ceph peering机制-状态机

本章介绍ceph中比较复杂的模块：

Peering机制。该过程保障PG内各个副本之间数据的一致性，并实现PG的各种状态的维护和转换。本章首先介绍boost库的statechart状态机基本知识，Ceph使用它来管理PG的状态转换。其次介绍PG的创建过程以及相应的状态机创建和初始化。然后详细介绍peering机制三个具体的实现阶段：GetInfo、GetLog、GetMissing。

statechart状态机
1.1 状态
1.2 事件
1.3 状态机的响应
1.4 状态机的定义
1.5 context函数
1.6 事件的特殊处理
1.7 PG状态机
1.8 PG状态机的总体状态转换图
1.9 OSD启动加载PG状态机转换
1.10 PG创建后状态机的状态转换
1.11 PG在触发Peering过程时机

1. statechart状态机

Ceph在处理PG的状态转换时，使用了boost库提供的statechart状态机。因此先简单介绍一下statechart状态机的基本概念和涉及的相关知识，以便更好地理解Peering过程PG的状态机转换流程。下面例举时截取了PG状态机的部分代码。

1.1 状态

没有子状态情况下的状态定义
在statechart里，一个状态的定义方式有两种：

1. struct Reset : boost::statechart::state< Reset, RecoveryMachine >, NamedState {

2. ...

3. };

这里定义了状态Reset，它需要继承boost::statechart::state类。该类的模板参数中，第一个参数为状态自己的名字Reset，第二个参数为该状态所属状态机的名字，表明Reset是状态机RecoveryMachine的一个状态。

有子状态情况下的状态定义

1. struct Start;

3. struct Started : boost::statechart::state< Started, RecoveryMachine, Start >, NamedState {

4. ...

5. }

7. struct Start : boost::statechart::state< Start, Started >, NamedState {

8. };

状态Started也是状态机RecoveryMachine的一个状态，模板参数中多了一个参数Start，它是状态Started的默认初始子状态。
这里定义的Start是状态Started的子状态。第一个模板参数是自己的名字，第二个模板参数是该子状态所属父状态的名字。

综上所述，一个状态，要么属于一个状态机，要么属于一个状态，成为该状态的子状态。其定义的模板参数是自己，第二个参数是拥有者，第三个参数是它的起始子状态。

 1.2 事件

状态能够接收并处理事件。事件可以改变状态，促使状态发生转移。在boost库的statechart状态机中定义事件的方式如下所示：

1. struct QueryState : boost::statechart::event< QueryState > {

2. Formatter *f;

3. explicit QueryState(Formatter *f) : f(f) {}

4. void print(std::ostream *out) const {

5. *out << "Query";

6. }

7. };

8. };

QueryState为一个事件，需要继承boost::statechart::event类，模板参数为自己的名字。

1.3 状态机的响应

在一个状态内部，需要定义状态机处于当前状态时，可以接受的事件以及如何处理这些事件的方法：

1. #define TrivialEvent(T) struct T : boost::statechart::event< T > { \

2. T() : boost::statechart::event< T >() {} \

3. void print(std::ostream *out) const { \

4. *out << #T; \

5. } \

6. };

8. TrivialEvent(Initialize)

9. TrivialEvent(Load)

10. TrivialEvent(GotInfo)

11. TrivialEvent(NeedUpThru)

12. TrivialEvent(NullEvt)

13. TrivialEvent(FlushedEvt)

14. TrivialEvent(Backfilled)

15. TrivialEvent(LocalBackfillReserved)

16. TrivialEvent(RemoteBackfillReserved)

17. TrivialEvent(RejectRemoteReservation)

18. TrivialEvent(RemoteReservationRejected)

19. TrivialEvent(RemoteReservationCanceled)

20. TrivialEvent(RequestBackfill)

21. TrivialEvent(RequestRecovery)

22. TrivialEvent(RecoveryDone)

23. TrivialEvent(BackfillTooFull)

24. TrivialEvent(RecoveryTooFull)

25. TrivialEvent(MakePrimary)

26. TrivialEvent(MakeStray)

27. TrivialEvent(NeedActingChange)

28. TrivialEvent(IsIncomplete)

29. TrivialEvent(IsDown)

30. TrivialEvent(AllReplicasRecovered)

31. TrivialEvent(DoRecovery)

32. TrivialEvent(LocalRecoveryReserved)

33. TrivialEvent(RemoteRecoveryReserved)

34. TrivialEvent(AllRemotesReserved)

35. TrivialEvent(AllBackfillsReserved)

36. TrivialEvent(GoClean)

37. TrivialEvent(AllReplicasActivated)

38. TrivialEvent(IntervalFlush)

1. struct Initial : boost::statechart::state< Initial, RecoveryMachine >, NamedState {

2. explicit Initial(my_context ctx);

3. void exit();

5. typedef boost::mpl::list <

6. boost::statechart::transition< Initialize, Reset >,

7. boost::statechart::custom_reaction< Load >,

8. boost::statechart::custom_reaction< NullEvt >,

9. boost::statechart::transition< boost::statechart::event_base, Crashed >

10. > reactions;

12. boost::statechart::result react(const Load&);

13. boost::statechart::result react(const MNotifyRec&);

14. boost::statechart::result react(const MInfoRec&);

15. boost::statechart::result react(const MLogRec&);

16. boost::statechart::result react(const boost::statechart::event_base&) {

17. return discard_event();

18. }

19. };

状态机的7种事件处理方法 

上述代码列出了状态RecoveryMachine/Initial可以处理的事件列表和处理对应事件的方法：

1） 通过boost::mpl::list定义该状态可以处理多个事件类型。本例中可以处理Initialize、Load、NullEvt和event_base事件。

2） 简单事件处理

boost::statechart::transition< Initialize, Reset >

定义了状态Initial接收到事件Initialize后，无条件直接跳转到Reset状态；

3） 用户自定义事件处理： 当接收到事件后，需要根据一些条件来决定状态如何转移，这个逻辑需要用户自己定义实现

boost::statechart::custom_reaction< Load >

custom_reaction 定义了一个用户自定义的事件处理方法，必须有一个react()的处理函数处理对应该事件。状态转移的逻辑需要用户自己在react函数里实现：

boost::statechart::result react(const Load&);

4)NullEvt事件用户自定义处理，但是没有实现react()函数来处理，最终事件匹配了boost::statechart::event_base事件，直接调用函数discard_event把事件丢弃掉。

1. boost::statechart::custom_reaction< NullEvt >

2.     

3. boost::statechart::result react(const boost::statechart::event_base&) {

4.     return discard_event();

5.       }

1.4 状态机的定义
RecoveryMachine为定义的状态机，需要继承boost::statechart::state_machine类：

1.     struct Initial;

2.     class RecoveryMachine : public boost::statechart::state_machine< RecoveryMachine, Initial > {

3.       RecoveryState *state;

4.     public:

5.       PG *pg;

6.       }

模板参数第一个参数为自己的名字，第二个参数为状态机默认的初始状态Initial。

状态机的基本操作有两个：   

1. RecoveryMachine machine;

2.     PG *pg;

4.     explicit RecoveryState(PG *pg)

5.       : machine(this, pg), pg(pg), orig_ctx(0) {

6.       machine.initiate();//a---

7.     }

9.     void handle_event(const boost::statechart::event_base &evt,

10.               RecoveryCtx *rctx) {

11.       start_handle(rctx);

12.       machine.process_event(evt);//b---

13.       end_handle();

14.     }

16.     void handle_event(CephPeeringEvtRef evt,

17.               RecoveryCtx *rctx) {

18.       start_handle(rctx);

19.       machine.process_event(evt->get_event());/b---

20.       end_handle();

21.     }

a.状态机的初始化

initiate()是继承自boost::statechart::state_machine的成员函数。

b.函数process_event()用来向状态机投递事件，从而触发状态机接收并处理该事件

process_event()也是继承自boost::statechart::state_machine的成员函数。

1.5 context函数
context是状态机的一个比较有用的函数，它可以获取当前状态的所有祖先状态的指针。通过它可以获取父状态以及祖先状态的一些内部参数和状态值。context()函数是实现在boost::statechart::state_machine中的：

context()函数在boost::statechart::simple_state中有实现：

1. //boost_1_73_0/boost/statechart/simple_state.hpp

2. 234     template< class OtherContext >

3. 235     OtherContext & context()

4. 236     {

5. 237       typedef typename mpl::if_<

6. 238         is_base_of< OtherContext, MostDerived >,

7. 239         context_impl_this_context,

8. 240         context_impl_other_context

9. 241       >::type impl;

10. 242       return impl::template context_impl< OtherContext >( *this );

11. 243     }

12. 244      

13. 245     template< class OtherContext >

14. 246     const OtherContext & context() const

15. 247     {

16. 248       typedef typename mpl::if_<

17. 249         is_base_of< OtherContext, MostDerived >,

18. 250         context_impl_this_context,

19. 251         context_impl_other_context

20. 252       >::type impl;

21. 253       return impl::template context_impl< OtherContext >( *this );

22. 254     }

从simple_state的实现来看，context()可以获取当前状态的祖先状态指针，也可以获取当前状态所属状态机的指针。

例如状态Started是RecoveryMachine的一个状态，状态Start是Started状态的一个子状态，那么如果当前状态是Start，就可以通过该函数获取它的父状态Started的指针：

Started * parent = context< Started >();

同时也可以获取其祖先状态RecoveryMachine的指针：

RecoveryMachine *machine = context< RecoveryMachine >();

在状态机实现中，大量了使用该函数来获取相应的指针。Eg：

1.   PG *pg = context< RecoveryMachine >().pg;

2.   context< RecoveryMachine >().get_cur_transaction(),

3.   context< RecoveryMachine >().get_on_applied_context_list(),

4.   context< RecoveryMachine >().get_on_safe_context_list());

综上所述，context()函数为获取当前状态的祖先状态上下文提供了一种方法。

1.6 事件的特殊处理
事件除了在状态转移列表中触发状态转移，或者进入用户自定义的状态处理函数，还可以有下列特殊的处理方式：

在用户自定义的函数里，可以直接调用函数transit来直接跳转到目标状态。例如：

1. boost::statechart::result PG::RecoveryState::Initial::react(const MLogRec& i)

2. {

3.   PG *pg = context< RecoveryMachine >().pg;

4.   assert(!pg->is_primary());

5.   post_event(i);

6.   return transit< Stray >();//go---

7. }

可以直接跳转到状态Stray。在用户自定义的函数里，可以调用函数post_event()直接产生相应的事件，并投递给状态机

1. PG::RecoveryState::Start::Start(my_context ctx)

2.   : my_base(ctx),

3.     NamedState(context< RecoveryMachine >().pg->cct, "Start")

4. {

5.   context< RecoveryMachine >().log_enter(state_name);

7.   PG *pg = context< RecoveryMachine >().pg;

8.   if (pg->is_primary()) {

9.     dout(1) << "transitioning to Primary" << dendl;

10.     post_event(MakePrimary());//go---

11.   } else { //is_stray

12.     dout(1) << "transitioning to Stray" << dendl; 

13.     post_event(MakeStray());//go---

14.   }

15. }

在用户的自定义函数里，调用函数discard_event()可以直接丢弃事件，不做任何处理

1. boost::statechart::result PG::RecoveryState::Primary::react(const ActMap&)

2. {

3.   dout(7) << "handle ActMap primary" << dendl;

4.   PG *pg = context< RecoveryMachine >().pg;

5.   pg->publish_stats_to_osd();

6.   pg->take_waiters();

7.   return discard_event();//go---

8. }

在用户的自定义函数里，调用函数forward_event()可以把当前事件继续投递给状态机

1. boost::statechart::result PG::RecoveryState::WaitUpThru::react(const ActMap& am)

2. {

3.   PG *pg = context< RecoveryMachine >().pg;

4.   if (!pg->need_up_thru) {

5.     post_event(Activate(pg->get_osdmap()->get_epoch()));

6.   }

7.   return forward_event();

8. }

结合 1.3 状态机的响应 的3种事件响应，大概有7种事件响应处理的方法。

1.7 PG状态机
在类PG的内部定义了类RecoveryState，该类RecoveryState的内部定义了PG的状态机RecoveryMachine和它的各种状态。

1. class PG{

2.     class RecoveryState{

3.         class RecoveryMachine{

4.         };

5.     };

6. };

在每个PG创建时，在构造函数里创建一个新的RecoveryState类的对象，并创建相应的RecoveryMachine类的对象，也就是创建了一个新的状态机。每个PG类对应一个独立的状态机来控制该PG的状态转换。

1. PG::PG(OSDService *o, OSDMapRef curmap,

2.        const PGPool &_pool, spg_t p) :

3.     recovery_state(this){

4. }

6. class RecoveryState{

7. public:

8.     explicit RecoveryState(PG *pg)

9.       : machine(this, pg), pg(pg), orig_ctx(0) {

10.       machine.initiate();

11.     }

12. };

上面machine.initiate()调用的是boost::statechart::state_machine中的initiate()方法。
1.8 PG状态机的总体状态转换图

下图为PG状态机的总体状态转换图简化版

1.9 OSD启动加载PG状态机转换
当OSD重启时，调用函数OSD::init()，该函数调用load_pgs()加载已经存在的PG，其处理过程和以下创建PG的过程相似。

1. int OSD::init()

2. {

3.   // load up pgs (as they previously existed)

4.   load_pgs();

5. }

7. void OSD::load_pgs()

8. {

9. ...

10.     PG::RecoveryCtx rctx(0, 0, 0, 0, 0, 0);

11.     pg->handle_loaded(&rctx);//go--

12. ...

13. }

15. void PG::handle_loaded(RecoveryCtx *rctx)

16. {

17.   dout(10) << "handle_loaded" << dendl;

18.   Load evt;

19.   recovery_state.handle_event(evt, rctx);

20. }

23. struct Initial : boost::statechart::state< Initial, RecoveryMachine >, NamedState {

24.     typedef boost::mpl::list <

25.     boost::statechart::transition< Initialize, Reset >,

26.     boost::statechart::custom_reaction< Load >,

27.     boost::statechart::custom_reaction< NullEvt >,

28.     boost::statechart::transition< boost::statechart::event_base, Crashed >

29.     > reactions;

30.     

31.     boost::statechart::result react(const Load&);

32. }

34. boost::statechart::result PG::RecoveryState::Initial::react(const Load& l)

35. {

36.   PG *pg = context< RecoveryMachine >().pg;

38.   // do we tell someone we're here?

39.   pg->send_notify = (!pg->is_primary());

40.   pg->update_store_with_options();

42.   pg->update_store_on_load();

44.   return transit< Reset >();//go---

45. }

1.10 PG创建后状态机的状态转换
 

1. void PG::handle_create(RecoveryCtx *rctx)

2. {

3.   dout(10) << "handle_create" << dendl;

4.   rctx->created_pgs.insert(this);

5.   Initialize evt;

6.   recovery_state.handle_event(evt, rctx);

7.   ActMap evt2;

8.   recovery_state.handle_event(evt2, rctx);

10.   rctx->on_applied->add(make_lambda_context([this]() {

11.     update_store_with_options();

12.   }));

13. }

当PG创建后，同时在该类内部创建了一个属于该PG的RecoveryMachine类型的状态机，该状态机的初始化状态为默认初始化状态Initial。

在PG创建后，调用函数pg->handle_create(&rctx)来给状态机投递事件

该函数首先向RecoveryMachine投递了Initialize类型的事件。接收到Initialize类型的事件后直接转移到Reset状态。其次，向RecoveryMachine投递了ActMap事件。

1. boost::statechart::result PG::RecoveryState::Reset::react(const ActMap&)

2. {

3.   PG *pg = context< RecoveryMachine >().pg;

4.   if (pg->should_send_notify() && pg->get_primary().osd >= 0) {

5.     context< RecoveryMachine >().send_notify(

6.       pg->get_primary(),

7.       pg_notify_t(

8.     pg->get_primary().shard, pg->pg_whoami.shard,

9.     pg->get_osdmap()->get_epoch(),

10.     pg->get_osdmap()->get_epoch(),

11.     pg->info),

12.       pg->past_intervals);

13.   }

15.   pg->update_heartbeat_peers();

16.   pg->take_waiters();

18.   return transit< Started >();//a---

19. }

a. 在自定义的react函数里直接调用了transit函数跳转到Started状态。   

1. struct Start;

3.     struct Started : boost::statechart::state< Started, RecoveryMachine, Start >, NamedState {//这里直接进入默认子状态Start

4.     ...

5.     }

7.     /*-------Start---------*/

8.     PG::RecoveryState::Start::Start(my_context ctx)

9.       : my_base(ctx),

10.         NamedState(context< RecoveryMachine >().pg, "Start")

11.     {

12.       context< RecoveryMachine >().log_enter(state_name);

13.     

14.       PG *pg = context< RecoveryMachine >().pg;

15.       if (pg->is_primary()) {

16.         ldout(pg->cct, 1) << "transitioning to Primary" << dendl;

17.         post_event(MakePrimary());//go---

18.       } else { //is_stray

19.         ldout(pg->cct, 1) << "transitioning to Stray" << dendl;

20.         post_event(MakeStray());//go---

21.       }

22.     }

23.     

24.     struct Start : boost::statechart::state< Start, Started >, NamedState {

25.       explicit Start(my_context ctx);

26.       void exit();

28.     typedef boost::mpl::list <

29.     boost::statechart::transition< MakePrimary, Primary >,

30.     boost::statechart::transition< MakeStray, Stray >

31.     > reactions;

32.     };    

33.     

34.     struct Primary : boost::statechart::state< Primary, Started, Peering >, NamedState {//这里直接进入Primary的默认子状态Peering。

35.     ...

36.     }

37.     

38.     struct Stray : boost::statechart::state< Stray, Started >, NamedState {

39.     ...

40.     }    

1.进入状态RecoveryMachine/Started后，就进入RecoveryMachine/Started的默认的子状态RecoveryMachine/Started/Start中。
由以上代码可知，在Start状态的构造函数中，根据本OSD在该PG中担任的角色不同分别进行如下处理：

(1)如果是主OSD，就调用函数post_event()，抛出事件MakePrimary，进入主OSD的默认子状态Primary/Peering中；

(2)如果是从OSD，就调用函数post_event()，抛出事件MakeStray，进入Started/Stray状态；

对于一个OSD的PG处于Stray状态，是指该OSD上的PG副本目前状态不确定，但是可以响应主OSD的各种查询操作。它有两种可能：一种是最终转移到状态ReplicaActive，处于活跃状态，成为PG的一个副本；另一种可能的情况是：如果是数据迁移的源端，可能一直保持Stray状态，该OSD上的副本可能在数据迁移完成后，PG以及数据就都被删除了。

1.11 PG在触发Peering过程时机：
1.当系统初始化时，OSD重新启动导致PG重新加载。
2.PG新创建时，PG会发起一次Peering的过程
3. 当有OSD失效，OSD的增加或者删除等导致PG的acting set发生了变化，该PG就会重新发起一次Peering过程。
参考link：
 https://ivanzz1001.github.io/records/post/ceph/2019/02/01/ceph-src-code-part10_1