Alluxio 源码完整解析 | 你不知道的开源数据编排系统 （上）

Part1 前言

目前数据湖已成为大数据领域的最新热门话题之一，而什么是数据湖，每家数据平台和云厂商都有自己的解读。整体来看，数据湖主要的能力优势是：集中式存储原始的、海量的、多来源的、多类型的数据，支持数据的快速加工及计算。相比于传统的数据仓库，数据湖对数据有更大的包容性，支持结构化/半结构化/非结构化数据，能快速进行数据的落地和数据价值发掘。数据湖的技术体系可以分为三个子领域：数据湖存储、数据湖计算、数据湖统一元数据。

数据湖存储提供海量异构数据的存储能力，支持多类型的底层存储系统，如分布式存储 HDFS、对象存储 AWS S3、腾讯云对象存储 COS 等，除此之外，在数据湖场景中计算和存储分离，使得计算的数据本地性不复存在。因此有必要在数据湖存储和计算之间引入统一的数据缓存层。
Alluxio是一款基于云原生开源的数据编排技术，为数据计算与数据存储构建了桥梁，支持将数据从原始存储层移动到加速计算的虚拟分布式存储系统。Alluxio可为数据湖计算提供统一的数据湖存储访问入口，支持跨不同类型的底层存储并抽象出统一的数据访问命名空间，提供数据本地性、数据可访问性、数据伸缩性。

本文将对 Alluxio 底层源码进行简要分析，分上下两篇：主要包括本地环境搭建，源码项目结构，服务进程的启动流程，服务间RPC调用，Alluxio 中重点类详解，Alluxio 中 Block 底层读写流程，Alluxio Client调用流程和 Alluxio 内置的轻量级调度框架。

Part2 环境准备

2.1 本地部署

从官方下载安装版本(下载地址)，以2.6.0安装为例，下载后解压安装包：

1    tar -zxvf alluxio-2.6.0-bin.tar.gz

修改基本的配置文件，(1). 修改alluxio-site.properties，设置master地址，设置默认Alluxio root挂载点：

1  cp conf/alluxio-site.properties.template  alluxio-site.properties 
2  #放开注释： 
3  alluxio.master.hostname=127.0.0.1 
4  alluxio.master.mount.table.root.ufs=${alluxio.work.dir}/underFSStorage

(2). 修改masters、workers配置对应ip，本地安装，可都设置为127.0.0.1

1  vi conf/masters 
2  vi conf/workers

修改完配置后，准备启动Alluxio服务，执行如下命令操作：

1    # mount对应磁盘 
2    bin/alluxio-mount.sh Mount workers 
3    # 进行环境校验 
4    bin/alluxio validateEnv master 
5    bin/alluxio validateEnv worker

服务启动命令操作，对于所有服务操作包括：master、worker、job_master、job_worker、proxy

1    # 启动所有服务 
2    bin/alluxio-start.sh all 
3    # 停止所有服务 
4    bin/alluxio-stop.sh all 
5 
6    # 启动单个服务 
7    bin/alluxio-start.sh -a master 
8    bin/alluxio-start.sh -a worker 
9    bin/alluxio-start.sh -a job_master 
10   bin/alluxio-start.sh -a job_worker 
11   bin/alluxio-start.sh -a proxy

启动后服务成功，也可通过JPS查看Java进程：AlluxioMaster、AlluxioWorker、AlluxioJobMaster、AlluxioJobWorker、AlluxioProxy。

• http://localhost:19999，页面查看alluxio master ui界面，默认端口：19999
• http://localhost:30000，页面查看alluxio worker ui界面，默认端口：30000

2.2 IDEA调试

源码编译可参考官方说明文档：Building Alluxio From Source

1    mvn clean install -DskipTests 
2    # 加速编译 
3    mvn -T 2C clean install -DskipTests -Dmaven.javadoc.skip -Dfindbugs.skip -Dcheckstyle.skip -Dlicense.skip -Dskip.protoc

通过IDEA启动Alluxio各个服务进程，其核心启动类包括：

• AlluxioMaster：Main函数入口，设置启动运行VM Options，alluxio.logger.type=MASTER_LOGGER，RPC端口：19998，Web端口：19999；
• AlluxioJobMaster：Main函数入口，设置启动运行VM Options，alluxio.logger.type=JOB_MASTER_LOGGER
• AlluxioWorker：Main函数入口，设置启动运行VM Options，alluxio.logger.type=WORKER_LOGGER，
• AlluxioJobWorker：Main函数入口，设置启动运行VM Options，alluxio.logger.type=JOB_WORKER_LOGGER
• AlluxioProxy：Main函数入口，设置启动运行VM Options，alluxio.logger.type=PROXY_LOGGER

VM Options参数示例如下：

1    -Dalluxio.home=/code/git/java/alluxio -Dalluxio.conf.dir=/code/git/java/alluxio/conf -Dalluxio.logs.dir=/code/git/java/alluxio/logs -Dlog4j.configuration=file:/code/git/java/alluxio/conf/log4j.properties -Dorg.apache.jasper.compiler.disablejsr199=true -Djava.net.preferIPv4Stack=true -Dalluxio.logger.type=MASTER_LOGGER -Xmx2g -XX:MaxDirectMemorySize=516M

操作示例如下：

在项目根目录 logs下可查看服务启动的日志文件：

DEBUG远程调试，在alluxio-env.sh 配置环境变量，可增加如下配置属性

1    export ALLUXIO_WORKER_JAVA_OPTS="$ALLUXIO_JAVA_OPTS -agentlib:jdwp=transport=dt_socket,server=y,suspend=n,address=6606" 
2    export ALLUXIO_MASTER_JAVA_OPTS="$ALLUXIO_JAVA_OPTS -agentlib:jdwp=transport=dt_socket,server=y,suspend=n,address=6607" 
3    export ALLUXIO_USER_DEBUG_JAVA_OPTS="-agentlib:jdwp=transport=dt_socket,server=y,suspend=y,address=6609"

如下图所示，增加远程的监控端口，监控Alluxio Worker 6606：

调用Alluxio Shell命令时开启DEBUG的输出，使用参数：-debug，示例如下：

1    bin/alluxio fs -debug ls /

Part 3 项目结构

Alluxio源码的项目结构可简化如下几个核心模块：

• alluxio-core：实现Alluxio系统的核心模块，其中alluxio-core-server内实现Alluxio Master、Alluxio Worker、Alluxio Proxy；alluxio-core-client定义Alluxio Clien操作；alluxio-core-transport 实现服务间RPC通信；
• alluxio-job：Alluxio内部轻量级作业调度实现，alluxio-job-server内实现 Alluxio Job Master、Alluxio Job Worker；
• alluxio-underfs：适配对接不同的底层存储，如hdfs、cephfs、local、s3等；
• alluxio-table：实现Alluxio Catalog功能，基于table引擎读取元数据并支持关联Alluxio存储，目前catalog的底层UDB支持hive metastore和aws glue catalog；
• alluxio-shell：封装Alluxio shell工具；

Part 4 服务进程

Alluxio服务内部的5个核心进程：AlluxioMaster、AlluxioWorker、AlluxioProxy、AlluxioJobMaster、AlluxioJobWorker 都是基于Process(进程)接口类扩展实现的，定义组件进程的生命周期管理操作。

类图实现继承关系如下所示：

4.1 AlluxioMaster

4.1.1. 启动流程

• 基于JournalSystem维护Master元数据持久化信息，便于服务宕机后，从最新的Journal File恢复，详见Journal Management；
• 进行AlluxioMaster选举，Master选举支持两种方式：ZK、Raft(RaftJournalSystem)；
• 基于ProcessUtils进行进程启停管理触发，执行AlluxioMasterProcess 启动
  • JournalSystem 启动/设置主要执行模式(gainPrimacy)
  • AlluxioMasterProcess#startMasters：启动所有Master相关服务，包括block master、FileSystem master等；若是leader，则调用BackupManager#initFromBackup初始化所有注册master server组件，若不是leader则仅启动Master的RPC/UI服务
  • AlluxioMasterProcess#startServing：启动指标相关服务，包括Web、JVM、RPC相关的指标；

启动时序图简化如下所示：

4.1.2. Server接口类

特别的，初始化并启动的Server接口类组件，主要包括Master类和Worker类，Server会从线程池获取线程，启动执行各个Server定义的操作，server中定义服务线程的生命周期操作，定义的接口方法如下：

• getName：获取该Server名称；
• getDependencies：该Server依赖的其他前置Server；
• getServices：获取Server定义的GrpcService集合；
• start：Server启动；
• stop：Server停止；
• close：Server关闭；

4.1.3. Master Server

定义Master组件中封装的各个线程Server服务，包括Block元数据管理，文件系统管理等，其细化类图如下所示：

4.1.3.1. DefaultFileSystemMaster

Alluxio Master处理系统中所有文件系统元数据管理的Server服务，基于DefaultFileSystemMaster可对文件执行Lock(加锁)操作，为了对任意inode进行读写操作，需要对 inode tree中的每个独立路径进行加锁。InodeTree对象提供加锁方法有：InodeTree#lockInodePath、InodeTree#lockFullInodePath，方法返回已被加锁处理的LockedInodePath 路径对象。

在DefaultFileSystemMaster中常用的上下文对象：JournalContext, BlockDeletionContext, RpcContext；用户对文件元数据的访问(方法调用)都有一个独立的线程进行审计日志记录及管理。

备注：当获取inode path时，可能存在并发操作对该path进行写变更操作，那么读取inode path会抛出异常，提示path的数据结构已变更。
DefaultFileSystemMaster start启动流程概述：

• 基于InodeTree初始化文件系统根目录(initializeRoot)并判断是否有该文件系统权限；
• 遍历MountTable，初始化MasterUfsManager并进行文件系统挂载Mount操作；
• 提交不同的HeartbeatThread(心跳线程) 进行各个检测校验，最终调用HeartbeatExecutor.heartbeat方法，其心跳检测包括：
  • BlockIntegrityChecker：Block完整性校验
  • InodeTtlChecker：File Inode TTL 生命周期校验
  • LostFileDetector：丢失文件探测
  • ReplicationChecker：副本数校验
  • PersistenceSchedule：持久化调度
  • PersistenceChecker：持久化校验
  • TimeSeriesRecorder：时间序列记录
  • UfsCleaner：UFS清理器

附：HeartbeatExecutor的类图概要

4.1.3.2. DefaultBlockMaster

Alluxio Master中管理所有Block和Worker映射元数据的Server服务。为保证并发请求，BlockMaster Server使用支持并发的数据结构，每个元数据都可以进行独立的加锁操作。在BlockMaster中有两大类元数据：block metadata(block块元数据)，worker metadata(worker节点元数据)：

• block metadata 加锁操作：基于block执行任意的BlockStore操作，从mLostBlocks中移除元素；
• worker metadata 加锁操作：校验/更新worker注册状态，读/写worker使用率，读/写worker上的block管理；

为避免死锁操作，如果block和worker元数据需要同时加锁，worker需要在block之前加锁，释放锁时则相反，block需要在worker之前释放锁。
start启动流程概述：提交HeartbeatThread(心跳线程) 进行检测校验，提交的线程是：LostWorkerDetectionHeartbeatExecutor，对worker的心跳进行检测。

4.2 AlluxioWorker

4.2.1. 启动流程

• 通过MasterInquireClient.Factory 获取Alluxio Master的地址和相关配置信息；
• 创建AlluxioWorkerProcess进程对象，并执行start方法，具体如下：
  • 通过WorkerRegistry获取Worker上的所有Worker Server服务，并启动相应的Server；
  • 注册WebServer Handler，并启动，包括通用指标和Prometheus指标；
  • 注册JvmPauseMonitor，采集worker节点相关的JVM监控指标信息；
• 如果Worker内嵌FUSE服务，则启动FuseManager

4.2.2. Worker Server

4.2.2.1. DefaultBlockWorker

负责管理Worker节点中最高层级的Block抽象操作，包括：

• 周期性的BlockMasterSync，将当前Worker节点的Block信息周期定时上报同步给Master；
• 维护当前Worker所有Block信息与底层存储操作的逻辑关系；

start启动流程概述：通过BlockMasterClientPool获取BlockMaster RPC地址并注册，基于ExecutorService提交Worker节点的HeartbeatThread线程，包括：

• BlockMasterSync：将Worker节点Block信息定时同步BlockMaster进行统一block元数据管理；
• PinListSync：维护Alluxio与底层UFS的联通地址；
• StorageChecker：校验存储地址；

4.3 AlluxioProxy

4.3.1. 启动流程

• 基于ProxyProcess.Factory 创建对应的进程对象：AlluxioProxyProcess；
• 创建AlluxioProxyProcess进程对象后，执行start方法，调用ProxyWebServer执行start方法，启动Proxy Web服务；

4.4 AlluxioJobMaster

4.4.1. 启动流程

• 基于AlluxioJobMasterProcess.Factory创建对应的进程对象：AlluxioJobMasterProcess；
• AlluxioJobMasterProcess执行start方法，调用细节如下：
  • 启动AlluxioJobMaster关联的JournalSystem，并获取Master Leader；
  • 启动Job的Server服务，调用JobMaster start；
  • 分别启动JobMaster的Web Server和RPC Server，提供对外通信服务；

4.4.2. JobMaster

Alluxio内置轻量级的作业调度框架，JobMaster处理AlluxioJobMaster中所有job管理相关操作。
start启动流程概述：基于PlanTracker获取上一次调度系统中遗留的所有运行中执行计划并停止，提交HeartbeatThread(心跳线程) 进行监测，提交的进程是：LostWorkerDetectionHeartbeatExecutor，用于检测心跳丢失的Worker节点；

4.5 AlluxioJobWorker

4.5.1. 启动流程

• 通过MasterInquireClient.Factory 获取Alluxio Master的地址和相关配置信息；
• 创建AlluxioJobWorkerProcess进程对象，并执行start方法，具体如下：- 注册WebServer Handler并启动JobWorkerWebServer，提供Web服务；- 启动JobWorker的Server服务 JobWorker，注册job worker节点，并提交心跳检测线程CommandHandlingExecutor；- 启动RPC服务于外部通信。

4.5.2. JobWorker

负责管理Worker节点中执行任务相关的所有操作，通过CommandHandlingExecutor 心跳检测执行进程实现。
start启动流程概述：向JobWorkerIdRegistry注册当前worker节点信息，提交HeartbeatThread(心跳线程) 进行监测，提交的线程是：CommandHandlingExecutor，处理JobWorker节点所接受的Command命令。

Part 5 RPC框架

Alluxio是分布式存储缓存系统，服务之间的通信经过RPC调用，其内部采用了grpc框架实现，在子项目alluxio-core-transport中定义RPC的proto文件。以AlluxioMaster为例，详述RPC启动调用流程：AlluxioMaster进程启动的时候，会启动grpc server 对外提供接口服务，其中Server(Master服务)中定义各个Server待注册启动的RPC服务，所有RPC服务注册到GrpcServerBuilder后，基于GrpcServerBuilder.build生成GrpcServer并启动。

Master RPC和Worker RPC注册服务，都是基于Handler实现grpc定义的方法，如下所示：