Java Worker 设计模式

Worker模式

想解决的问题

异步执行一些任务，有返回或无返回结果

使用动机

有些时候想执行一些异步任务，如异步网络通信、daemon任务，但又不想去管理这任务的生命周。这个时候可以使用Worker模式，它会帮您管理与执行任务，并能非常方便地获取结果

结构

很多人可能为觉得这与executor很像，但executor是多线程的，它的作用更像是一个规划中心。而Worker则只是个搬运工，它自己本身只有一个线程的。每个worker有自己的任务处理逻辑，为了实现这个目的，有两种方式

1. 建立一个抽象的AbstractWorker，不同逻辑的worker对其进行不同的实现；
2. 对worker新增一个TaskProcessor不同的任务传入不同的processor即可。

第二种方式worker的角色可以很方便地改变，而且可以随时更换processor，可以理解成可”刷机”的worker    ^ ^。这里我们使用第二种方式来介绍此模式的整体结构。

针对上图，详细介绍一下几个角色：

• ConfigurableWorker：顾名思义这个就是真正干活的worker了。要实现自我生命周期管理，需要实现Runable，这样其才能以单独的线程运行，需要注意的是work最好以daemon线程的方式运行。worker里面还包括几个其它成员：taskQueue，一个阻塞性质的queue，一般BlockingArrayList就可以了，这样任务是FIFO（先进先出）的，如果要考虑任务的优先级，则可以考虑使用PriorityBlockingQueue；listeners，根据事件进行划分的事件监听者，以便于当一个任务完成的时候进行处理，需要注意的是，为了较高效地进行listener遍历，这里我推荐使用CopyOnWriteArrayList，免得每次都复制。其对应的方法有addlistener、addTask等配套方法，这个都不多说了，更详细的可以看后面的示例代码。
• WorkerTask：实际上这是一个抽象的工内容，其包括基本的id与，task的ID是Worker生成的，相当于递wtte后的一个执回，当数据执行完了的时候需要使用这个id来取结果。而后面真正实现的实体task则包含任务处理时需要的数据。
• Processor：为了实现可”刷机”的worker，我们将处理逻辑与worker分开来，processor的本职工作很简单，只需要加工传入的task数据即可，加工完成后触发fireEvent（WorkerEvent.TASK_COMPLETE）事件，之后通过Future的get即可得到最终的数据。

另外再说一点，对于addTask，可以有一个overload的方法，即在输入task的同时，传入一个RejectPolice，这样可以在size过大的时候做出拒绝操作，有效避免被撑死。

适用性/问题

这种设计能自动处理任务，并能根据任务的优先级自动调节任务的执行顺序，一个完全独立的thread，你完全可以将其理解成一专门负责干某种活的”机器人”。它可以用于处理一些定时、请求量固定均匀且对实时性要求不是太高的任务，如日志记录，数据分析等。当然，如果想提高任务处理的数据，可以生成多个worker，就相当于雇佣更多的人来为你干活，非常直观的。当然这样一来，谁来维护这worker便成了一个问题，另外就目前这种设计下worker之间是没有通信与协同的，这些都是改进点。

那么对于多个worker，有什么组织方式呢？这里我介绍三种，算是抛砖引玉：

流水线式worker(assembly-line worker)

就像生产车间上的流水线工人一样，将任务切分成几个小块，每个worker负责自己的一部分，以提高整体的生产、产出效率，如下图：

假设完成任务 t 需要的时间为：W(t)=n，那么将任务分解成m份，流水线式的执行，每小份需要的时间便为 W(t/m)=n/m，那么执行1000条任务的时间，单个为1000n，流水线长度为L，则用这种方式所用的时间为(1000-1)*(m-L+1)*n/m+n 其中L<m，由此可见，流水线的worker越多、任务越细分，工作的效率将越高。这种主方式的问题在于，如果一个worker出现问题，那么整个流水线就将停止工作。而且任务的优先级不能动态调用，必须事先告知。

多级反馈队列(Multilevel Feedback Queue)

这是一个有Q1、Q2...Qn个多重流水线方式，从高到低分别代码不同的优先级，高优先级的worker要多于低优先级的，一般是2的倍数，即Q4有16个worker、Q3有8个，后面类推。任务根据预先估计好的优先级进入，如果任务在某步的执行过长，直接踢到下一级，让出最快的资源。如下图所示：

显然这种方式的好处就在于可以动态地调整任务的优级，及时做出反应。当然，为了实现更好的高度，我们可以在低级里增加一个阀值，使得放偶然放入低级的task可以有复活的机会^ ^。

MapReduce式

流水线虽然有一定的并行性，但总体来说仍然是串行的，因为只要有一个节点出了问题，那都是致命的错误。MapReduce是Google率先实现的一个分布式算法，有非常好的并行执行效率。

如上图所示，只要我们将Map与Reduce都改成Worker就行了，如MapWorker与ReduceWorker。这样，可以看见，Map的过程是完全并行的，当然这样就需要在Map与Reduce上的分配与数据组合上稍稍下一点功夫了。

样例实现

这里我们实现一个PageURLMiningWorker，对给定的URL，打开页面后，采取所有的URL，并反回结果进行汇总输出。由于时间有限，这里我只实现了单worker与MapReduce worker集两种方式，有兴趣的同学可以实现其它类型，如多级反馈队列。注意！我这里只是向大家展示这种设计模式，URL 抓取的效率不在本次考虑之列。

所有的代码可以在这里获取：https://github.com/sefler1987/javaworker

单Worker实现样例

package com.alibaba.taobao.main;import java.util.Arrays;import java.util.List;import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;import java.util.concurrent.ConcurrentSkipListSet;import java.util.concurrent.TimeUnit;import com.alibaba.taobao.worker.ConfigurableWorker;import com.alibaba.taobao.worker.SimpleURLComparator;import com.alibaba.taobao.worker.WorkerEvent;import com.alibaba.taobao.worker.WorkerListener;import com.alibaba.taobao.worker.WorkerTask;import com.alibaba.taobao.worker.linear.PageURLMiningProcessor;import com.alibaba.taobao.worker.linear.PageURLMiningTask;/** * Linear version of page URL mining. It's slow but simple. * Average time cost for 1000 URLs is: 3800ms * * @author xuanyin.zy E-mail:[e-mail] * @since Sep 16, 2012 5:35:40 PM */public class LinearURLMiningMain implements WorkerListener {    private static final String EMPTY_STRING = "";    private static final int URL_SIZE_TO_MINE = 10000;    private static ConcurrentHashMap<String, WorkerTask<?>> taskID2TaskMap = new ConcurrentHashMap<String, WorkerTask<?>>();    private static ConcurrentSkipListSet<String> foundURLs = new ConcurrentSkipListSet<String>(new SimpleURLComparator());    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        long startTime = System.currentTimeMillis();        ConfigurableWorker worker = new ConfigurableWorker("W001");        worker.setTaskProcessor(new PageURLMiningProcessor());        addTask2Worker(worker, new PageURLMiningTask("http://www.taobao.com"));        addTask2Worker(worker, new PageURLMiningTask("http://www.xinhuanet.com"));        addTask2Worker(worker, new PageURLMiningTask("http://www.zol.com.cn"));        addTask2Worker(worker, new PageURLMiningTask("http://www.163.com"));        LinearURLMiningMain mainListener = new LinearURLMiningMain();        worker.addListener(mainListener);        worker.start();        String targetURL = EMPTY_STRING;        while (foundURLs.size() < URL_SIZE_TO_MINE) {            targetURL = foundURLs.pollFirst();            if (targetURL == null) {                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);                continue;            }            PageURLMiningTask task = new PageURLMiningTask(targetURL);            taskID2TaskMap.putIfAbsent(worker.addTask(task), task);            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);        }        worker.stop();        for (String string : foundURLs) {            System.out.println(string);        }        System.out.println("Time Cost: " + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");    }    private static void addTask2Worker(ConfigurableWorker mapWorker_1, PageURLMiningTask task) {        String taskID = mapWorker_1.addTask(task);        taskID2TaskMap.put(taskID, task);    }    @Override    public List<WorkerEvent> intrests() {        return Arrays.asList(WorkerEvent.TASK_COMPLETE, WorkerEvent.TASK_FAILED);    }    @Override    public void onEvent(WorkerEvent event, Object... args) {        if (WorkerEvent.TASK_FAILED == event) {            System.err.println("Error while extracting URLs");            return;        }        if (WorkerEvent.TASK_COMPLETE != event)            return;        PageURLMiningTask task = (PageURLMiningTask) args[0];        if (!taskID2TaskMap.containsKey(task.getTaskID()))            return;        foundURLs.addAll(task.getMinedURLs());        System.out.println("Found URL size: " + foundURLs.size());        taskID2TaskMap.remove(task.getTaskID());    }}

MapReduce实现样例

package com.alibaba.taobao.main;import java.util.ArrayList;import java.util.Arrays;import java.util.List;import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;import java.util.concurrent.ConcurrentSkipListSet;import java.util.concurrent.TimeUnit;import com.alibaba.taobao.worker.ConfigurableWorker;import com.alibaba.taobao.worker.SimpleURLComparator;import com.alibaba.taobao.worker.WorkerEvent;import com.alibaba.taobao.worker.WorkerListener;import com.alibaba.taobao.worker.WorkerTask;import com.alibaba.taobao.worker.mapreduce.Map2ReduceConnector;import com.alibaba.taobao.worker.mapreduce.MapReducePageURLMiningTask;import com.alibaba.taobao.worker.mapreduce.PageContentFetchProcessor;import com.alibaba.taobao.worker.mapreduce.URLMatchingProcessor;/** * MapReduce version of page URL mining. It's very powerful. * * @author xuanyin.zy E-mail:[e-mail] * @since Sep 16, 2012 5:35:40 PM */public class MapReduceURLMiningMain implements WorkerListener {    private static final String EMPTY_STRING = "";    private static final int URL_SIZE_TO_MINE = 10000;    private static ConcurrentHashMap<String, WorkerTask<?>> taskID2TaskMap = new ConcurrentHashMap<String, WorkerTask<?>>();    private static ConcurrentSkipListSet<String> foundURLs = new ConcurrentSkipListSet<String>(new SimpleURLComparator());    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        long startTime = System.currentTimeMillis();        // four mapers        List<ConfigurableWorker> mappers = new ArrayList<ConfigurableWorker>(4);        ConfigurableWorker mapWorker_1 = new ConfigurableWorker("W_M1");        ConfigurableWorker mapWorker_2 = new ConfigurableWorker("W_M2");        ConfigurableWorker mapWorker_3 = new ConfigurableWorker("W_M3");        ConfigurableWorker mapWorker_4 = new ConfigurableWorker("W_M4");        mapWorker_1.setTaskProcessor(new PageContentFetchProcessor());        mapWorker_2.setTaskProcessor(new PageContentFetchProcessor());        mapWorker_3.setTaskProcessor(new PageContentFetchProcessor());        mapWorker_4.setTaskProcessor(new PageContentFetchProcessor());        mappers.add(mapWorker_1);        mappers.add(mapWorker_2);        mappers.add(mapWorker_3);        mappers.add(mapWorker_4);        // one reducer        ConfigurableWorker reduceWorker_1 = new ConfigurableWorker("W_R1");        reduceWorker_1.setTaskProcessor(new URLMatchingProcessor());        // bind reducer to final result class        MapReduceURLMiningMain main = new MapReduceURLMiningMain();        reduceWorker_1.addListener(main);        // initiate tasks        addTask2Worker(mapWorker_1, new MapReducePageURLMiningTask("http://www.taobao.com"));        addTask2Worker(mapWorker_2, new MapReducePageURLMiningTask("http://www.xinhuanet.com"));        addTask2Worker(mapWorker_3, new MapReducePageURLMiningTask("http://www.zol.com.cn"));        addTask2Worker(mapWorker_4, new MapReducePageURLMiningTask("http://www.sina.com.cn/"));        // bind mapper to reduer        Map2ReduceConnector connector = new Map2ReduceConnector(Arrays.asList(reduceWorker_1));        mapWorker_1.addListener(connector);        mapWorker_2.addListener(connector);        mapWorker_3.addListener(connector);        mapWorker_4.addListener(connector);        // start all        mapWorker_1.start();        mapWorker_2.start();        mapWorker_3.start();        mapWorker_4.start();        reduceWorker_1.start();        String targetURL = EMPTY_STRING;        int lastIndex = 0;        while (foundURLs.size() < URL_SIZE_TO_MINE) {            targetURL = foundURLs.pollFirst();            if (targetURL == null) {                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);                continue;            }            lastIndex = ++lastIndex % mappers.size();            MapReducePageURLMiningTask task = new MapReducePageURLMiningTask(targetURL);            taskID2TaskMap.putIfAbsent(mappers.get(lastIndex).addTask(task), task);            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);        }        // stop all        mapWorker_1.stop();        mapWorker_2.stop();        mapWorker_3.stop();        mapWorker_4.stop();        reduceWorker_1.stop();        for (String string : foundURLs) {            System.out.println(string);        }        System.out.println("Time Cost: " + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");    }    private static void addTask2Worker(ConfigurableWorker mapWorker_1, MapReducePageURLMiningTask task) {        String taskID = mapWorker_1.addTask(task);        taskID2TaskMap.put(taskID, task);    }    @Override    public List<WorkerEvent> intrests() {        return Arrays.asList(WorkerEvent.TASK_COMPLETE, WorkerEvent.TASK_FAILED);    }    @Override    public void onEvent(WorkerEvent event, Object... args) {        if (WorkerEvent.TASK_FAILED == event) {            System.err.println("Error while extracting URLs");            return;        }        if (WorkerEvent.TASK_COMPLETE != event)            return;        MapReducePageURLMiningTask task = (MapReducePageURLMiningTask) args[0];        if (!taskID2TaskMap.containsKey(task.getTaskID()))            return;        foundURLs.addAll(task.getMinedURLs());        System.out.println("Found URL size: " + foundURLs.size());        taskID2TaskMap.remove(task.getTaskID());    }}

结果对比

Y轴为抓取X轴URL个数所用的时间

总结

我们可以看到，worker模式组合是非常灵活的，它真的就像一个活生生的工人，任你调配。使用worker，我们可以更方便地实现更复杂的结构。