼分析 —— Collector Streaming Computing 流式處理（二）》「3. AggregationWorker」 詳細解析。
    • 繼承 `org.skywalking.apm.collector.core.data.AbstractHashMessage` ，帶雜湊碼的訊息抽象類，`hashCode` 屬性，在 《SkyWalking 原始碼分析 —— Collector Streaming Computing 流式處理（二）》「3. AggregationWorker」 詳細解析。
  • `#mergeData(Data)` 方法，合併傳入的資料到自身。該方法被 `AggregationWorker#aggregate(message)` 呼叫，在 《SkyWalking 原始碼分析 —— Collector Streaming Computing 流式處理（二）》「3. AggregationWorker」 詳細解析。

在 collector-storage-define 的 table 包下，我們可以看到所有 Data 類，非 "Table" 結尾，例如 Application 。

2.3.1 Column

org.skywalking.apm.collector.core.data.Column ，欄位。

  • `name` 屬性，欄位名。
  • `operation` 屬性，操作( Operation )。

2.3.2 Operation

org.skywalking.apm.collector.core.data.Operation ，操作介面。用於兩個值之間的操作，例如，相加等等。目前實現類有：

  • AddOperation ：值相加操作。
  • CoverOperation ：值改寫操作，即以新值為傳回。
  • NonOperation ：空操作，即以老值為傳回。

3. collector-storage-define

collector-cluster-define ：定義儲存元件介面。專案結構如下 ：

3.1 StorageModule

org.skywalking.apm.collector.storage.StorageModule ，實現 Module 抽象類，叢集管理 Module 。

#name() 實現方法，傳回模組名為 "storage" 。

#services() 實現方法，傳回 Service 類名：在 org.skywalking.apm.collector.storage.dao 包下的所有類 和 IBatchDAO。

3.2 table 包

在 org.skywalking.apm.collector.storage.table 包下，定義了儲存模組所有的 Table 和 Data 實現類。

3.3 StorageInstaller

org.skywalking.apm.collector.storage.StorageInstaller ，儲存安裝器抽象類，基於 TableDefine ，初始化儲存元件的表。

  • `#defineFilter(List)` 抽象方法，過濾 TableDefine 陣列中，非自身需要的。例如說，ElasticSearchStorageInstaller 過濾後，只保留 ElasticSearchTableDefine 物件。
  • `#isExists(Client, TableDefine)` 抽象方法，判斷表是否存在。
  • `#deleteTable(Client, TableDefine)` 抽象方法，刪除表。
  • `#createTable(Client, TableDefine)` 抽象方法，建立表。
  • `#install(Client)` 方法，基於 TableDefine ，初始化儲存元件的表。
    • 該方法會被 StorageModuleH2Provider 或 StorageModuleEsProvider 啟動時呼叫。

3.4 dao 包

在 collector-storage-define 專案結構圖，我們看到一共有兩個 bao 包：

  • org.skywalking.apm.collector.storage.base.dao ，系統的 DAO 介面。
  • org.skywalking.apm.collector.storage.dao ，業務的 DAO 介面。
    • 繼承系統的 DAO 介面。
    • 被 `collector-storage-xxx-provider` 的 `dao` 包實現。

3.4.1 系統 DAO

org.skywalking.apm.collector.storage.base.dao.DAO ，繼承 Service 介面，DAO 介面。

無任何方法。

3.4.1.1 AbstractDAO

org.skywalking.apm.collector.storage.base.dao.AbstractDAO ，實現 DAO 介面，DAO 抽象基類。

  • `client` 屬性，資料操作客戶端。例如，H2Client 、ElasticSearchClient 。

在 collector-storage-xxx-provider 模組中，H2DAO 、EsDAO 實現 AbstractDAO 。

3.4.1.2 IPersistenceDAO

org.skywalking.apm.collector.storage.base.dao.IPersistenceDAO ，實現 DAO 介面，持久化 DAO 介面，定義了 Data 的增刪改查操作。

  • `#get(id)` 介面方法，根據 ID 查詢一條 Data 。
  • `#deleteHistory(startTimestamp, endTimestamp)` 介面方法，刪除時間範圍內的 Data 們。
  • `#prepareBatchInsert(data)` 介面方法，準備批次插入操作物件。例如：`CpuMetricEsPersistenceDAO#prepareBatchInsert(CpuMetric)` 方法，傳回的是 org.elasticsearch.action.index.IndexRequestBuilder 物件。註意：
    • 該方法不會發起具體的 DAO 操作，僅僅是建立插入操作物件，最終的執行在 `IBatchDAO#batchPersistence(List)`。
    • 該方法建立的是批次插入操作物件們中的一個。
  • `#prepareBatchUpdate(data)` 介面方法，準備批次更新操作物件。類似 #prepareBatchInsert(data)方法。

3.4.1.3 IBatchDAO

org.skywalking.apm.collector.storage.base.dao.IBatchDAO ，實現 DAO 介面，批次操作 DAO 介面。

  • `#batchPersistence(List batchCollection)` 介面方法，透過執行批次操作物件陣列，實現批次持久化資料。
    • `batchCollection` 方法引數，透過 `IPersistenceDAO#prepareBatchInsert` 或 `IPersistenceDAO#prepareBatchUpdate` 方法，生成每個運算元組元素。
    • 該方法會被 `PersistenceTimer#extractDataAndSave(…)` 或 `PersistenceWorker#onWork(…)` 方法呼叫，在 《SkyWalking 原始碼分析 —— Collector Streaming Computing 流式處理（二）》「4. PersistenceWorker」 詳細解析。

在 collector-storage-xxx-provider 模組中，BatchH2DAO 、BatchEsDAO 實現 IBatchDAO 。

3.4.2 業務 DAO

在 StorageModule#services() 方法裡，我們可以看到，業務 DAO 按照用途可以拆分成四種：

  • Cache ：快取應用、應用實體、服務名
  • Register ：註冊應用、應用實體、服務名
  • Persistence ：持久化，實際可以理解成批次持久化
  • UI ：SkyWaling UI 查詢使用。

那麼整理如下：

Package Data Cache / Register Persistence UI 關聯文章
register Application √
register Instance √ √ √
register ServiceName √
jvm CpuMetric √ √
jvm CMetric √ √
jvm MemoryMetric √ √
jvm MemoryPoolMetric √ √
global GlobalTrace √ √
instance InstPerformance √ √
node NodeComponent √ √
node NodeMapping √ √
noderef NodeReference √ √
segment SegmentCost √ √
segment Segment √ √
service ServiceEntry √ √
serviceref ServiceReference √ √

4. collector-storage-h2-provider

collector-storage-h2-provider ，基於 H2 的儲存元件實現。專案結構如下 ：

該實現是單機版，建議僅用於 SkyWalking 快速上手，生產環境不建議使用。

由於生產環境主要使用 ES 的儲存元件實現，所以本文暫不解析相關實現，感興趣的胖友自己嗨起來。

5. collector-storage-es-provider

collector-storage-es-provider ，基於 ES 的儲存元件實現。專案結構如下 ：

實際使用時，透過 application.yml 配置如下：

JSON storage: elasticsearch: cluster_name: elasticsearch cluster_transport_sniffer: true cluster_nodes: 127.0.0.1:9300 index_shards_number: 2 index_replicas_number: 0 ttl: 7

  • 生產環境下，推薦 Elasticsearch 配置成叢集。
  • cluster_name 、cluster_transport_sniffer 、cluster_nodes 、index_shards_number 、index_replicas_number 引數，Elasticsearch 相關引數。
  • ttl ：保留 N 天內的資料。超過 N 天的資料，將被自動滾動刪除。
    • 該功能目前版本暫未釋出，需要等到 5.0 版本後。
  • 《部署叢集collector》

5.1 StorageModuleEsProvider

org.skywalking.apm.collector.storage.es.StorageModuleEsProvider ，實現 ModuleProvider抽象類，基於 ES 的儲存元件服務提供者。

#name() 實現方法，傳回元件服務提供者名為 "elasticsearch" 。

module() 實現方法，傳回元件類為 StorageModule 。

#requiredModules() 實現方法，傳回依賴元件為 "cluster" 。

#prepare(Properties) 實現方法，執行準備階段邏輯。

  • 第 71 至 75 行 ：建立 `org.skywalking.apm.collector.client.elasticsearch.ElasticSearchClient` 物件。
  • 第 77 至 82 行 ：建立 DAO 物件們，並呼叫 #registerServiceImplementation() 父類方法，註冊到 services 。

#start() 實現方法，執行啟動階段邏輯。

  • 第 90 行 ：呼叫 ElasticSearchClient#initialize() 方法，初始化 ZookeeperClient 。
  • 第 93 至 94 行 ：建立 ElasticSearchStorageInstaller 物件，初始化儲存元件的表。在 「5.2.4 ElasticSearchStorageInstaller」 詳細解析。
  • 第 100 至 102 行 ：建立 `org.skywalking.apm.collector.storage.es.StorageModuleEsRegistration` 物件，並註冊資訊到叢集管理。在 《SkyWalking 原始碼分析 —— Collector Cluster 叢集管理》 有詳細解析。
  • 第 105 至 107 行 ：建立 `org.skywalking.apm.collector.storage.es.StorageModuleEsNamingListener`物件，並註冊資訊到叢集管理。在 《SkyWalking 原始碼分析 —— Collector Cluster 叢集管理》 有詳細解析。
  • 第 110 至 111 行 ：建立 DataTTLKeeperTimer 物件。在 「5.4 DataTTLKeeperTimer」 詳細解析。

#notifyAfterCompleted() 實現方法，執行啟動完成邏輯。

  • 第 115 行 ：呼叫 DataTTLKeeperTimer#start() 方法，啟動 DataTTLKeeperTimer 。在本文 「5.4 DataTTLKeeperTimer」 詳細解析。

5.2 define 包

在 collector-storage-es-provider 專案結構圖，我們看到一共有兩個 define 包：

  • org.skywalking.apm.collector.storage.es.base.define ，系統的 TableDefine 抽象類。
  • org.skywalking.apm.collector.storage.es.define ，業務的 TableDefine 實現類。
    • 繼承系統的 TableDefine 抽象類。

5.2.1 ElasticSearchTableDefine

org.skywalking.apm.collector.storage.es.base.define.ElasticSearchTableDefine ，實現 TableDefine 介面，基於 Elasticsearch 的表定義抽象類。

  • `#type()` 方法，檔案元資料 _type 欄位，參見 《Elasticsearch學習筆記》「_type」 。
  • `#refreshInterval()` 抽象方法，檔案索引掃清頻率，參見 《Elasticsearch: 權威指南 » 基礎入門 » 分片內部原理 » 近實時搜尋》「refresh API」。

5.2.2 ElasticSearchColumnDefine

org.skywalking.apm.collector.storage.es.base.define.ElasticSearchColumnDefine ，實現 ColumnDefine 抽象類，基於 ES 的欄位定義。

  • Type 列舉類：列舉 ES 欄位型別。

5.2.3 業務 TableDefine 實現類

在 org.apache.skywalking.apm.collector.storage.es.define 包裡，我們可以看到，所有基於 ES 的業務 TableDefine 實現類。例如：ApplicationEsTableDefine 。

整體 #refreshInterval() 方法傳回的結果如下：

  • 1 s
    • CpuMetricEsTableDefine
    • GCMetricEsTableDefine
    • MemoryMetricEsTableDefine
    • MemoryPoolMetricEsTableDefine
  • 2 s
    • InstPerformanceEsTableDefine
    • NodeComponentEsTableDefine
    • NodeMappingEsTableDefine
    • NodeReferenceEsTableDefine
    • ServiceEntryEsTableDefine
    • ServiceReferenceEsTableDefine
  • 2 s && WriteRequest.RefreshPolicy.IMMEDIATE
    • 【WriteRequest.RefreshPolicy.IMMEDIATE】參見 `ApplicationEsRegisterDAO#save(Application)` 方法
    • ApplicationEsTableDefine
    • InstanceEsTableDefine
    • ServiceNameEsTableDefine
  • 5 s
    • GlobalTraceEsTableDefine
    • SegmentCostEsTableDefine
  • 10 s
    • SegmentEsTableDefine

5.2.4 ElasticSearchStorageInstaller

友情提示：ElasticSearchStorageInstaller 主要是對 Elasticsearch Java API 的使用，所以不熟悉的胖友，可以 Google 下。

org.skywalking.apm.collector.storage.es.base.define.ElasticSearchStorageInstaller，實現 StorageInstaller 抽象類， 基於 ES 儲存安裝器實現類。

  • `#defineFilter(List)` 實現方法，過濾陣列中，非 ElasticSearchTableDefine 的元素。
  • `#createTable(Client, TableDefine)` 實現方法，建立 Elasticsearch 索引。
    • SkyWalking 彭勇升 ：`_index`和 `_type` 是 ES 特有的，考慮其他資料庫接入，所以沒有用他這個特性。
    • SkyWalking QQ交流群( 392443393 ) ，小心 群友 ：`_type` 本來就沒做物理隔離，Lucene 層面也不存在，ES 6.x 已經廢棄了。
    • 《Elasticsearch 6.0 將移除 Type》
    • `_id` ：資料編號，String 型別。
    • `_type` ：`”type”` 。
    • `_index` ：TableDefine 定義的表名。
    • `source` ：Data 資料。
    • 檔案資料結構如下：
    • 瞭解 Elasticsearch 的胖友可能有和筆者一樣的疑惑，網路上很多文章把 `_index` 類比成關係資料庫的 DB ，`_type` 類比成關係資料庫的 Table ，和 SkyWalking 目前使用的方式不一致？
  • `#deleteTable(Client, TableDefine)` 實現方法，刪除 Elasticsearch 索引。
  • `#isExists(Client, TableDefine)` 實現方法，判斷 Elasticsearch 索引是否存在。
  • 在方法裡，筆者添加了一些 API 的說明，不熟悉的胖友，可以仔細閱讀理解。

5.3 dao 包

在 collector-storage-es-provider 專案結構圖，我們看到一共有兩個 dao 包：

  • org.skywalking.apm.collector.storage.es.base.dao ，系統的 DAO 抽象類。
  • org.skywalking.apm.collector.storage.es.dao ，業務的 DAO 實現類。
    • 繼承系統的 DAO 抽象類。

5.3.1 EsDAO

org.skywalking.apm.collector.storage.es.base.dao.EsDAO ，實現 AbstractDAO 抽象類，基於 ES 的 DAO 抽象類。

  • `#getMaxId(indexName, columnName)` 方法，獲得索引名的指定欄位的最大值。
  • `#getMinId(indexName, columnName)` 方法，獲得索引名的指定欄位的最小值。

5.3.2 BatchEsDAO

org.skywalking.apm.collector.storage.es.base.dao.BatchEsDAO ，實現 IBatchDAO 介面，繼承 EsDAO 抽象類，基於 ES 批次操作 DAO 實現類。

  • `#batchPersistence(List)` 實現方法，將 org.elasticsearch.action.index.IndexRequestBuilder 和 org.elasticsearch.action.index.UpdateRequestBuilder 陣列，建立成 org.elasticsearch.action.bulk.BulkRequestBuilder 物件，批次持久化。
    • IndexRequestBuilder 和 UpdateRequestBuilder 的建立，在 「5.3.3 業務 DAO 實現類」 會看到。

5.3.3 業務 DAO 實現類

在 org.apache.skywalking.apm.collector.storage.es.dao 包裡，我們可以看到，所有基於 ES 的業務 DAO 實現類。

實現程式碼易懂，胖友可以自己閱讀。良心如我們，按照 DAO 的業務用途，推薦例子如下：

  • Cache ：ApplicationEsCacheDAO
  • Register ：ApplicationEsRegisterDAO
  • Persistence ：SegmentEsPersistenceDAO
    • 此處可見 IndexRequestBuilder 和 UpdateRequestBuilder 的建立。
  • UI ：SegmentEsUIDAO

5.4 DataTTLKeeperTimer

org.skywalking.apm.collector.storage.es.DataTTLKeeperTimer ，過期資料刪除定時器。透過該定時器，只保留 N 天內的資料。

  • `#start()` 方法，啟動定時任務。
    • 第 49 行：建立延遲 1 小時，每 8 小時執行一次 `#delete()` 方法的定時任務。目前該行程式碼被註釋，胖友可以等待 SkyWallking 5.0 版本的釋出。
  • `#delete()` 方法，刪除過期資料。
    • 第 54 至 66 行：計算刪除的開始與結束時間，即指定時間的前一天。例如，2017-12-23 執行時，刪除 2017-12-16 那天的資料。
    • 第 69 行：呼叫 `#deleteJVMRelatedData(startTimestamp, endTimestamp)` 方法，刪除 JVM 相關的資料。
    • 第 70 行：呼叫 `#deleteTraceRelatedData(startTimestamp, endTimestamp)` 方法，刪除 Trace 相關的資料。

如下是不會刪除的資料的表：

  • Application
  • Instance
  • ServiceName
  • ServiceEntry
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