Меня зовут Александр Межов.

Это канал, в котором я собираюсь делиться знаниями, опытом, мыслями и идеями относительно архитектуры и разработки программного обеспечения. Я умею объяснять сложные вещи простым языком и очень люблю это делать. Меня мотивируют успехи людей, у которых я был наставником и которым смог помочь. Имея серьезный профессиональный опыт за плечами, думаю, мне есть что сказать и чем поделиться.

Я занимаюсь архитектурой и разработкой backend без малого два десятилетия. За это время мне посчастливилось принять участие в крупных и социально значимых проектах из различных сфер: образование и здравоохранение, SCADA-системы и IoT, финансы предприятия, продажа недвижимости. Всегда удавалось работать в классных компаниях, в коллективе талантливых и профессиональных людей.

Структурирую, систематизирую и обобщаю всё, с чем сталкиваюсь. Навожу порядок в работе и умах. Охотно выступаю в роли наставника. Когда есть что сказать, выступаю на конференциях. Имею парочку своих open-source-проектов, которыми пользуются люди. По возможности вношу свой вклад и в другие open-source-инициативы.

Областью моих интересов является архитектура программного обеспечения, культура и инструменты разработки, системное программирование, базы данных, DevOps-технологии. Люблю разбираться во внутреннем устройстве технологий, с которыми приходится работать.

Навигация

#pin – навигация по каналу
#arch – архитектура
#dev – разработка
#db – базы данных
#devops – DevOps-технологии
#tech – технологии
#conf - конференции
#view – точка зрения
#tools - инструменты
#tip - советы и решения
#ai - про AI/ML

Мои профили

ℹ️ Сайт
📱 Дзен
📱 GitHub
🐶 GitVerse

Буду рад новым знакомствам! Присоединяйтесь! 💬

Приём №1: Расширение контекста

Контекст события ДОЛЖЕН содержать необходимую и достаточную информацию для его обработки, ЕСЛИ ожидаемый поток событий не приводит к превышению лимитов по выделенным ресурсам.

ℹ️ Под событием подразумеваю какой-то сигнал в информационной системе; а под контекстом - данные, которые с ним связаны. Контекст используется при обработке события. Физическое представление события, передаваемое по сети, буду называть сообщением.

🕚Если данных контекста недостаточно, обработчик вынужден запрашивать их извне: из базы данных, у внешних служб и т.п. Обычно такое происходит, когда хотят минимизировать размер сообщения. Например, в сообщении вместо содержимого документа передается только его идентификатор.

🕚 При таком подходе возможны две проблемы. Во-первых, появляется альтернативный канал связи, что провоцирует гонку по данным и увеличивает требования к хранилищу данных (см. Linearizability и Read Your Writes). Во-вторых, время, которое тратится на восстановление нужного контекста, гарантированно снижает производительность обработчика, особенно в момент нагрузки на систему.

❗️ Расширяйте контекст события, если это не приведет к недопустимой нагрузке на сетевую и дисковую подсистему. Для этого проанализируйте существующий или возможный поток данных: интенсивность возникновения событий и размер сообщений.

Данный пост поясняет тезисы моего доклада с конференции TeachLeadConf 2024.

#conf

Приём №2: Типизация событий

События ДОЛЖНЫ направляться в разные топики, ЕСЛИ события явно ИЛИ неявно относятся к разным типам, И ЕСЛИ тип события можно определить перед отправкой.

❗️ Вроде всё понятно, но есть коварный случай – неявная типизация. Это тот случай, когда реально разные типы событий попадают в один топик и обрабатываются одним и тем же обработчиком. Казалось бы, бред! Но в реальности такое можно увидеть достаточно часто. В основном это вызвано недостаточным знанием предметной области.

Если мы недостаточно знаем предметную область, то можем сделать ложное обобщение. Например, для логически разных событий использовать универсальную структуру данных. Об этом же предостерегает и Роберт Мартин в книге "Чистая архитектура" (см. главу "Ложное дублирование").

В чем же основной недостаток иметь один топик для разных типов событий? В первую очередь - это невозможность контроля в распределении ресурсов. Разные типы событий могут иметь разную частоту возникновения, разную скорость обработки. Скорей всего, для наиболее частотных и/или медленно обрабатываемых событий вы захотите выделить больше ресурсов для их обработки.

Итак, как же выявить неявную типизацию? Можно выделить следующие отличительные признаки.

1️⃣ Контекст события уже на этапе публикации содержит какой-то ключ-классификатор (один или несколько атрибутов), по которому можно судить о типе события.

2️⃣ Алгоритм обработчика события имеет ветвление, которое производится по некоторым атрибутам контекста события. При этом логика обработки каждой ветки существенно разнится. В этом случае можно говорить, что типизация событий производится на стороне получателя.

3️⃣ Код обработчика не имеет ветвлений, но время обработки событий существенно варьируется. В этом случае можно говорить о вариативной вычислительной сложности обработки. Как правило, такое происходит, если обработчик делегирует основную работу внешнему компоненту. Если так, то см. код внешнего компонента и п. 2.

Данный пост поясняет тезисы моего доклада с конференции TeachLeadConf 2024.

#conf

Приём №3: Конвейеризация вычислений

Обработчик события ДОЛЖЕН быть поделен на стадии, где каждая стадия – отдельный топик, ЕСЛИ выполнение следующей стадии зависит от предыдущей, И ЕСЛИ время выполнения каждой стадии ощутимо большое.

❗️ Иначе говоря, мы рассматриваем ситуацию, когда алгоритм обработки состоит из нескольких стадий, где выходные данные одной являются входными для другой - следующей (или следующих в случае, если есть условия выбора следующей стадии). И при этом каждая стадия вносит существенный вклад в общее время обработки. В этом случае следует задуматься о конвейеризации и для каждой стадии конвейера предусмотреть отдельный тип события и топик.

Почему это должно ускорить поток данных? Тут следует начать с того, что конвейер позволяет осуществлять внеочередное исполнение. Как это происходит, лучше посмотреть на простом арифметическом примере. 🤓 Допустим, наш алгоритм состоит из двух стадий: A и B; а в очереди находится два события: E1 и E2.

Если у нас один обработчик, который последовательно выполняет все стадии, общее время обработки двух событий будет равно сумме задержек на всех этапах: Ts=A(E1)+B(E1)+A(E2)+B(E2).

E1: A(E1) -> B(E1) ->
E2: ----------------> A(E2) -> B(E2)

Если у нас конвейерная обработка, т.е. стадии A и B выполняют разные обработчики, то для разных событий они могут работать параллельно и независимо друг от друга. И в таком случае общее время обработки двух событий будет равно сумме: Tp=A(E1)+max(B(E1),A(E2))+B(E2). Не трудно увидеть, что Ts>Tp.

E1: A(E1) -> B(E1)
E2: -------> A(E2) -> B(E2)

❗️ Отдельно стоит отметить тот случай, когда решение об окончании обработки можно принять на ранних стадиях, досрочно закончив весь цикл, откинув ненужных "хвост" конвейера.

А теперь, отбросив всю эту теорию, приведу пару практических примеров для закрепления материала (можете добавлять в этот список свои более сложные и интересные кейсы).

🕚 Проверка возможности выполнения обработки и обработка. Например, проверяем счет клиента, а уже затем формируем для него коммерческое предложение.

🕚 Подготовка к обработке данных и обработка. Например, перед формированием отчета аккумулируем всех необходимые данные в одном месте.

Данный пост поясняет тезисы моего доклада с конференции TeachLeadConf 2024.

#conf

Решил сделать отдельный пост-справку для тех, кто не знаком с одним или другим видом брокеров. На нее я буду ссылаться в дальнейшем. 🤓

🟢 Log-based-брокеры

Имеют постоянно пополняемый лог сообщений, хранимый на диске. Именованный лог называется топиком (topic) и обычно хранит сообщения с одинаковой структурой данных (одного типа). Источник отправляет сообщения, записывая их в топик; приемник, называемый потребителем (consumer), получает сообщения, читая и обрабатывая их последовательно. При успешной обработке потребитель сдвигает указатель (offset) к следующему сообщению. Положение указателя также хранится на диске и ассоциировано с потребителем. У каждого топика может быть только один потребитель, относящийся к одной группе (consumer group). Чаще всего группа ассоциируется с каким-то одним приложением (например, микросервисом).

В целях масштабирования и увеличения пропускной способности топик можно разбить на части - партиции (partitions), каждая из которых может быть размещена на различных узлах кластера. В какую партицию будет направлено сообщение решает источник; какую партицию будет обрабатывать потребитель решает брокер. Брокер отслеживает жизненный цикл каждого потребителя и производит процедуру балансировки - перераспределения топиков между активными потребителями. При этом важно то, что одну партицию может обслуживать только один потребитель. Так гарантируется порядок обработки сообщений в рамках одной партиции.

❗️ Самые главные преимущества Log-based-брокеров - это лог, хранимый на диске; возможность перемещать указатель (offset) в любое положение; высокие гарантии соблюдения строгого порядка обработки. Таким образом, есть история возникновения событий и возможность ее многократной обработки.

Типичные представители: Apache Kafka, Redpanda.

🟢 Queue-based-брокеры

Имеют именованные очереди сообщений и, как правило, предоставляют более гибкий способ маршрутизации от источника к приемнику. Иначе говоря, приемник может подписаться не только на топик, но и указать более сложные правила. Например, подписаться на сообщения, у которых топик удовлетворяет какой-то маске или которые имеют какой-то определенный заголовок. При успешной обработке сообщения всеми обработчиками очереди, сообщение удаляется из очереди. Сообщения могут храниться как на диске, так и в ОЗУ.

За маршрутизацию сообщений отвечает брокер. Одну и ту же очередь может обслуживать любое количество обработчиков. Как только обработчик заканчивает обработку очередного сообщения, брокер передает ему новое. В общем случае порядок обработки не гарантируется, т.к. основная задача - побыстрей обработать очередь.

❗️ Самые главные преимущества Queue-based-брокеров - это простота и гибкость обмена сообщениями; адаптивность к вариативной вычислительной сложности обработки; отсутствие простоев обработчиков.

Типичные представители: AMQP/JMS-based - RabbitMQ, Apache ActiveMQ; MQTT-based - Eclipse Mosquitto, HiveMQ.

Итого

Log-based- и Queue-based-брокеры спроектированы для разных типов задач, о характере которых можно судить, посмотрев на главные преимущества этих брокеров. В дальнейшем я раскрою тему выбора более подробно.

#tech

Приём №4: Распараллеливание вычислений

События в топике ДОЛЖНЫ обрабатываться параллельно, ЕСЛИ не важен порядок их обработки.

Вот с такого простого и очевидного утверждения начинается долгая история. 😃

Когда мы говорим о распараллеливании, нужно помнить про условия обеспечения эффективности параллелизма. И тут я выделяю два условия.

1️⃣ Основное время уходит на полезную работу. Тут мы сводим к минимуму программные блокировки и ожидания результатов при вызове внешних компонентов. Избавляемся от необходимости в синхронизации потоков, минимизируем количество IPC, оптимизируем запросы к БД и т.п. Пожалуй, именно с выполнения этого условия и нужно начинать процесс повышения эффективности параллелизма.

2️⃣ Вычислительная сложность обработки одинакова для всех событий. В самом деле, выполнение этого условия дает шансы на то, что время обработки каждого события будет плюс-минус одинаковое. Это значит, что простои обработчиков будут сведены к минимуму, поскольку они будут начинать и закачивать работу примерно в одно и тоже время.

       ┌─> AAA ─┐
fork >─┼─> BBB ─┼─> join
       └─> CCC ─┘

Если же вычислительная сложность разнится, то и время обработки каждого события будет разниться, провоцируя простой самых быстрых обработчиков в группе.

       ┌─> AAAAAAAAA ─┐
fork >─┼─> BBBBB.... ─┼─> join
       └─> CCC...... ─┘

Хорошо, и что мне теперь делать с этой теорией?! Запомнить и переходить к практике. 😃 Ниже я рассмотрю как эта теория соотносится с Log-based- и Queue-based-брокерами, что может повлиять на выбор брокера или на пересмотр сценариев по работе с ними.

Данный пост поясняет тезисы моего доклада с конференции TeachLeadConf 2024.

#conf

Распараллеливание вычислений в Log-based-брокерах

Начало см. выше.

В контексте распараллеливания вычислений я выделяю две важных особенности Log-based-брокеров:

1️⃣ Уровень параллелизма зависит от количества партиций. Мы не можем создать обработчиков больше, чем количество партиций.

2️⃣ Неравномерная загрузка обработчиков, если время обработки сильно варьируется. В разные партиции могут попасть сообщения с разной вычислительной сложностью.

Первая проблема с нехваткой обработчиков решается двумя способами, которые можно использовать совместно:

🕚 Увеличение числа партиций (сразу много или добавляем по мере возрастания нагрузки). Существует ряд недостатков данного решения, в том числе дополнительные накладные расходы на обслуживание партиций; увеличение времени балансировки; значительные сложности при сокращении числа партиций.

🕚 Параллельная обработка пачки сообщений в разных потоках одного процесса ОС. Иначе говоря, потребитель считывает N-сообщений и каждое обрабатывает в отдельном потоке. Когда заканчивается обработка всех N-сообщений, происходит смещение к следующей пачке. Недостатки - необходимость ожидания окончания обработки всей пачки сообщений. Подход подробно описан тут (VPN), имеет готовую реализацию. Более глобально эту проблему пытаются решить на уровне Apache Kafka в рамках KIP-932.

Вторая проблема куда более значительная для Log-based-брокеров, поскольку по замыслу они не предназначены для нагрузки подобного рода. Если от сообщения к сообщению время обработки варьируется существенно, то это может привести к ребалансировке. Один из потребителей может уйти в долгую обработку, перестав подавать признаки жизни, в результате чего брокер может счесть потребителя нерабочим и начать процесс перераспределения партиций. Это сложный и долгий процесс, который частично или полностью останавливает обработку событий топика.

В случае с Apache Kafka решить проблему можно "на глазок": установить более точные настройки для max.poll.records (сделать поменьше) и/или max.poll.interval.ms (сделать побольше). Или усложнить логику взаимодействия с брокером так, чтобы потребитель подавал брокеру признаки жизни, даже в случае долгой/зависшей обработки (см. методы pause/resume).

Иногда эту проблему удается решить частично с помощью приёма "Типизация событий". Например, предположим, что событием является запрос на формирование сложного финансового отчета. Если пользователь укажет слишком большой календарный период, придется анализировать слишком много данных, это увеличит время формирования отчета. Если пользователь задаст более точный фильтр, это ожидаемо сократит время обработки. Таким образом, на стороне отправителя можно сделать небольшую эвристику - типизацию отчётов, например, на "простые" ("быстрые") и "сложные" ("медленные"). Для каждого типа завести свой тип и топик. Обработчик каждого типа будет обслуживать очередь в своем темпе, со своими настройками.

#conf