Python 神器 Celery 源码解析（4）-技术圈

Celery是一款非常简单、灵活、可靠的分布式系统，可用于处理大量消息，并且提供了一整套操作此系统的工具。Celery 也是一款消息队列工具，可用于处理实时数据以及任务调度。

本文是是celery源码解析的第四篇，在前3篇里分别介绍了vine, py-amqp和kombu:

神器 celery 源码解析- vine实现Promise功能
神器 celery 源码解析- py-amqp实现AMQP协议
神器 celery 源码解析- kombu，一个python实现的消息库

本篇我们继续聊聊kombu这个python实现的消息库中的一些常用算法实现，和各种排序算法不一样，都是解决一些具体的业务问题，非常有用。本文包括下面几个部分:

LRU缓存淘汰算法
令牌桶限流算法
Round-Robin调度算法
LamportClock时间戳算法
LaxBoundedSemaphore有限信号量算法

LRU缓存淘汰算法

缓存，顾名思义，就是将计算结果暂时存起来，以供后期使用，这样可以省去重复计算的工作。比如我们计算斐波那契数列的递归算法:

# 根据定义递归求解
def fib(n):
    if n <= 1: 
        return n
    return fib(n - 1) + fib(n - 2)

我们求n为5的数，展开数学公式大概如下(这里简化python函数fib名称为数学函数f):

f(5)=f(4)                    +f(3)
    =f(3)          +f(2)     +f(2)     +f(1)
    =f(2)     +f(1)+f(1)+f(0)+f(1)+f(0)+f(1)
    =f(1)+f(0)+f(1)+f(1)+f(0)+f(1)+f(0)+f(1)
    =5

根据数学公式，我们可以知道，在执行f(5)过程中，重复执行了5次f(1), 3次f(0)。要提高执行效率，就可以用到缓存。最简单的实现版本:

# 根据定义递归求解
cache = {}
def fib_v1(n):
    if n in cache:
        return cache[n]
    if n <= 1: 
        result = n
    else:
        result =  fib(n - 1) + fib(n - 2)
    cache[n] = result
    return result

这种实现方式有2个弊端，一个是依赖一个外部的cache变量，另一个是cache功能和fib函数绑定，还需要修改fib函数。我们可以通过一个装饰器实现这个cache，而不用改动fib函数:

def cache_decorator(fun):
    _cache = {}

    def wrapper(*args, **kwargs):
        if args in _cache:
            return _cache[args]
        else:
            ret = fun(*args, **kwargs)
            _cache[args] = ret
            return ret

    return wrapper

使用的时候可以直接给fib函数添加上装饰器:

@cache_decorator
def fib(n):
    ...

这种缓存实现实现方式，还是会有问题：无法进行清理，内存会持续增长。编程中有一句话是: 命名和缓存失效是计算机科学里面最难应对的两件事。关于缓存淘汰有各种算法，请见参考链接，我这里重点介绍一下LRU和LFU。

LRU(Least recently used)最早使用淘汰算法，核心特点是: 最早的数先淘汰
LFU(Least-frequently used)最少使用淘汰算法, 核心特点是: 最少的数先淘汰

关于LRU，在我之前介绍tinydb时候有过介绍。其中的实现如下:

class LRUCache(abc.MutableMapping, Generic[K, V]):
    def __init__(self, capacity=None):
        self.capacity = capacity  # 缓存容量
        self.cache = OrderedDict()  # 有序字典
    
    def get(self, key: K, default: D = None) -> Optional[Union[V, D]]:
        value = self.cache.get(key)  # 从换成获取
        if value is not None:
            del self.cache[key]
            self.cache[key] = value  # 更新缓存顺序
            return value
        return default

    def set(self, key: K, value: V):
        if self.cache.get(key):
            del self.cache[key]  
            self.cache[key] = value # 更新缓存顺序及值
        else:
            self.cache[key] = value
            if self.capacity is not None and self.length > self.capacity:
                self.cache.popitem(last=False)  # 淘汰最古老的数据

LRU的特点只要保持缓存数据是有序的, 我们甚至不需要自己实现，使用系统functools中的实现:

from functools import lru_cache

@lru_cache()
def fib(n):
    ...

kombu中给我们提供了一个线程安全的版本, 主要实现:

# kombu-5.0.0/kombu/utils/functional.py

class LRUCache(UserDict):
    """LRU Cache implementation using a doubly linked list to track access.
    """
    def __init__(self, limit=None):
        self.limit = limit
        self.mutex = threading.RLock()
        self.data = OrderedDict()
    
    def __getitem__(self, key):
        with self.mutex:
            value = self[key] = self.data.pop(key)
            return value
    
    def __setitem__(self, key, value):
        # remove least recently used key.
        with self.mutex:
            if self.limit and len(self.data) >= self.limit:
                self.data.pop(next(iter(self.data)))
            self.data[key] = value
    ...

上面代码在设置和获取数据时候都先获取锁，然后再进行数据操作。

关于缓存使用，除了通过业务场景判断适用那种淘汰算法外，还可以使用具体的缓存命中率指标进行分析:

def memoize(maxsize=None, keyfun=None, Cache=LRUCache):
    """Decorator to cache function return value."""
    def _memoize(fun):
        mutex = threading.Lock()
        cache = Cache(limit=maxsize)

        @wraps(fun)
        def _M(*args, **kwargs):
            if keyfun:
                key = keyfun(args, kwargs)
            else:
                key = args + (KEYWORD_MARK,) + tuple(sorted(kwargs.items()))
            try:
                with mutex:
                    value = cache[key]
            except KeyError:
                value = fun(*args, **kwargs)
                # 未命中需要执行函数
                _M.misses += 1
                with mutex:
                    cache[key] = value
            else:
                # 命中率增加
                _M.hits += 1
            return value

        def clear():
            """Clear the cache and reset cache statistics."""
            # 清理缓存及统计
            cache.clear()
            _M.hits = _M.misses = 0
        # 统计信息
        _M.hits = _M.misses = 0
        _M.clear = clear
        _M.original_func = fun
        return _M

    return _memoize

memoize的实现并不复杂，增加了hits/misses数据，可以统计分析缓存的命中率，帮助正确使用LRU缓存。还添加了clear接口，可以在需要的时候对缓存直接进行清理。

注意memoize使用了一个锁，在LRUCache还是使用了一个锁，这个锁的使用，我们以后再讲。

令牌桶限流算法

限流是指在系统面临高并发、大流量请求的情况下，限制新的流量对系统的访问，从而保证系统服务的安全性。常用的限流算法有计数器、漏斗算法和令牌桶算法。其中计数器算法又分固定窗口算法、滑动窗口算法，后者我们在TCP协议中经常会碰到。

算法中存在一个令牌桶，以恒定的速率向令牌桶中放入令牌。当请求来时，会首先到令牌桶中去拿令牌，如果拿到了令牌，则该请求会被处理，并消耗掉令牌；如果拿不到令牌，则该请求会被丢弃。当然令牌桶也有一定的容量，如果满了令牌就无法放进去了，这样算法就有限流作用。又因为令牌产生的速率是很定的，如果消费速率较低，桶里会额外缓存一部分令牌，用于应对流量突发时候的消耗。下面是算法的示意图:

我们具体看看kombu中提供的实现。TokenBucket类:

class TokenBucket:
    #: The rate in tokens/second that the bucket will be refilled.
    fill_rate = None

    #: Maximum number of tokens in the bucket.
    capacity = 1

    #: Timestamp of the last time a token was taken out of the bucket.
    timestamp = None

    def __init__(self, fill_rate, capacity=1):
        # 容量上限
        self.capacity = float(capacity)
        # 剩余令牌数，初始等于容量上限
        self._tokens = capacity
        # 填充率
        self.fill_rate = float(fill_rate)
        self.timestamp = monotonic()
        # 数据容器
        self.contents = deque()

    def add(self, item):
        self.contents.append(item)

    def pop(self):
        # 先进先出
        return self.contents.popleft()

代码包括:

令牌速率fill_rate
桶的容量上限
一个时间戳
剩余令牌数
算法提供了一个基于双端队列的数据容器，可以对容器进行先进先出操作

令牌桶是否可用的判断:

def can_consume(self, tokens=1):
    """Check if one or more tokens can be consumed.

    Returns:
        bool: true if the number of tokens can be consumed
            from the bucket.  If they can be consumed, a call will also
            consume the requested number of tokens from the bucket.
            Calls will only consume `tokens` (the number requested)
            or zero tokens -- it will never consume a partial number
            of tokens.
    """
    if tokens <= self._get_tokens():
        # 消费n个令牌
        self._tokens -= tokens
        return True
    return False

def _get_tokens(self):
    if self._tokens < self.capacity:
        # 记录当前时间
        now = monotonic()
        # 计算已经流失的令牌数量
        delta = self.fill_rate * (now - self.timestamp)
        # 更新容量上限或者剩余令牌和流失数量之和
        self._tokens = min(self.capacity, self._tokens + delta)
        self.timestamp = now
    return self._tokens

我们可以看到，算法在进行令牌消费判断的同时，还会对桶的剩余流量进行自校正，很巧妙。

TokenBucket的使用在ConsumerMixin的run方法中。创建了一个速率为1的令牌桶，然后持续的进行消费。如果有令牌则消费消费者上的消息；如果没有令牌则进行休眠

#ch23-celery/kombu-5.0.0/kombu/mixins.py:240

class ConsumerMixin:

    def run(self, _tokens=1, **kwargs):
        restart_limit = TokenBucket(1)
        ...
        # 无限循环
        while not self.should_stop:
            try:
                # 有令牌消费
                if restart_limit.can_consume(_tokens):  # pragma: no cover
                    for _ in self.consume(limit=None, **kwargs):
                        pass
                else:
                    # 没浪费休眠
                    sleep(restart_limit.expected_time(_tokens))
            except errors:
                ...

其中的休眠时间，是由令牌桶根据期望值计算得来:

def expected_time(self, tokens=1):
    """Return estimated time of token availability.

    Returns:
        float: the time in seconds.
    """
    _tokens = self._get_tokens()
    tokens = max(tokens, _tokens)
    return (tokens - _tokens) / self.fill_rate

Round-Robin调度算法

Round-Robin调度算法，最常见的大概是在nginx。Round-Robin方式可让nginx将请求按顺序轮流地分配到后端服务器上，它均衡地对待后端的每一台服务器，而不关心服务器实际的连接数和当前的系统负载，循环往复。在kombu中也提供了几种类似的调度算法:

轮询调度
公平调度

我们先看Round-Robin方式:

class round_robin_cycle:
    """Iterator that cycles between items in round-robin."""
    """轮询调度算法"""

    def __init__(self, it=None):
        self.items = it if it is not None else []

    def update(self, it):
        """Update items from iterable."""
        """更新列表"""
        self.items[:] = it

    def consume(self, n):
        """Consume n items."""
        """消费n个元素"""
        return self.items[:n]

    def rotate(self, last_used):
        """Move most recently used item to end of list."""
        """旋转:把最后一个元素放到列表某尾"""
        items = self.items
        try:
            items.append(items.pop(items.index(last_used)))
        except ValueError:
            pass
        return last_used

算法实现很简单，就是一个有序队列，可以每次消费前n个有序元素，并且可以将最近使用的元素旋转到队尾。下面是旋转的单元测试:

def test_round_robin_cycle():
    it = cycle_by_name('round_robin')(['A', 'B', 'C'])
    assert it.consume(3) == ['A', 'B', 'C']
    it.rotate('B')
    assert it.consume(3) == ['A', 'C', 'B']
    it.rotate('A')
    assert it.consume(3) == ['C', 'B', 'A']
    it.rotate('A')
    assert it.consume(3) == ['C', 'B', 'A']
    it.rotate('C')
    assert it.consume(3) == ['B', 'A', 'C']

还有一种公平循环的调度算法:

class FairCycle:
    """Cycle between resources.

    Consume from a set of resources, where each resource gets
    an equal chance to be consumed from.

    Arguments:
        fun (Callable): Callback to call.
        resources (Sequence[Any]): List of resources.
        predicate (type): Exception predicate.
    """
    
    def __init__(self, fun, resources, predicate=Exception):
        self.fun = fun
        self.resources = resources
        self.predicate = predicate
        #  初始位置
        self.pos = 0

FairCycle是一种资源之间公平循环的调度算法, 构造函数中:

利用资源的函数
多个资源的集合

使用的方式是使用get方法传入回调:

def _next(self):
    while 1:
        try:
            resource = self.resources[self.pos]
            # 位置加1
            self.pos += 1
            return resource
        except IndexError:
            # 到尾部后，重置位置
            self.pos = 0
            if not self.resources:
                raise self.predicate()

def get(self, callback, **kwargs):
    """Get from next resource."""
    # 无限重试
    for tried in count(0):  # for infinity
        # 获取资源
        resource = self._next()
        try:
            # 利用资源
            return self.fun(resource, callback, **kwargs)
        except self.predicate:
            # reraise when retries exchausted.
            # 容错上限
            if tried >= len(self.resources) - 1:
                raise

调度主要体现再获取资源的next函数上，没次获取资源后位置标志进行后移，到尾部后在重置到0，继续下一轮循环。算法还可以对资源进行容错，也就是如果获取到的资源无法正常使用，还可以尝试使用下一个资源进行重试。

LamportClock算法

兰波特时间戳算法(LamportClock)，使用逻辑时间戳作为值的版本以允许跨服务器对值进行排序，是解决分布式系统时间一致的重要算法。

服务器上的系统时间，使用物理的晶体振荡测量，会有不准的情况。我们会经常遇到服务器或者快或者慢的情况，一般使用NTP服务，来和互联网上的某个时间源进行同步。如果本地时间提前了，进行联网校时后，会出现本地时间倒退的问题。而对于两台不同的服务器上，要进行时间统一，就更不能使用系统时间。

兰波特时间戳算法，原理如下:

维护一个数字来表示时间戳，并且在每个集群节点都维护一个 Lamport 时钟的实例。
如果事件在节点内发生，时间戳加1
事件要发送到远端，则在消息总带上时间戳
接收到远端的消息，时间戳 = Max(本地时间戳，消息中的时间戳) + 1（进行校正跳跃）

这个过程，可以看下面的图示:

从图中可以看到下面两点:

对于每个节点的事件时间，都是递增有序的，比如A是[4,5,7,10], B节点是[2,3,4,6,7], C节点是[1,5,6,8,9]
时间戳不是全局唯一，不同节点之间会存在序号重复，比如4号消息在A和B节点都存在，5号消息在A和C节点存在

了解算法的场景和原理后，我们再来看算法的实现。

class LamportClock:
    #: The clocks current value.
    value = 0

    def __init__(self, initial_value=0, Lock=Lock):
        self.value = initial_value
        self.mutex = Lock()

    def adjust(self, other):
        with self.mutex:
            value = self.value = max(self.value, other) + 1
            return value

    def forward(self):
        with self.mutex:
            self.value += 1
            return self.value

算法的实现其实非常简单，就是转发的时候时间戳+1；收到消息后进行校正，这个过程中使用线程锁，保证本地的有序。

LaxBoundedSemaphore有限信号量算法

前面讲的几种算法，都是基于线程锁实现。使用锁会降低效率，如果在协程中，可以使用无锁的方案，会更高效。kombu的LaxBoundedSemaphore实现，可以作为一种参考。

我们先看使用示例:

 >>> from future import print_statement as printf
# ^ ignore: just fooling stupid pyflakes

>>> x = LaxBoundedSemaphore(2)

>>> x.acquire(printf, 'HELLO 1')
HELLO 1

>>> x.acquire(printf, 'HELLO 2')
HELLO 2

>>> x.acquire(printf, 'HELLO 3')
>>> x._waiters   # private, do not access directly
[print, ('HELLO 3',)]

>>> x.release()
HELLO 3

示例展示了几步:

创建一个大小为2的LaxBoundedSemaphore信号量
申请信号，并且执行print函数，可以立即执行
继续申请信号执行print函数，也可以立即执行
再申请信号执行print函数，这时候由于信号超标，函数不会立即执行
手工释放信号量，最后一次申请的print函数自动执行

下面是具体的实现，LaxBoundedSemaphore的构造函数:

class LaxBoundedSemaphore:
    def __init__(self, value):
        # 信号容量
        self.initial_value = self.value = value
        # 使用双端队列，FIFO
        self._waiting = deque()
        self._add_waiter = self._waiting.append
        self._pop_waiter = self._waiting.popleft

申请执行回调函数，会进行信号判断，信号充足会执行行回调并消减一次信号量；信号量不足则将函数及参数放入代办的队列:

def acquire(self, callback, *partial_args, **partial_kwargs):
    """Acquire semaphore.

    This will immediately apply ``callback`` if
    the resource is available, otherwise the callback is suspended
    until the semaphore is released.

    Arguments:
        callback (Callable): The callback to apply.
        *partial_args (Any): partial arguments to callback.
    """
    value = self.value
    if value <= 0:
        # 容量不够的时候先暂存执行函数，并不更改可用数量
        self._add_waiter((callback, partial_args, partial_kwargs))
        return False
    else:
        # 可用数量-1
        self.value = max(value - 1, 0)
        # 直接执行函数
        callback(*partial_args, **partial_kwargs)
        return True

使用release时候会取出头部的代办函数，并进行执行，此时信号量不增不减。如果代办全部执行完成后，则逐步恢复信号量到默认值:

def release(self):
    """Release semaphore.

    Note:
        If there are any waiters this will apply the first waiter
        that is waiting for the resource (FIFO order).
    """
    try:
        waiter, args, kwargs = self._pop_waiter()
    except IndexError:
        # 无缓存则只增加可用数量
        self.value = min(self.value + 1, self.initial_value)
    else:
        # 有缓存则执行第一个缓存，可用数量不变还是小于0
        waiter(*args, **kwargs)

小结

本篇文章，我们学习了5种实用的业务算法。LRU缓存淘汰算法，可以对缓存中最早的数据进行淘汰。令牌桶限流算法，可以协助进行服务流量限流，较好的保护后端服务，避免突发流量的到时的崩溃。Round-Robin调度算法，可以进行负载的均衡，保障资源的平衡使用。LamportClock时间戳算法，可以在分布式系统中，进行不同服务之间的有序时间戳同步。LaxBoundedSemaphore有限信号量算法，是一种无锁算法，可高效的提供资源使用控制。

小技巧

kombu中提供了一个自动重试算法，可以作为重试算法的模版:

# kombu-5.0.0/kombu/utils/functional.py

def retry_over_time(fun, catch, args=None, kwargs=None, errback=None,
                    max_retries=None, interval_start=2, interval_step=2,
                    interval_max=30, callback=None, timeout=None):
    kwargs = {} if not kwargs else kwargs
    args = [] if not args else args
    interval_range = fxrange(interval_start,
                             interval_max + interval_start,
                             interval_step, repeatlast=True)
    # 超时时间
    end = time() + timeout if timeout else None
    for retries in count():
        try:
            return fun(*args, **kwargs)
        except catch as exc:
            # 超过次数
            if max_retries is not None and retries >= max_retries:
                raise
            # 超过时间
            if end and time() > end:
                raise
            ...
            # 休眠
            sleep(1.0)

从模版可以看到重试时候使用次数和超时时间两个维度进行跳出(不可能无限重试):

使用count()进行无限循环
使用time()进行超时限定
使用max_retries容错上限次数限定
每次错误后，都休眠一段时间，给被调用方机会，提高下一次成功的概率。

实际上关于休眠时间，也有一些更复杂的算法，比如线性递增之类，这里使用了固定间隔的休眠

参考链接

缓存淘汰算法 https://en.wikipedia.org/wiki/Cache_replacement_policies#Least_recently_used_(LRU)
令牌桶算法 https://en.wikipedia.org/wiki/Token_Bucket
what-is-token-bucket-and-leaky-bucket-algorithms https://hansliu.com/posts/2020/11/what-is-token-bucket-and-leaky-bucket-algorithms.html
波特时间戳算法 https://en.wikipedia.org/wiki/Lamport_timestamps
lamport面包店算法简介 https://segmentfault.com/a/1190000011066299
https://martinfowler.com/articles/patterns-of-distributed-systems/lamport-clock.html

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