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排隊應用開發
- 2. 排隊在生活中無所不在
- 3. 講者簡介 • 現職 – 聖藍科技技術長 • 興趣 – 網路應用系統開發 • 譯作 – Thinking in Java 4th Edition, 正體中文版 – Thinking in Java 2nd Edition, 正體中文版 – Essential C++, 正體中文版 • 專欄 – iTHome 電腦報程式人專欄 • 連絡方式 – qing at gmail.com – qing_wang at twitter
- 4. 綱要 • 何謂佇列 • 為什麼需要佇列 • 排隊理論 • 佇列的應用 • 案例探討 • 高效工作佇列beanstalk • 結論
- 5. 何謂佇列（Queue）？ • 佇列（Queue）是一種能依序存取其中元素 的抽象資料結構 – FIFO Queue – Priority Queue • 在佇列上的典型操作 – Enqueue（塞進佇列中） – Dequeue（自佇列中取出） – *Peek（窺看佇列中的第一個元素）
- 6. Java內建的Queue • java.util.Queue – 典型先進先出的FIFO Queue – 尾進頭出 • java.util.PriorityQueue – 非FIFO存取原則 – 依照物件的 “natural ordering” 或自定排序方式 決定優先序的佇列 – 自定排序透過Java的Comparator介面指定
- 7. Java中Queue的變形 • Blocking – BlockingQueue – PriorityBlockingQueue • Double Ended Queue – Deque • Delay – DelayQueue – 儲存java.util.concurrent.Delayed • Synchronous – SynchronousQueue
- 8. In-Process Queue • Queue 和 Queue 的客戶端程式位在同一個 行程中 • 客戶端程式毋需透過任何通訊協定或IPC的 方式來對Queue做操作 • 儲存於Queue中的資料，通常不需要做 serialization和deserialization • 像Java collection API中的Queue族系都是屬 於In-Process 的 Queue
- 9. In-Process Queue的應用優缺 • 優 – 低額外負擔：不需要額外的傳輸、不需要跨行 程的資料處理負擔 – 單純：沒有獨立的伺服器需要管理 • 缺 – 較難擴展規模 – 受限在單一機器的資源（CPU, RAM, Network, …)
- 10. Network-based Queue • Queue 和 Queue 的客戶端程式不位在同一 個行程中 • 客戶端程式需透過特定的通訊協定或IPC的 方式來對Queue做操作 • 儲存於Queue中的資料，需要做serialization 和deserialization
- 11. Network-based Queue的應用優缺 • 優 – 有機會透過增加 Queue 的數量來擴展規模（增 加 CPU, RAM, Network, …） – 多個 Queue 之間可相互備援，以容忍系統異常 及錯誤 • 缺 – 額外負擔較大 – 系統複雜度較高
- 12. 為什麼需要佇列？ • 演算法中需要儲存資料的資料結構 • 資源的最佳化配置 • 跨行程的通訊
- 13. 做為演算資料結構的Queue • Queue是演算法中十分常用的資料結構 • Graph Traversal – BFS (Breadth First Search) – FIFO Queue • Prim’s Algorithm for Minimal Spanning Tree – Priority Queue
- 14. 用於資源最佳化的Queue • Queue 是一種在提供服務的成本以及使用擁 塞的代價之間取捨達成平衡的機制 • 例：Job Queue – 工作在Queue中排隊等待可用資源 • Queue提供緩衝的作用 • 因為資源的使用有高有低，透過Queue可緩 衝對資源的使用，使資源運用最佳化 • Queue提供排程的機制，可依重要性運用資 源
- 15. Producer-Consumer *http://vichargrave.com/multithreaded-work-queue-in-c/producer-consumer-model/ • Producer 可以是 client request，而 Consumer 就成了可以處理 request 的 server 了
- 19. 排隊理論（Queuing Theory） • 排隊理論是用數學的方式研究等候線或佇 列的排隊 • 排隊理論透過建構模型的方式來預測佇列 的長度、排隊所需的等候時間、以及排隊 的公平性
- 20. 排隊模型的參數 • 服務請求到達的規則 – 像是請求到達的機率分布方式 – 簡單的例子，像是平均多久一個請求到達 • 完成請求之服務時間的規則 – 像是完成請求之服務時間的機率分佈方式 – 簡單的例子，像是平均多久完成一個請求 • 總共有幾個伺服器 • 總共有幾個佇列 • 決定服務請求的方式 – 先到先服務、後到先服務、隨機服務、高優先權者先 服務…
- 23. 資源配置及服務品質 • 前言：Queue 是一種在提供服務的成本以及 使用擁塞的代價之間取捨達成平衡的機制 • 想要提升服務品質，即降低擁塞的代價 – 增加 Server 的個數 • 想要降低提供服務的成本 – 減少 Server 的個數 • 相衝突的目標之下，只能取捨一個平衡點
- 24. 佇列在系統上的應用 • 當資源有限時，利用佇列來更妥善的運用 資源，平衡資源配置量及服務品質 – Job Queue • 透過佇列的機制，來簡化跨行程之系統組 成的溝通 – Message Queue
- 25. Job Queue • 在軟體系統中，所謂的 Job Queue （工作佇 列）是一個由工作排程器（Job Scheduler） 所維護的資料結構，其中內含待執行的工 作 *http://zeroproductionincidents.wordpress.com/category/web-architecture/process-model/page/3/
- 26. Message Queue • 所謂的Message Queue（訊息佇列）是一種 用於以下用途的軟體元件 – 跨行程通訊 – 同行程中跨執行緒的通訊 • Message Queue 中所儲存的就是用來通訊的 訊息內容 • Message Queue 的通訊本質是非同步，所以 訊息的發送者和接收者毋需在同時間連線 方能進行互動
- 28. Queue 的本質 • 非同步 – Producer/Consumer 或 Sender/Receiver 不需要 同步互動 • 緩衝 – 提供一個緩衝空間來暫存 • 標準化的溝通界面
- 29. Decupling System Components • Message Queue/Job Queue 衍生出來的好處 • 透過Message Queue/Job Queue 溝通系統中 的不同組成 • 各組成可跨行程、跨主機 • 各組成可跨語言 • 容易擴展規模
- 31. Event Log 的收集及分析 • 有一些系統，有大量的客戶端需要向系統 回報數量龐大的log資訊 • 例－：行車記錄系統 – 不斷的向系統回報車速GPS座標甚至是即時上 傳車上攝影機所拍下的照片 • 例二：廣告使用者行為追蹤系統 – 收集使用者在頁面上的行為，以便分析使用者 的偏好，進而做廣告投放呈現的參考
- 32. 可能的系統架構 httpd EvetLogServlet Log Datastore LogAnalyzer
- 33. 可能會有的效能問題 • 同時太多並行的請求時，會有大量的執行 緒被產生出來以執行 Servlet 的處理程式 • 對資料庫的寫入動作會是重要的瓶頸 – 每秒一萬筆的資料更新？ • 太多執行緒在等待資料庫可寫入 – 執行緒存在時間拉長，資源佔用時間拉長，佔 用更多的資料（CPU, Memory, Socket, …） – 客戶端的請求等待回應的時間也變長
- 34. 嘗試擴展規模？ httpd EvetLogServlet Log Datastore LogAnalyzer … … Load Balancer
- 35. 導入Job Queue … … EvetLogServlet DatastoreJob Queue Worker
- 36. 多層的緩衝 … Raw DatastoreJob Queue Worker Worker Report Datastore
- 39. beanstalk • Beanstalk 是個簡單、快速的工作佇列 • 許多需要執行耗時、緩慢工作的 Web 應用 程式都利用它來在背景執行這些工作 • 使用libevent，而在server-client之間師法 memcached的通訊協定，藉以得到很高的 性能 • 將任務儲存在主記憶體中
- 40. beanstalk的效能 *http://adam.heroku.com/past/2010/4/24/beanstalk_a_simple_and_fast_queueing_backend/
- 41. beanstalk 的特性 • 輕量化、高效 – 輕量化的通訊協定 – 將工作資訊儲存在記憶體中 • 工作具有優先序 – 支援 32 bits 的優先序表示 • 可將工作永續化 • 分散式容錯能力 • 逾時工作的控制 – 若consumer逾時無法完成工作，則工作會被從 RERSEVED狀態移回READY，供其他consumer繼續處理
- 42. beanstalk 中工作的狀態
- 43. beanstalk 的 Java Client • beanstalk 有支援多種語言的客戶端 • Java 版客戶端TrendrrBeanstalk – https://github.com/dustismo/TrendrrBeanstalk
- 44. 選擇 Queue 實作的考量因素 • 傳輸的額外負擔 • 儲存的媒介 – 是否具備永續性 • 安全性 – 傳輸的安全性 – 儲存的安全性 • 容錯能力 • 擴展規模的能力
- 45. 設計就是在做取捨 • 使用beanstalk就是求快 • 選擇犧牲 – 安全性 – 容錯能力 – 永續性 • 對於一個處理關鍵交易工作的工作佇列， 你或許不會考慮使用beanstalk
- 46. 結論 • Queue 是系統設計時不可或缺的要素 • 透過 Queue 可以得到若干好處，尤其是改 善資源的利用效率
- 47. Thanks