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Go語言實(shí)戰(zhàn)之實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單分布式系統(tǒng)

 更新時(shí)間:2022年10月26日 15:34:49   作者:MarvinZhang  
如今很多云原生系統(tǒng)、分布式系統(tǒng),例如?Kubernetes,都是用?Go?語言寫的,這是因?yàn)?Go?語言天然支持異步編程。本篇文章將介紹如何用?Go?語言編寫一個(gè)簡單的分布式系統(tǒng),需要的小伙伴開業(yè)跟隨小編一起學(xué)習(xí)一下

引子

如今很多云原生系統(tǒng)、分布式系統(tǒng),例如 Kubernetes,都是用 Go 語言寫的,這是因?yàn)?Go 語言天然支持異步編程,而且靜態(tài)語言能保證應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性。筆者的開源項(xiàng)目 Crawlab 作為爬蟲管理平臺(tái),也應(yīng)用到了分布式系統(tǒng)。本篇文章將介紹如何用 Go 語言編寫一個(gè)簡單的分布式系統(tǒng)。

思路

在開始寫代碼之前,我們先思考一下需要實(shí)現(xiàn)些什么。

  • 主節(jié)點(diǎn)(Master Node):中控系統(tǒng),相當(dāng)于軍隊(duì)中的指揮官,派發(fā)任務(wù)命令
  • 工作節(jié)點(diǎn)(Worker Node):執(zhí)行者,相當(dāng)于軍隊(duì)中的士兵,執(zhí)行任務(wù)

除了上面的概念以外,我們需要實(shí)現(xiàn)一些簡單功能。

  • 上報(bào)運(yùn)行狀態(tài)(Report Status):工作節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)上報(bào)當(dāng)前狀態(tài)
  • 分派任務(wù)(Assign Task):通過 API 向主節(jié)點(diǎn)發(fā)起請求,主節(jié)點(diǎn)再向工作節(jié)點(diǎn)分派任務(wù)
  • 運(yùn)行腳本(Execute Script):工作節(jié)點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)中的腳本

整個(gè)流程示意圖如下。

實(shí)戰(zhàn)

節(jié)點(diǎn)通信

節(jié)點(diǎn)之間的通信在分布式系統(tǒng)中非常重要,畢竟每個(gè)節(jié)點(diǎn)或機(jī)器如果孤立運(yùn)行,就失去了分布式系統(tǒng)的意義。因此,節(jié)點(diǎn)通信在分布式系統(tǒng)中是核心模塊。

gRPC 協(xié)議

首先,我們來想一下,如何讓節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行相互通信。最常用的通信方式就是 API,不過這個(gè)通信方式有個(gè)缺點(diǎn),就是需要將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的 IP 地址及端口顯示暴露給其他節(jié)點(diǎn),這在公網(wǎng)中是不太安全的。因此,我們選擇了 gRPC,一種流行的遠(yuǎn)程過程調(diào)用(Remote Procedure Call,RPC)框架。這里我們不過多的解釋 RPC 或 gRPC 的原理,簡而言之,就是能讓調(diào)用者在遠(yuǎn)程機(jī)器上執(zhí)行命令的協(xié)議方式。

為了使用 gRPC 框架,我們先創(chuàng)建 go.mod 并輸入以下內(nèi)容,并執(zhí)行 go mod download。注意:對于國內(nèi)的朋友,或許需要添加代理才能正常下載,可以先執(zhí)行 export GOPROXY=goproxy.cn,direct 后再執(zhí)行下載命令。

module go-distributed-system
?
go 1.17
?
require (
  github.com/golang/protobuf v1.5.0
  google.golang.org/grpc v1.27.0
  google.golang.org/protobuf v1.27.1
)

然后,我們創(chuàng)建 Protocol Buffers 文件 node.proto(表示節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的 gRPC 協(xié)議文件),并輸入以下內(nèi)容。

syntax = "proto3";
?
package core;
option go_package = ".;core";
?
message Request {
  string action = 1;
}
?
message Response {
  string data = 1;
}
?
service NodeService {
  rpc ReportStatus(Request) returns (Response){};       // Simple RPC
  rpc AssignTask(Request) returns (stream Response){};  // Server-Side RPC
}

在這里我們創(chuàng)建了兩個(gè) RPC 服務(wù),分別是負(fù)責(zé)上報(bào)狀態(tài)的 Simple RPC ReportStatus 以及 Server-Side RPC AssignTask。Simple RPC 和 Server-Side RPC 的區(qū)別如下圖所示,主要區(qū)別在于 Server-Side RPC 可以從通過流(Stream)向客戶端(Client)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù),而 Simple RPC 只能從客戶端向服務(wù)端(Server)發(fā)請求。

創(chuàng)建好 .proto 文件后,我們需要將這個(gè) gRPC 協(xié)議文件轉(zhuǎn)化為 .go 代碼文件,從而能被 Go 程序引用。在命令行窗口中執(zhí)行如下命令。注意:編譯工具 protoc 不是自帶的,需要單獨(dú)下載,具體可以參考文檔 https://grpc.io/docs/protoc-installation/。

mkdir core
protoc --go_out=./core \
    --go-grpc_out=./core \
    node.proto

執(zhí)行完后,可以在 core 目錄下看到兩個(gè) Go 代碼文件, node.pb.gonode_grpc.pb.go,這相當(dāng)于 Go 程序中對應(yīng)的 gRPC 庫。

gRPC 服務(wù)端

現(xiàn)在開始編寫服務(wù)端邏輯。

咱們先創(chuàng)建一個(gè)新文件 core/node_service_server.go,輸入以下內(nèi)容。主要邏輯就是實(shí)現(xiàn)了之前創(chuàng)建好的 gRPC 協(xié)議中的兩個(gè)調(diào)用方法。其中,暴露了 CmdChannel 這個(gè)通道(Channel)來獲取需要發(fā)送到工作節(jié)點(diǎn)的命令。

package core
?
import (
  "context"
)
?
type NodeServiceGrpcServer struct {
  UnimplementedNodeServiceServer
?
  // channel to receive command
  CmdChannel chan string
}
?
func (n NodeServiceGrpcServer) ReportStatus(ctx context.Context, request *Request) (*Response, error) {
  return &Response{Data: "ok"}, nil
}
?
func (n NodeServiceGrpcServer) AssignTask(request *Request, server NodeService_AssignTaskServer) error {
  for {
    select {
    case cmd := <-n.CmdChannel:
      // receive command and send to worker node (client)
      if err := server.Send(&Response{Data: cmd}); err != nil {
        return err
      }
    }
  }
}
?
var server *NodeServiceGrpcServer
?
// GetNodeServiceGrpcServer singleton service
func GetNodeServiceGrpcServer() *NodeServiceGrpcServer {
  if server == nil {
    server = &NodeServiceGrpcServer{
      CmdChannel: make(chan string),
    }
  }
  return server
}

gRPC 客戶端

gRPC 客戶端不需要具體實(shí)現(xiàn),我們通常只需要調(diào)用 gRPC 客戶端的方法,程序會(huì)自動(dòng)發(fā)起向服務(wù)端的請求以及獲取后續(xù)的響應(yīng)。

主節(jié)點(diǎn)

編寫好了節(jié)點(diǎn)通信的基礎(chǔ)部分,現(xiàn)在我們需要實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)了,這是整個(gè)中心化分布式系統(tǒng)的核心。

咱們創(chuàng)建一個(gè)新的文件 node.go,輸入以下內(nèi)容。

package core
?
import (
  "github.com/gin-gonic/gin"
  "google.golang.org/grpc"
  "net"
  "net/http"
)
?
// MasterNode is the node instance
type MasterNode struct {
  api     *gin.Engine            // api server
  ln      net.Listener           // listener
  svr     *grpc.Server           // grpc server
  nodeSvr *NodeServiceGrpcServer // node service
}
?
func (n *MasterNode) Init() (err error) {
  // TODO: implement me
  panic("implement me")
}
?
func (n *MasterNode) Start() {
  // TODO: implement me
  panic("implement me")
}
?
var node *MasterNode
?
// GetMasterNode returns the node instance
func GetMasterNode() *MasterNode {
  if node == nil {
    // node
    node = &MasterNode{}
?
    // initialize node
    if err := node.Init(); err != nil {
      panic(err)
    }
  }
?
  return node
}

其中,我們創(chuàng)建了兩個(gè)占位方法 InitStart,我們分別實(shí)現(xiàn)。

在初始化方法 Init 中,我們需要做幾件事情:

  • 注冊 gRPC 服務(wù)
  • 注冊 API 服務(wù)

現(xiàn)在,在 Init 方法中加入如下代碼。

func (n *MasterNode) Init() (err error) {
  // grpc server listener with port as 50051
  n.ln, err = net.Listen("tcp", ":50051")
  if err != nil {
    return err
  }
?
  // grpc server
  n.svr = grpc.NewServer()
?
  // node service
  n.nodeSvr = GetNodeServiceGrpcServer()
?
  // register node service to grpc server
  RegisterNodeServiceServer(node.svr, n.nodeSvr)
?
  // api
  n.api = gin.Default()
  n.api.POST("/tasks", func(c *gin.Context) {
    // parse payload
    var payload struct {
      Cmd string `json:"cmd"`
    }
    if err := c.ShouldBindJSON(&payload); err != nil {
      c.AbortWithStatus(http.StatusBadRequest)
      return
    }
?
    // send command to node service
    n.nodeSvr.CmdChannel <- payload.Cmd
?
    c.AbortWithStatus(http.StatusOK)
  })
?
  return nil
}

可以看到,我們新建了一個(gè) gRPC Server,并將之前的 NodeServiceGrpcServer 注冊了進(jìn)去。另外,我們還用 gin 框架創(chuàng)建了一個(gè)簡單的 API 服務(wù),可以 POST 請求到 /tasksNodeServiceGrpcServer 中的命令通道 CmdChannel 傳送命令。這樣就將各個(gè)部件串接起來了!

啟動(dòng)方法 Start 很簡單,就是啟動(dòng) gRPC Server 以及 API Server。

func (n *MasterNode) Start() {
  // start grpc server
  go n.svr.Serve(n.ln)
?
  // start api server
  _ = n.api.Run(":9092")
?
  // wait for exit
  n.svr.Stop()
}

下一步,我們就要實(shí)現(xiàn)實(shí)際做任務(wù)的工作節(jié)點(diǎn)了。

工作節(jié)點(diǎn)

現(xiàn)在,我們創(chuàng)建一個(gè)新文件 core/worker_node.go,輸入以下內(nèi)容。

package core
?
import (
  "context"
  "google.golang.org/grpc"
  "os/exec"
)
?
type WorkerNode struct {
  conn *grpc.ClientConn  // grpc client connection
  c    NodeServiceClient // grpc client
}
?
func (n *WorkerNode) Init() (err error) {
  // connect to master node
  n.conn, err = grpc.Dial("localhost:50051", grpc.WithInsecure())
  if err != nil {
    return err
  }
?
  // grpc client
  n.c = NewNodeServiceClient(n.conn)
?
  return nil
}
?
func (n *WorkerNode) Start() {
  // log
  fmt.Println("worker node started")
?
  // report status
  _, _ = n.c.ReportStatus(context.Background(), &Request{})
?
  // assign task
  stream, _ := n.c.AssignTask(context.Background(), &Request{})
  for {
    // receive command from master node
    res, err := stream.Recv()
    if err != nil {
      return
    }
?
    // log command
    fmt.Println("received command: ", res.Data)
?
    // execute command
    parts := strings.Split(res.Data, " ")
    if err := exec.Command(parts[0], parts[1:]...).Run(); err != nil {
      fmt.Println(err)
    }
  }
}
?
var workerNode *WorkerNode
?
func GetWorkerNode() *WorkerNode {
  if workerNode == nil {
    // node
    workerNode = &WorkerNode{}
?
    // initialize node
    if err := workerNode.Init(); err != nil {
      panic(err)
    }
  }
?
  return workerNode
}

其中,我們在初始化方法 Init 中創(chuàng)建了gRPC 客戶端,并連接了主節(jié)點(diǎn)的 gRPC 服務(wù)端。

在啟動(dòng)方法 Start 中做了幾件事情:

  • 調(diào)用上報(bào)狀態(tài)(Report Status)的 Simple RPC 方法
  • 調(diào)用分配任務(wù)(Assign Task)的 Server-Side RPC 方法,獲取到了流(Stream)
  • 通過循環(huán)不斷接受流傳輸過來的來自服務(wù)端(也就是主節(jié)點(diǎn))的信息,并執(zhí)行命令

這樣,整個(gè)包含主節(jié)點(diǎn)、工作節(jié)點(diǎn)的分布式系統(tǒng)核心邏輯就寫好了!

將它們放在一起

最后,我們需要將這些核心邏輯用命令行工具封裝一下,以便啟用。

創(chuàng)建主程序文件 main.go,并輸入以下內(nèi)容。

package main
?
import (
  "go-distributed-system/core"
  "os"
)
?
func main() {
  nodeType := os.Args[0]
  switch nodeType {
  case "master":
    core.GetMasterNode().Start()
  case "worker":
    core.GetWorkerNode().Start()
  default:
    panic("invalid node type")
  }
}

這樣,整個(gè)簡單的分布式系統(tǒng)就創(chuàng)建好了!

代碼效果

下面我們來運(yùn)行一下代碼。

打開兩個(gè)命令行窗口,其中一個(gè)輸入 go run main.go master 啟動(dòng)主節(jié)點(diǎn),另一個(gè)輸入 go run main.go worker 啟動(dòng)工作節(jié)點(diǎn)。

如果主節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)成功,將會(huì)看到如下日志信息。

[GIN-debug] [WARNING] Creating an Engine instance with the Logger and Recovery middleware already attached.
?
[GIN-debug] [WARNING] Running in "debug" mode. Switch to "release" mode in production.
 - using env:   export GIN_MODE=release
 - using code:  gin.SetMode(gin.ReleaseMode)
?
[GIN-debug] POST   /tasks                    --> go-distributed-system/core.(*MasterNode).Init.func1 (3 handlers)
[GIN-debug] [WARNING] You trusted all proxies, this is NOT safe. We recommend you to set a value.
Please check https://pkg.go.dev/github.com/gin-gonic/gin#readme-don-t-trust-all-proxies for details.
[GIN-debug] Listening and serving HTTP on :9092

如果工作節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)成功,將會(huì)看到如下日志信息。

worker node started

主節(jié)點(diǎn)、工作節(jié)點(diǎn)都啟動(dòng)成功后,我們在另外一個(gè)命令行窗口中輸入如下命令來發(fā)起 API 請求。

curl -X POST \
  -H "Content-Type: application/json" \
  -d '{"cmd": "touch /tmp/hello-distributed-system"}' \
  http://localhost:9092/tasks

在工作節(jié)點(diǎn)窗口應(yīng)該可以看到日志 received command: touch /tmp/hello-distributed-system。

然后查看文件是否順利生成,執(zhí)行 ls -l /tmp/hello-distributed-system

-rw-r--r--  1 marvzhang  wheel     0B Oct 26 12:22 /tmp/hello-distributed-system

文件成功生成,表示已經(jīng)通過工作節(jié)點(diǎn)執(zhí)行成功了!大功告成!

總結(jié)

本篇文章通過 RPC 框架 gRPC 以及 Go 語言自帶的 Channel,將節(jié)點(diǎn)串接起來,開發(fā)出了一個(gè)簡單的分布式系統(tǒng)。所用到的核心庫和技術(shù):

整個(gè)代碼示例倉庫在 GitHub 上: https://github.com/tikazyq/codao-code/tree/main/2022-10/go-distributed-system

到此這篇關(guān)于Go語言實(shí)戰(zhàn)之實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單分布式系統(tǒng)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Go語言分布式系統(tǒng)內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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