Mongodb源码分析之balancer(均衡)分析-mongodb 时序数据库

在之前的Mongodb源码分析之Mongos分析中，介绍了mongos的启动流程，在那篇文章的结尾，介绍了mongos使用balancer来进行均衡，今天就继续讲其实现方式。

首先我们看一下Balancer及相关实现策略的类图：

可以看到Balancer类里包含一个BalancerPolicy，其指向一个均衡策略，该策略会实现查找并收集要迁移的chunk。

这里先看一下Balancer的类定义，如下:

//balace.h  
class Balancer : public BackgroundJob {  
public:  
Balancer();  
virtual ~Balancer();  
// BackgroundJob methods  
virtual void run();  
virtual string name() const { return "Balancer"; }  
 
private:  
typedef BalancerPolicy::ChunkInfo CandidateChunk;  
typedef shared_ptr<CandidateChunk> CandidateChunkPtr;  
 
//mongos名称(hostname:port)  
string _myid;  
 
// Balancer 启动时间  
time_t _started;  
 
// 前移的chunks数量  
int _balancedLastTime;  
 
// 均衡策略（确定要迁移的chunks）  
BalancerPolicy* _policy;  
 
//初始化，检查balancer 能否链接到servers.该方法可能抛出网络异常  
bool _init();  
 
/**  
 * 收集关于shards及chunks的信息，以及可能需要迁移的chunks  
 * @param conn: 指向config server(s)连接  
 * @param candidateChunks (IN/OUT): 可能需要迁移的chunks  
 */ 
void _doBalanceRound( DBClientBase& conn, vector<CandidateChunkPtr>* candidateChunks );  
 
/**  
 * 逐个迁移chunk.并返回最终迁移的chunk数量  
 * @param candidateChunks 可能需要迁移的chunks  
 * @return number of chunks effectively moved  
 */ 
int _moveChunks( const vector<CandidateChunkPtr>* candidateChunks );  
 
/*在config server(s)中标记并前balancer为活动状态.*/ 
void _ping( DBClientBase& conn );  
 
//当configdb中的所有服务均可用时，返回true  
bool _checkOIDs();  
};

可以看出balancer继承自BackgroundJob，所以它是以后台方式运行的。了解了该类的方法和属性之后，下面我们着手看一下mongos主函数中启动balancer.go()的调用流程。因为balancer继承自BackgroundJob,所以还要看一下BackgroundJob里go()方法的执行代码, 如下：

//background.cpp 线程方式运行下面的jobBody方法  
BackgroundJob& BackgroundJob::go() {  
boost::thread t( boost::bind( &BackgroundJob::jobBody , this, _status ) );  
return *this;  
}  
 
////background.cpp. Background object can be only be destroyed after jobBody() ran  
void BackgroundJob::jobBody( boost::shared_ptr<JobStatus> status ) {  
....  
const string threadName = name();  
if( ! threadName.empty() )  
setThreadName( threadName.c_str() );  
 
try {  
run();//到这里，mongos开始执行子类balancer中的run方法  
}  
....  
 
if( status->deleteSelf )  
delete this;  
}

上面代码最终会将执行流程转到balancer类的run()方法，如下

void Balancer::run() {  
 
/* this is the body of a BackgroundJob so if we throw   
here we're basically ending the balancer thread prematurely */ 
while ( ! inShutdown() ) {  
 
if ( ! _init() ) {//检查balancer是否链到config server和其它shard上  
log() << "will retry to initialize balancer in one minute" << endl;  
sleepsecs( 60 );  
continue;  
}  
 
break;  
}  
//构造链接串信息  
ConnectionString config = configServer.getConnectionString();  
//声明分布式锁  
DistributedLock balanceLock( config , "balancer" );  
 
while ( ! inShutdown() ) {//一直循环直到程序中断或关闭  
 
try {  
 
// 判断chunk均衡功能是否有效  
if ( ! grid.shouldBalance() ) {  
log(1) << "skipping balancing round because balancing is disabled" << endl;  
sleepsecs( 30 );  
continue;  
}  
 
//从链接池中获取一个链接对象，如无链接则直接创建。更多内容详见connpool.cpp文件的  
//DBClientBase* DBConnectionPool::get(const string& host) 方法.  
ScopedDbConnection conn( config );  
 
_ping( conn.conn() );//标识链到config server的balancer为活动（live）状态  
if ( ! _checkOIDs() ) {  
uassert( 13258 , "oids broken after resetting!" , _checkOIDs() );  
}  
 
//重载Shard集合信息（shard 状态)  
Shard::reloadShardInfo();  
 
//声明balance锁对象balanceLock  
 
dist_lock_try lk( &balanceLock , "doing balance round" );  
if ( ! lk.got() ) {  
log(1) << "skipping balancing round because another balancer is active" << endl;  
conn.done();  
 
sleepsecs( 30 ); // no need to wake up soon  
continue;  
}  
 
log(1) << "*** start balancing round" << endl;  
 
vector<CandidateChunkPtr> candidateChunks;  
//获取在shard集合中建议迁移的chunk信息（包含要迁移到的目标shard信息）  
_doBalanceRound( conn.conn() , &candidateChunks );  
if ( candidateChunks.size() == 0 ) {//是否有要移动的chunk  
log(1) << "no need to move any chunk" << endl;  
}  
else//开始迁移并返回最终迁移数量 {  
_balancedLastTime = _moveChunks( &candidateChunks );  
}  
 
log(1) << "*** end of balancing round" << endl;  
conn.done();//将conn放到链接池中(为其它后续操作使用)  
 
sleepsecs( _balancedLastTime ? 5 : 10 );  
}  
catch ( std::exception& e ) {  
log() << "caught exception while doing balance: " << e.what() << endl;  
 
// Just to match the opening statement if in log level 1  
log(1) << "*** End of balancing round" << endl;  
 
sleepsecs( 30 ); // sleep a fair amount b/c of error  
continue;  
}  
}  
}

上面方法中主要是先构造链接串，进而构造连接实例（注：这里使用了链接池的概念，我会在后续章节中专门介绍其实现机制）。之后刷新sharding中的相关信息（确保其有效性），之后调用_doBalanceRound()方法来收集可能要迁移的chunk（s）信息并最终完成迁移（使用_moveChunks方法）。

下面我们就着重看一下这两个方法的具体实现.

首先是_doBalanceRound方法:

   //balance.cpp  
void Balancer::_doBalanceRound( DBClientBase& conn, vector<CandidateChunkPtr>* candidateChunks ) {  
assert( candidateChunks );  
 
// 1. 通过查询ShardsNS::collections来检查是否有可用sharded集合来均衡chunk  
auto_ptr<DBClientCursor> cursor = conn.query( ShardNS::collection , BSONObj() );  
vector< string > collections;  
while ( cursor->more() ) {  
BSONObj col = cursor->next();  
 
// sharded collections will have a shard "key".  
if ( ! col["key"].eoo() )  
collections.push_back( col["_id"].String() );  
}  
cursor.reset();  
 
if ( collections.empty() ) {  
log(1) << "no collections to balance" << endl;  
return;  
}  
 
//获取一个需要均衡的shard信息列表，表中shard信息包括maxsize, currsiez, drain, hsopsqueued  
vector<Shard> allShards;  
Shard::getAllShards( allShards );  
if ( allShards.size() < 2) {  
log(1) << "can't balance without more active shards" << endl;  
return;  
}  
//获取allShards的相应状态信息交绑定到shardLimitMap相应元素中，该shardLimitMap是一个从shardId到对象（BSONObj）的映射  
map< string, BSONObj > shardLimitsMap;  
for ( vector<Shard>::const_iterator it = allShards.begin(); it != allShards.end(); ++it ) {  
const Shard& s = *it;  
ShardStatus status = s.getStatus();  
   
//最大值 (单位：兆字节, 0为不限制)  
 
BSONObj limitsObj = BSON( ShardFields::maxSize( s.getMaxSize() ) <<     
 LimitsFields::currSize( status.mapped() ) << //当前时间状态的信息  
 hardFields::draining( s.isDraining() )  << //当前的shard是否正在被移除  
 LimitsFields::hasOpsQueued( status.hasOpsQueued() )//是否有回写的队列信息  
);  
 
shardLimitsMap[ s.getName() ] = limitsObj;  
}  
 
//遍历collections集合，根据均衡策略(balancing policy) ，检查是否有要迁移的chunk信息  
for (vector<string>::const_iterator it = collections.begin(); it != collections.end(); ++it ) {  
const string& ns = *it;//集合的名空间  
map< string,vector<BSONObj> > shardToChunksMap;//从shardId 到chunks 的映射  
cursor = conn.query( ShardNS::chunk , QUERY( "ns" << ns ).sort( "min" ) );  
while ( cursor->more() ) {  
BSONObj chunk = cursor->next();  
//以chunk所属的shard为标识，获取一个chunks的集合来收集位于同一shard的chunk  
vector<BSONObj>& chunks = shardToChunksMap[chunk["shard"].String()];  
chunks.push_back( chunk.getOwned() );  
}  
cursor.reset();  
 
if (shardToChunksMap.empty()) {  
log(1) << "skipping empty collection (" << ns << ")";  
continue;  
}  
 
for ( vector<Shard>::iterator i=allShards.begin(); i!=allShards.end(); ++i ) {  
// this just makes sure there is an entry in shardToChunksMap for every shard  
Shard s = *i;  
shardToChunksMap[s.getName()].size();  
}  
//找出要迁移的chunk，包括源及目标（要迁移到的）chunk的起始地址  
CandidateChunk* p = _policy->balance( ns , shardLimitsMap , shardToChunksMap , _balancedLastTime /*number of moved chunks in last round*/);  
   if ( p ) candidateChunks->push_back( CandidateChunkPtr( p ) );//存到要均衡的chunk集合中  
}  
}

上面的_doBalanceRound方法主要构造shardLimitsMap，shardToChunksMap这两个实例对象集合（map<>类型），其中：

shardLimitsMap：用于收集shard集合中一些“起数量限制”作用的参数，如maxsize,draining,hasOpsQueued等，因为这几个参数如果超出范围或为true时，相应shard 是不可以提供迁移服务的。
shardToChunksMap：用于收集当前shard中的chunk信息，以便后面的遍历操作。

收集了这些信息之后，通过调用 _policy->balance()方法来找出可能需要迁移的chunk().

#p#

下面就看一下该均衡策略的具体实现（具体内容参见注释）：

//balacer_policy.cpp  
BalancerPolicy::ChunkInfo* BalancerPolicy::balance( const string& ns,  
const ShardToLimitsMap& shardToLimitsMap,  
const ShardToChunksMap& shardToChunksMap,  
int balancedLastTime ) {  
pair<string,unsigned> min("",numeric_limits<unsigned>::max());  
pair<string,unsigned> max("",0);  
vector<string> drainingShards;  
//遍历shard集合，找到min,max的匹配对象，以及draining的Shard信息  
for (ShardToChunksIter i = shardToChunksMap.begin(); i!=shardToChunksMap.end(); ++i ) {  
 
// 遍历shard，并查看其容量或可用空间是否被耗尽  
const string& shard = i->first;  
BSONObj shardLimits;  
ShardToLimitsIter it = shardToLimitsMap.find( shard );  
if ( it != shardToLimitsMap.end() ) shardLimits = it->second;//获取shard的信息，包括maxsize, currsiez, drain, hsopsqueued  
const bool maxedOut = isSizeMaxed( shardLimits );//shard是否已满  
const bool draining = isDraining( shardLimits );//shard是否移除  
const bool opsQueued = hasOpsQueued( shardLimits );//shard是否有写回队列  
 
//是否合适接收chunk，满足下面三个条件之一，则视为不合适  
// + maxed out shards  
// + draining shards  
// + shards with operations queued for writeback  
const unsigned size = i->second.size();//获取当前shard里的chunk数  
if ( ! maxedOut && ! draining && ! opsQueued ) {  
if ( size < min.second ) {//如果当前shard中chunk数与min比较，找出最小size的shard  
min = make_pair( shard , size );  
}  
}  
 
// 检查shard 是否应该迁移（chunk donor）  
// Draining shards 比 overloaded shards优先级低  
if ( size > max.second ) {  
max = make_pair( shard , size );//找出最大size的shard  
}  
if ( draining && (size > 0)) {  
drainingShards.push_back( shard );  
}  
}  
 
// 如果chunk没有合适的shard接收, 意味着上面循环中都是类以draining等情况  
if ( min.second == numeric_limits<unsigned>::max() ) {  
log() << "no availalable shards to take chunks" << endl;  
return NULL;  
}  
 
log(1) << "collection : " << ns << endl;  
log(1) << "donor  : " << max.second << " chunks on " << max.first << endl;  
log(1) << "receiver   : " << min.second << " chunks on " << min.first << endl;  
if ( ! drainingShards.empty() ) {  
string drainingStr;  
joinStringDelim( drainingShards, &drainingStr, ',' );//用逗号将drainingShards连接起来  
log(1) << "draining   : " << ! drainingShards.empty() << "(" << drainingShards.size() << ")" << endl;  
}  
 
// 通过优先级解决不均衡问题.  
const int imbalance = max.second - min.second;//找出shard中最不均衡的size的差距  
const int threshold = balancedLastTime ? 2 : 8;  
string from, to;  
if ( imbalance >= threshold /*临界点*/) {  
from = max.first;//将shard中chunk最多的作为源  
to = min.first;//将shard中chunk最小的作为要迁移的目的地  
}  
else if ( ! drainingShards.empty() ) {  
//对于那些draining的shard，随机取出其中一个  
from = drainingShards[ rand() % drainingShards.size() ];  
to = min.first;  
}  
else {  
// 如已均衡，则返回  
return NULL;  
}  
 
//找出要迁移的chunk集合的起始位置  
const vector<BSONObj>& chunksFrom = shardToChunksMap.find( from )->second;  
const vector<BSONObj>& chunksTo = shardToChunksMap.find( to )->second;//找出要迁移到的chunk集合目标位置  
BSONObj chunkToMove = pickChunk( chunksFrom , chunksTo );//最终选出（校正）要迁移的chunk的起始位置  
log() << "chose [" << from << "] to [" << to << "] " << chunkToMove << endl;  
//返回上面balaner的操作结果来执行后续的移动chunk操作  
return new ChunkInfo( ns, to, from, chunkToMove );  
}

上面方法通过计算各个shard中的当前chunk数量来推算出那个shard相对较空，并将其放到to（目标shard）,之后对可能要迁移的chunk进行校验，这里使用了pickChunk()方法，该方法具体实现如下：

//balancer_policy.cpp  
//找出需要被迁移的chunk, 这里要考虑to端可能比from端chunks更多的情况  
BSONObj BalancerPolicy::pickChunk( const vector<BSONObj>& from, const vector<BSONObj>& to ) {  
// It is possible for a donor ('from') shard to have less chunks than a recevier one ('to')  
// if the donor is in draining mode.  
if ( to.size() == 0 )//如果目标位置为空，表示可以将from中数据全部迁移过去  
return from[0];  
/**wo='well ordered'.  fields must be in same order in each object.  
   Ordering is with respect to the signs of the elements  
   and allows ascending / descending key mixing.  
   @return  <0 if l<r. 0 if l==r. >0 if l>r  
*/  
//如果要迁移的chunk中最小值与目标位置的最大值相同，表示可以将from中数据全部迁移过去  
if ( from[0]["min"].Obj().woCompare( to[to.size()-1]["max"].Obj() , BSONObj() , false ) == 0 )  
return from[0];  
//如果要迁移的chunk中最大值与目标位置的最小值相同，表示可以将from中最后一个chunk迁移过去  
if ( from[from.size()-1]["max"].Obj().woCompare( to[0]["min"].Obj() , BSONObj() , false ) == 0 )  
return from[from.size()-1];  
 
return from[0];  
}

完成了校验之后，得到的就是真正要迁移的chunk的启始地址，之后就可以进行迁移了。到这里，我们还要将执行流程跳回到Balancer::run()方法里，看一下最终完成迁移工作的方法movechunk()的实现流程：

//balance.cpp文件  
int Balancer::_moveChunks( const vector<CandidateChunkPtr>* candidateChunks ) {  
//最终迁移的chunk数  
int movedCount = 0;  
//遍历要迁移chunks并逐一开始迁移  
for ( vector<CandidateChunkPtr>::const_iterator it = candidateChunks->begin(); it != candidateChunks->end(); ++it ) {  
const CandidateChunk& chunkInfo = *it->get();  
//获取当前chunk要使用的db配置信息  
DBConfigPtr cfg = grid.getDBConfig( chunkInfo.ns );  
assert( cfg );  
//声明ChunkManager使用它来  
ChunkManagerPtr cm = cfg->getChunkManager( chunkInfo.ns );  
assert( cm );  
//获取要迁移的chunk起始地址  
const BSONObj& chunkToMove = chunkInfo.chunk;  
ChunkPtr c = cm->findChunk( chunkToMove["min"].Obj() );  
//下面判断执行两次，防止执行split之后，系统在reload 情况下chunk可能出现min,max不一致情况  
if ( c->getMin().woCompare( chunkToMove["min"].Obj() ) || c->getMax().woCompare( chunkToMove["max"].Obj() ) ) {  
// 这里主要防止别处执行 split 操作造成负作用  
cm = cfg->getChunkManager( chunkInfo.ns , true /* reload */);  
assert( cm );  
 
c = cm->findChunk( chunkToMove["min"].Obj() );  
if ( c->getMin().woCompare( chunkToMove["min"].Obj() ) || c->getMax().woCompare( chunkToMove["max"].Obj() ) ) {  
log() << "chunk mismatch after reload, ignoring will retry issue cm: " 
  << c->getMin() << " min: " << chunkToMove["min"].Obj() << endl;  
continue;  
}  
}  
 
BSONObj res;  
//将chunk， 从当前的shard ，移动到指定的shard,并累加迁移数量  
if ( c->moveAndCommit( Shard::make( chunkInfo.to ) , Chunk::MaxChunkSize , res ) ) {  
movedCount++;  
continue;  
}  
//如迁移不成功，记入日志  
// the move requires acquiring the collection metadata's lock, which can fail  
log() << "balacer move failed: " << res << " from: " << chunkInfo.from << " to: " << chunkInfo.to  
  << " chunk: " << chunkToMove << endl;  
//chunk是否达到允许移动的最大尺寸，如果是，则对当前shard执行split操作  
if ( res["chunkTooBig"].trueValue() ) {  
// reload just to be safe  
cm = cfg->getChunkManager( chunkInfo.ns );  
assert( cm );  
c = cm->findChunk( chunkToMove["min"].Obj() );  
 
log() << "forcing a split because migrate failed for size reasons" << endl;  
 
res = BSONObj();  
//对当前的shards进行分割（获取适合的分割点），该方法有些复杂，我会抽时间写文章介绍  
c->singleSplit( true , res );  
log() << "forced split results: " << res << endl;  
 
// TODO: if the split fails, mark as jumbo SERVER-2571  
}  
}  
 
return movedCount;  
}

上面代码就是依次遍历要迁移的chunk，分别根据其ns信息获取相应的ChunkManager(该类主要执行chunk的管理,比如CRUD等），之后就通过该ChunkManager找出当前chunk中最小的值（min：参见chunk.h文件，我这里把min,max理解为当前chunk中最小和最大记录对象信息）chunk信息，并开始迁移。

按照惯例，这里还是用一个时序列来大体回顾一下balancer的执行流程，如下：

好了，今天的内容就先到这里了。

原文链接：http://www.cnblogs.com/daizhj/archive/2011/05/23/mongos_balancer_source_code.html

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