使用神奇的xor(异或)解决Storm的Tuple确认问题

日光之下，并无新事” —《旧约 传道书》
Storm作为一个高性能的实时流式数据处理框架，非常优秀，虽然它大多数方面比不上Flink(我没有亲自试，我也是听人说的，但这个人我信任)，但我个人而言还是很喜欢它而不是Flink。本文介绍Storm的Tuple确认机制。

  由于本文是一篇随笔而不是一篇教程，所以我不会从头介绍什么是Storm，更不会介绍Storm的安装使用方法，本文的内容仅仅包括“经由Storm的诸多bolt处理后的消息如何向spout进行确认”。

  为了简单起见，本文假设所有的bolt处理都是成功的，即它在向下游拓扑emit某个或者某些绑定与某Tuple的msg之后，只无条件调用了ack方法而没有调用fail。在介绍之前，先看看几个显而易见的事实。

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Storm spout的nextTuple以及bolt的execute

Storm的API非常丰富，但是记住，本文介绍的ACK机制需要特殊的支持。也就是说，本文所说的ACK的机制只是Storm的一种可选机制，你完全可以无视它去选择一种轻量的无确认的Best effort方式去使用Storm，本文之所以单独介绍ACK机制，是因为其优雅。

  在编写spout的nextTuple时，最终你必须要emit一个Tuple，记住，要这么做：

this.collector.emit(new Values(...), msgID);

一定要有msgID这个参数，一定要有！否则Storm便不会跟踪这个Tuple。这句话的意思是在Storm执行完spout的emit之后，会在系统内部创建一个类似下面的映射：
msgID-Tuple：ACKvalue
其ACKvalue的初始值为一个随机的数字，该数字由spout为该被emit的msg生成，显然，如果spout一次emit了多个msg，那么该ACKvalue便是所有这些数值的异或的结果。这个后面会详述。

  此外，在后续的bolt的execute方法中emit新的msg时，记住，一定要携带tuple参数，不然后续的拓扑便会丢失针对该tuple的追踪，要写成：

collector.emit(tuple, new Values(...)); 

而不是：

collector.emit(new Values(...));

当然如果你想故意不再跟踪某个Tuple在后续拓扑中的结果(比如你只是希望保证特定几个步骤的执行成功)，你完全可以在特定的bolt的execute的emit方法中不再携带tuple参数，一切由你决定。

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ACK原理进化脉络

如果发送者发出一个消息，希望确认接收者是否收到，最简单的方案就是下面的了：

这里能说很多很多，比如TCP就是这么实现的，TCP这种老掉牙的东西真的不想在多说，所以一句话总结吧，这种方式是采用了带内ACK的方法进行可靠性保证的。推广到接力流水线的方式，就变成了下面的样子：

但是，想想这有什么问题。

  中间节点的压力大吗？要知道，即便是TCP也不是这样运作的。TCP是一个端到端协议，只是进行端到端确认，而Storm显然并没有进行分层设计，显然在应用层，这样进行中继确认的方式并不合适。于是乎，我们也选择一种端到端的方案看看如何：

看起来不错的样子，但是可以更进一步。因为应用层的逻辑往往没有底层那么固定，业务逻辑复杂多变的情况下，尽量用中间件来进行解耦，即避免receiver和sender之间的直接交流。因此，我们显然换成了一种带外ACK的方式进行确认：

好了，现在的数据通路被清理的干干净净，确认通过一个叫做Acker的中间服务进行协助，这个Acker中间服务可以是个集群，是多个。带内数据和带外确认完全分开，提高了系统的健壮性，结构非常清晰。

  可是这样完美吗？

  要知道，Storm的拓扑最终是一个有向无环图，显然不是一条直线啊。一个bolt经过处理，可能会分出多个msg发往多个bolt，同时，一个bolt也可以接收来自多个bolt的多个Tuple，比如多路日志的合并就经常面临这个局面。典型的场景就是下面的图示所示：

这可怎么办？

  其实也简单，只要能追踪每一个bolt发射的msg属于哪个Tuple，就能定位到到达最终叶子节点的msg属于哪个Tuple，然后想办法把处理的结果告诉spout，当然，显而易见的办法就是还通过Acker来转交：

办法是显而易见且通用的，但是问题也已经写在了图中。要解决这个问题，需要复杂的数据结构和复杂的维护设施。Storm使用了一种极其巧妙的方法解决了这个问题。

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Storm之ACK实现

Storm采用了非常简单的XOR来解决这个问题。

  如果上游bolt在emit一个msg的时候，如何确认下游的bolt会收到呢？其实这是一个循环问题。其实根本就不用下游bolt显式告诉上游我收到了，而是采用下面的手段即可：

bolt1在发出一个msg的时候，会将一个随机生成的ID报告给Acker，并将此ID携带到msg中向下游传递，一旦bolt2收到了一个属于同一个Tuple的msg，它便会将解析出来的ID也传递给Acker，不出意外，二者XOR的结果将会是0！

  这就是原理。下面我们看一下更一般的图示：

Acker要做的仅仅是搜集所有bolt报告给它的其接收到的ID和发出的ID，然后进行XOR运算。当然了，在bolt在ack方法调用中往Acker发送ID的时候，其会携带Tuple信息，Acker会根据这个Tuple对应到内存中其保存的表项。上面的例子，按照这种方式运作，便是：

最后，给出一个一般化的流程：

如果有哪一步错误没有使得msg正确传递到叶子终点，显然Acker不会收到能使XOR结果为0的ID，进而最终spout会超时重发msg。但是…

  但是更容易出现的问题是，你忘了调用ack方法！不是出错了导致ID没有报道，而是你根本就忘了上报！这会导致该轮msg处理失败，但这不是最严重的后果，最严重的显然是OOM，即OutOfMemoryError…

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神奇的XOR

很多人都知道xor的概念以及如何操作，但是很少有人真正理解它。

  很少有人理解XOR的理由很简单，不是因为它很难，而是因为中文对XOR的翻译没有做到信达雅中的达。

  什么是XOR，中文解释是异或，也许是计算机专业学生普遍是古文学的不好，其实“异”这个词本身就有排他的含义，如果不理解这个，就很难直接掌握XOR的本质！

  XOR的本质含义就是“exclusive or”，你要么是A，要么是B，不能既是A又是B。用韦恩图解释要简单的多：

简单做个实验，把B盖上去，即计算一下A xor B xor B的值，按照概念，即互斥的概念，下图就是答案：

像不像日全食呢？这就是日全食的道理。通过这个盖盖子的例子，你是不是理解了为了仅仅通过xor操作就可以做到两个数字交换了呢？

  如果我们不去盖上一个B，而是盖上一个C呢？三者互斥相或，即：

找到规律了吗？不管是用哪个集合往上面盖，重合的部分会被反色，盖一次就反一次，按照这个，你会发现XOR完全符合结合律以及交换率，顺便你还能发现它就是一个群…

  由于交换律的存在，Storm里面哪个bolt先调用ack无所谓。只要Acker发现ACKvalue变成了0，就会上报spout对应的msg成功处理完毕，最终结局：

利用上面的描述，是不是对xor理解更深刻呢？

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Storm

没有意义，哪里是出路…当我漫步畅想房子的后面是另一个广阔世界的时候，不知不觉就到了路的尽头，抬头一看，这原来是我熟悉的地方。