Hadoop2.6.0中YARN底层状态机实现分析

来源:互联网 发布:手机网络代理ip 编辑:程序博客网 时间:2024/06/01 17:06

以下内容转自http://blog.csdn.net/beliefer/article/details/51190842


Hadoop2.6.0中YARN底层状态机实现分析


前言

Hadoop2.x.x版本的底层实现中作了很多优化:用状态机对各种对象生命周期和状态转移进行管理;采用事件机制避免线程同步与阻塞;采用Protocol Buffers优化RPC性能;采用Apache Avro优化日志等。本文主要针对YARN中状态机的实现进行分析,在这个过程中,会捎带一些事件的内容。

事件

YARN中的很多组件之间进行通信,主要借助于事件。为了可读性、可维护性及可扩展性,YARN中的事件由事件名称和事件类型组成。比如JobImpl处理的事件名称为JobEvent,而事件类型为JobEventType。有关Hadoop2.6.0的事件分类与实现可以参考《Hadoop2.6.0的事件分类与实现》一文。

状态

YARN中的每个组件都有其自身所处的一系列状态,比如JobImpl内部的一系列状态都定义在JobStateInternal中,如代码清单1所示。

代码清单1

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  1. public enum JobStateInternal {  
  2.   NEW,  
  3.   SETUP,  
  4.   INITED,  
  5.   RUNNING,  
  6.   COMMITTING,  
  7.   SUCCEEDED,  
  8.   FAIL_WAIT,  
  9.   FAIL_ABORT,  
  10.   FAILED,  
  11.   KILL_WAIT,  
  12.   KILL_ABORT,  
  13.   KILLED,  
  14.   ERROR,  
  15.   REBOOT  
  16. }  

我们看到JobImpl的内部状态包括新建(NEW)、初始化(INITED)、运行中(RUNNING)、提交中(COMMITTING)、成功(SUCCEEDED)、失败(FAILED)等。

转换(过渡)

我们已经了解了事件与状态的基本实现与概念,那么事件与状态有什么关系?从哲学角度讲,状态是一个事物的静止属性,而事件则是一个事物与外界沟通的桥梁,只有静止却没有变化,那么它只是一滩死水。事物只有在接收信息后动起来,才算与外界有了互动。一个事物动起来就会潜移默化的发生改变,它内部就会发生转换。一个对象当前处于状态state0,当对象接收到事件Event后,将引发转换动作transition,最终当前对象的状态过渡到state1,这个过程可以用图1来表示。


图1 状态迁移示例

YARN中与过渡相关的类图如图2所示。


图2 YARN中与过渡相关的类图

YARN中的各个组件的变化都离不开状态的过度与变化,于是对这种行为进行了抽象,这种转换分为两类:单弧过渡与多弧过渡。(这种翻译不知道是否准确,我认为从一个状态到另一个状态的转换发生时,就像是在两个状态之间划了一道弧线一样)

单弧过渡

YARN中单弧过渡的实现代码如代码清单2,它的作用是当有限状态机(FSM)中的状态转换为已经注册到状态机的某种状态时,伴随的行为。

代码清单2

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  1. @Public  
  2. @Evolving  
  3. public interface SingleArcTransition<OPERAND, EVENT> {  
  4.   /** 
  5.    * Transition hook. 
  6.    *  
  7.    * @param operand the entity attached to the FSM, whose internal  
  8.    *                state may change. 
  9.    * @param event causal event 
  10.    */  
  11.   public void transition(OPERAND operand, EVENT event);  
  12.   
  13. }  

由于SingleArcTransition的具体实现类只负责接收到事件后的具体操作或行为,并没有包含状态相关的信息,所以在状态机执行状态过渡时,并不是直接调用SingleArcTransition具体实现类的transition方法,而是由接口Transition定义(见代码清单3)真正的转态过渡(包括行为和状态改变)。

代码清单3

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  1. private interface Transition<OPERAND, STATE extends Enum<STATE>,  
  2.         EVENTTYPE extends Enum<EVENTTYPE>, EVENT> {  
  3.   STATE doTransition(OPERAND operand, STATE oldState,  
  4.                      EVENT event, EVENTTYPE eventType);  
  5. }  

SingleInternalArc作为Transition接口的实现类,在代理SingleArcTransition的同时,负责状态变换,见代码清单4。

代码清单4

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  1. private class SingleInternalArc  
  2.                   implements Transition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> {  
  3.   
  4.   private STATE postState;  
  5.   private SingleArcTransition<OPERAND, EVENT> hook; // transition hook  
  6.   
  7.   SingleInternalArc(STATE postState,  
  8.       SingleArcTransition<OPERAND, EVENT> hook) {  
  9.     this.postState = postState;  
  10.     this.hook = hook;  
  11.   }  
  12.   
  13.   @Override  
  14.   public STATE doTransition(OPERAND operand, STATE oldState,  
  15.                             EVENT event, EVENTTYPE eventType) {  
  16.     if (hook != null) {  
  17.       hook.transition(operand, event);  
  18.     }  
  19.     return postState;  
  20.   }  
  21. }  

多弧过渡

YARN中弧过渡的实现代码如代码清单5,它的作用是当有限状态机(FSM)中的状态转换为已经注册到状态机的多个有效状态中的一个时,伴随的行为与操作

代码清单5

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  1. @Public  
  2. @Evolving  
  3. public interface MultipleArcTransition  
  4.         <OPERAND, EVENT, STATE extends Enum<STATE>> {  
  5.   
  6.   /** 
  7.    * Transition hook. 
  8.    * @return the postState. Post state must be one of the  
  9.    *                      valid post states registered in StateMachine. 
  10.    * @param operand the entity attached to the FSM, whose internal  
  11.    *                state may change. 
  12.    * @param event causal event 
  13.    */  
  14.   public STATE transition(OPERAND operand, EVENT event);  
  15.   
  16. }  
由于MultipleArcTransition的具体实现类只负责接收到事件后的具体操作或行为,并没有包含状态相关的信息,所以在状态机执行状态过渡时,并不是直接调用MultipleArcTransition具体实现类的transition方法,而是通过代理类MultipleInternalArc,见代码清单6。MultipleInternalArc也实现了Transition接口,并在代理MultipleArcTransition的转换行为的同时,负责状态变换。

代码清单6

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  1. private class MultipleInternalArc  
  2.             implements Transition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>{  
  3.   
  4.   // Fields  
  5.   private Set<STATE> validPostStates;  
  6.   private MultipleArcTransition<OPERAND, EVENT, STATE> hook;  // transition hook  
  7.   
  8.   MultipleInternalArc(Set<STATE> postStates,  
  9.                  MultipleArcTransition<OPERAND, EVENT, STATE> hook) {  
  10.     this.validPostStates = postStates;  
  11.     this.hook = hook;  
  12.   }  
  13.   
  14.   @Override  
  15.   public STATE doTransition(OPERAND operand, STATE oldState,  
  16.                             EVENT event, EVENTTYPE eventType)  
  17.       throws InvalidStateTransitonException {  
  18.     STATE postState = hook.transition(operand, event);  
  19.   
  20.     if (!validPostStates.contains(postState)) {  
  21.       throw new InvalidStateTransitonException(oldState, eventType);  
  22.     }  
  23.     return postState;  
  24.   }  
  25. }  

为了将所有状态机中的状态过渡与状态建立起映射关系,YARN中提供了ApplicableTransition接口用于将SingleInternalArc和MultipleInternalArc添加到状态机的拓扑表中,提高在检索状态对应的过渡实现时的性能,ApplicableTransition的实现类为ApplicableSingleOrMultipleTransition类,其apply方法用于代理SingleInternalArc和MultipleInternalArc,将它们添加到状态拓扑表中。ApplicableTransition接口的定义见代码清单7,ApplicableSingleOrMultipleTransition的实现见代码清单8。

代码清单7

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  1. private interface ApplicableTransition  
  2.            <OPERAND, STATE extends Enum<STATE>,  
  3.             EVENTTYPE extends Enum<EVENTTYPE>, EVENT> {  
  4.   void apply(StateMachineFactory<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> subject);  
  5. }  

代码清单8

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  1. static private class ApplicableSingleOrMultipleTransition  
  2.            <OPERAND, STATE extends Enum<STATE>,  
  3.             EVENTTYPE extends Enum<EVENTTYPE>, EVENT>  
  4.         implements ApplicableTransition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> {  
  5.   final STATE preState;  
  6.   final EVENTTYPE eventType;  
  7.   final Transition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> transition;  
  8.   
  9.   ApplicableSingleOrMultipleTransition  
  10.       (STATE preState, EVENTTYPE eventType,  
  11.        Transition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> transition) {  
  12.     this.preState = preState;  
  13.     this.eventType = eventType;  
  14.     this.transition = transition;  
  15.   }  
  16.   
  17.   @Override  
  18.   public void apply  
  19.            (StateMachineFactory<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> subject) {  
  20.     Map<EVENTTYPE, Transition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>> transitionMap  
  21.       = subject.stateMachineTable.get(preState);  
  22.     if (transitionMap == null) {  
  23.       // I use HashMap here because I would expect most EVENTTYPE's to not  
  24.       //  apply out of a particular state, so FSM sizes would be   
  25.       //  quadratic if I use EnumMap's here as I do at the top level.  
  26.       transitionMap = new HashMap<EVENTTYPE,  
  27.         Transition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>>();  
  28.       subject.stateMachineTable.put(preState, transitionMap);  
  29.     }  
  30.     transitionMap.put(eventType, transition);  
  31.   }  
  32. }  

可以看到ApplicableSingleOrMultipleTransition的apply方法就是为构建状态拓扑表而开发的。

状态机

YARN中状态机的实现类是StateMachineFactory,它主要包含4个属性信息:

  • transitionsListNode:过渡列表节点。根据其名字不太容易理解,我这里说得简单点,就是将状态机的一个个过渡的ApplicableTransition实现串联为一个列表,每个节点包含一个ApplicableTransition实现及指向下一个节点的引用,其实现见代码清单9所示。

代码清单9

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  1. private class TransitionsListNode {  
  2.   final ApplicableTransition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> transition;  
  3.   final TransitionsListNode next;  
  4.   
  5.   TransitionsListNode  
  6.       (ApplicableTransition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> transition,  
  7.       TransitionsListNode next) {  
  8.     this.transition = transition;  
  9.     this.next = next;  
  10.   }  
  11. }  

transitionsListNode形成的过渡列表节点可以用图3表示。


图3 transitionsListNode过渡链表结构


  • stateMachineTable:状态拓扑表,为了提高检索状态对应的过渡map而冗余的数据结构,此结构在optimized为真时,通过对transitionsListNode链表进行处理产生。stateMachineTable的结构可以用图4来表示。


图4 状态拓扑表数据结构

  • defaultInitialState:对象创建时,内部有限状态机的默认初始状态。比如:JobImpl的内部状态机默认初始状态是JobStateInternal.NEW。
  • optimized:布尔类型,用于标记当前状态机是否需要优化性能,即构建状态拓扑表stateMachineTable。


共有构造器

StateMachineFactory的公有构造器只有一个,其实现见代码清单10。

代码清单10

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  1. public StateMachineFactory(STATE defaultInitialState) {  
  2.   this.transitionsListNode = null;  
  3.   this.defaultInitialState = defaultInitialState;  
  4.   this.optimized = false;  
  5.   this.stateMachineTable = null;  
  6. }  
可见新建的StateMachineFactory实例只有一个默认初始状态参数defaultInitialState。

私有构造器

StateMachineFactory私有构造器有两个,其中代码清单11中的构造器在addTransition方法中使用。从其实现看出,此构造器的主要作用是构建transitionsListNode链表。

代码清单11

[java] view plain copy
  1. private StateMachineFactory  
  2.     (StateMachineFactory<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> that,  
  3.      ApplicableTransition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> t) {  
  4.   this.defaultInitialState = that.defaultInitialState;  
  5.   this.transitionsListNode   
  6.       = new TransitionsListNode(t, that.transitionsListNode);  
  7.   this.optimized = false;  
  8.   this.stateMachineTable = null;  
  9. }  
而代码清单12中的构造器则在installTopology方法中使用。

代码清单12

[java] view plain copy
  1. private StateMachineFactory  
  2.     (StateMachineFactory<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> that,  
  3.      boolean optimized) {  
  4.   this.defaultInitialState = that.defaultInitialState;  
  5.   this.transitionsListNode = that.transitionsListNode;  
  6.   this.optimized = optimized;  
  7.   if (optimized) {  
  8.     makeStateMachineTable();  
  9.   } else {  
  10.     stateMachineTable = null;  
  11.   }  
  12. }  
代码清单12中的构造器当optimized参数为true时,调用了makeStateMachineTable方法,makeStateMachineTable的实现见代码清单13所示。

代码清单13

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  1. private void makeStateMachineTable() {  
  2.   Stack<ApplicableTransition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>> stack =  
  3.     new Stack<ApplicableTransition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>>();  
  4.   
  5.   Map<STATE, Map<EVENTTYPE, Transition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>>>  
  6.     prototype = new HashMap<STATE, Map<EVENTTYPE, Transition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>>>();  
  7.   
  8.   prototype.put(defaultInitialState, null);  
  9.   
  10.   // I use EnumMap here because it'll be faster and denser.  I would  
  11.   //  expect most of the states to have at least one transition.  
  12.   stateMachineTable  
  13.      = new EnumMap<STATE, Map<EVENTTYPE,  
  14.                          Transition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>>>(prototype);  
  15.   
  16.   for (TransitionsListNode cursor = transitionsListNode;  
  17.        cursor != null;  
  18.        cursor = cursor.next) {  
  19.     stack.push(cursor.transition);  
  20.   }  
  21.   
  22.   while (!stack.isEmpty()) {  
  23.     stack.pop().apply(this);  
  24.   }  
  25. }  
通过阅读makeStateMachineTable的实现,不难看出其作用:

  1. 创建堆栈stack,用于将transitionsListNode链表中各个节点持有的ApplicableSingleOrMultipleTransition压入栈中;
  2. 创建状态拓扑表stateMachineTable,并在此拓扑表中插入一个额外的默认初始状态defaultInitialState与null的映射;
  3. 迭代访问transitionsListNode链表,并将各个节点持有的ApplicableSingleOrMultipleTransition压入栈中;
  4. 依次弹出栈顶的ApplicableSingleOrMultipleTransition,并应用其apply方法(已在前面小节介绍),持续不断的构建状态拓扑表stateMachineTable。
至此,关于YARN状态机的基本概念和接口叙述完毕。下面分析状态机构建过程。

状态机构建

为了简化叙述,本节以JobImpl中状态机的构建为例。由于JobImpl的状态机预设的(调用addTransition方法)加入的ApplicableSingleOrMultipleTransition非常多,我们节选其中的2个作为典型进行分析。最后还会分析installTopology方法的实现。JobImpl中状态机的定义见代码清单14。

代码清单14

[java] view plain copy
  1. protected static final  
  2.   StateMachineFactory<JobImpl, JobStateInternal, JobEventType, JobEvent>   
  3.      stateMachineFactory  
  4.    = new StateMachineFactory<JobImpl, JobStateInternal, JobEventType, JobEvent>  
  5.             (JobStateInternal.NEW)  
  6.   
  7.         // Transitions from NEW state  
  8.         .addTransition(JobStateInternal.NEW, JobStateInternal.NEW,  
  9.             JobEventType.JOB_DIAGNOSTIC_UPDATE,  
  10.             DIAGNOSTIC_UPDATE_TRANSITION)  
  11.         .addTransition(JobStateInternal.NEW, JobStateInternal.NEW,  
  12.             JobEventType.JOB_COUNTER_UPDATE, COUNTER_UPDATE_TRANSITION)  
  13.         .addTransition  
  14.             (JobStateInternal.NEW,  
  15.             EnumSet.of(JobStateInternal.INITED, JobStateInternal.NEW),  
  16.             JobEventType.JOB_INIT,  
  17.             new InitTransition())  
  18.         // 省略其它addTransition调用  
  19.         // create the topology tables  
  20.         .installTopology();  

构建JobImpl的状态机的步骤如下:

  1. 调用StateMachineFactory构造器创建一个初始的状态机;
  2. 调用addTransition(STATE preState, STATE postState, EVENTTYPE eventType, SingleArcTransition<OPERAND, EVENT> hook)方法添加单弧过渡。从其实现(见代码清单15)可以知道addTransition方法将SingleArcTransition封装为SingleInternalArc,然后将SingleInternalArc封装为ApplicableSingleOrMultipleTransition,最后调用之前说的第一个私有构造器构建transitionsListNode链表;
  3. 调用addTransition(STATE preState, Set<STATE> postStates, EVENTTYPE eventType, MultipleArcTransition<OPERAND, EVENT, STATE> hook)方法添加多弧过渡。从其实现(见代码清单16)可以知道addTransition方法将MultipleArcTransition封装为MultipleInternalArc,然后将MultipleInternalArc封装为ApplicableSingleOrMultipleTransition,最后调用之前说的第一个私有构造器构建transitionsListNode链表;
  4. 最后调用installTopology方法,其实现见代码清单17。installTopology正是在使用之前说的第二个私有构造器构建状态拓扑表stateMachineTable;
代码清单15
[java] view plain copy
  1. public StateMachineFactory  
  2.            <OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>  
  3.         addTransition(STATE preState, STATE postState,  
  4.                       EVENTTYPE eventType,  
  5.                       SingleArcTransition<OPERAND, EVENT> hook){  
  6.   return new StateMachineFactory<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>  
  7.       (thisnew ApplicableSingleOrMultipleTransition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>  
  8.          (preState, eventType, new SingleInternalArc(postState, hook)));  
  9. }  

代码清单16


[java] view plain copy
  1. public StateMachineFactory  
  2.            <OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>  
  3.         addTransition(STATE preState, Set<STATE> postStates,  
  4.                       EVENTTYPE eventType,  
  5.                       MultipleArcTransition<OPERAND, EVENT, STATE> hook){  
  6.   return new StateMachineFactory<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>  
  7.       (this,  
  8.        new ApplicableSingleOrMultipleTransition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>  
  9.          (preState, eventType, new MultipleInternalArc(postStates, hook)));  
  10. }  

代码清单17

[java] view plain copy
  1. public StateMachineFactory  
  2.            <OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>  
  3.         installTopology() {  
  4.   return new StateMachineFactory<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>(thistrue);  
  5. }  

再来看看代码清单14中列出的DIAGNOSTIC_UPDATE_TRANSITION,其实现如下。

[java] view plain copy
  1. private static final DiagnosticsUpdateTransition  
  2.     DIAGNOSTIC_UPDATE_TRANSITION = new DiagnosticsUpdateTransition();  
DiagnosticsUpdateTransition的代码实现如下,可见其类型的确是SingleArcTransition。COUNTER_UPDATE_TRANSITION也是类似,故不再赘述。

[java] view plain copy
  1. private static class DiagnosticsUpdateTransition implements  
  2.     SingleArcTransition<JobImpl, JobEvent> {  
  3.   @Override  
  4.   public void transition(JobImpl job, JobEvent event) {  
  5.     job.addDiagnostic(((JobDiagnosticsUpdateEvent) event)  
  6.         .getDiagnosticUpdate());  
  7.   }  
  8. }  

代码清单14中的InitTransition,其实现如下。具体逻辑此处就不必详述了,有兴趣的同学可以继续进行分析。

[java] view plain copy
  1. public static class InitTransition   
  2.     implements MultipleArcTransition<JobImpl, JobEvent, JobStateInternal> {  
  3.   
  4.   @Override  
  5.   public JobStateInternal transition(JobImpl job, JobEvent event) {  
  6.       // 省略具体逻辑  
  7.     }  
  8.   }  
  9. }  

状态转移

StateMachineFactory状态转换的代码如下。
[java] view plain copy
  1. private STATE doTransition  
  2.          (OPERAND operand, STATE oldState, EVENTTYPE eventType, EVENT event)  
  3.     throws InvalidStateTransitonException {  
  4.   // We can assume that stateMachineTable is non-null because we call  
  5.   //  maybeMakeStateMachineTable() when we build an InnerStateMachine ,  
  6.   //  and this code only gets called from inside a working InnerStateMachine .  
  7.   Map<EVENTTYPE, Transition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT>> transitionMap  
  8.     = stateMachineTable.get(oldState);  
  9.   if (transitionMap != null) {  
  10.     Transition<OPERAND, STATE, EVENTTYPE, EVENT> transition  
  11.         = transitionMap.get(eventType);  
  12.     if (transition != null) {  
  13.       return transition.doTransition(operand, oldState, event, eventType);  
  14.     }  
  15.   }  
  16.   throw new InvalidStateTransitonException(oldState, eventType);  
  17. }  

通过阅读其实现,doTransition方法的执行步骤如下:

  1. 根据组件(例如JobImpl)当前状态(oldState)从状态拓扑表stateMachineTable中获取oldState对应的Transition映射表;
  2. 如果oldState对应的Transition映射表不为null,则根据事件类型EVENTTYPE从映射表中获取对应的Transition;
  3. 如果存在对应的Transition,那么调用其doTransition方法进行真正的转态转移(过渡)。


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