Fono darbai: Išsamus vadovas po eilės apdorojimo

Šiuolaikinėje programinės įrangos kūrimo aplinkoje tikimasi, kad programos apdoros vis didėjančius duomenų kiekius ir vartotojų užklausas. Kiekvienos užduoties atlikimas sinchroniškai gali lemti lėtus atsakymų laikus ir prastą vartotojo patirtį. Štai čia ir atsiranda fono darbai bei eilės apdorojimas. Jie leidžia programoms perkelti laiko reikalaujančias ar išteklių intensyvias užduotis, kad jos būtų apdorojamos asinchroniškai, atlaisvinant pagrindinį programos giją ir pagerinant bendrą našumą bei reagavimą.

Kas yra fono darbai?

Fono darbai yra užduotys, kurios vykdomos nepriklausomai nuo pagrindinio programos srauto. Jos veikia fone, neužblokuodamos vartotojo sąsajos ir netrukdydamos vartotojo patirties. Šios užduotys gali apimti:

• El. pašto pranešimų siuntimas
• Vaizdų ar vaizdo įrašų apdorojimas
• Ataskaitų generavimas
• Paieškos indeksų atnaujinimas
• Duomenų analizės atlikimas
• Bendravimas su išorinėmis API
• Planuotų užduočių vykdymas (pvz., duomenų bazės atsarginės kopijos)

Deleguodamos šias užduotis fono darbams, programos gali išlikti jautrios ir apdoroti didesnį vienalaikių vartotojų skaičių. Tai ypač svarbu žiniatinklio programoms, mobiliosioms programėlėms ir paskirstytoms sistemoms.

Kodėl naudoti eilių apdorojimą?

Eilių apdorojimas yra pagrindinis fono darbų vykdymo komponentas. Tai apima pranešimų eilės naudojimą fono darbams saugoti ir valdyti. Pranešimų eilė veikia kaip buferis tarp programos ir darbuotojų procesų, kurie vykdo darbus. Štai kodėl eilių apdorojimas yra naudingas:

• Asinchroninis apdorojimas: Atsiejama programa nuo fono užduočių vykdymo. Programa tiesiog prideda darbus į eilę ir jai nereikia laukti, kol jie bus baigti.
• Pagerintas našumas: Perkelia užduotis fono darbuotojams, atlaisvindama pagrindinę programos giją ir pagerindama atsakymų laikus.
• Plečiamumas: Leidžia plečioti darbuotojų procesų skaičių pagal darbo krūvį. Galite pridėti daugiau darbuotojų, kad patenkintumėte didėjančią paklausą, ir sumažinti darbuotojų skaičių ne darbo valandomis.
• Patikimumas: Užtikrina, kad darbai būtų apdorojami net jei programa ar darbuotojų procesai sugenda. Pranešimų eilė išsaugo darbus, kol jie bus sėkmingai įvykdyti.
• Tolerancija gedimams: Suteikia mechanizmą gedimams tvarkyti. Jei darbuotojo procesas negali apdoroti darbo, eilė gali bandyti pakartoti darbą arba perkelti jį į „negautų“ eilę tolesnei analizei.
• Atsiejimas: Leidžia laisvai susieti skirtingus programos komponentus. Programai nereikia žinoti fono darbų vykdymo detalių.
• Prioritetizavimas: Leidžia prioritetizuoti darbus pagal jų svarbą. Galite priskirti skirtingus prioritetus skirtingoms eilėms ir užtikrinti, kad svarbiausi darbai būtų apdorojami pirmiausia.

Pagrindiniai eilės apdorojimo sistemos komponentai

Tipinę eilių apdorojimo sistemą sudaro šie komponentai:

• Gamintojas: Programos komponentas, kuris kuria ir prideda darbus į pranešimų eilę.
• Pranešimų eilė: Programinės įrangos komponentas, kuris saugo ir valdo darbus. Pavyzdžiai apima RabbitMQ, Kafka, Redis, AWS SQS, Google Cloud Pub/Sub ir Azure Queue Storage.
• Vartotojas (Darbuotojas): Procesas, kuris gauna darbus iš pranešimų eilės ir juos vykdo.
• Planuoklis (Neprivalomas): Komponentas, kuris planuoja darbų vykdymą nustatytu laiku arba intervalais.

Gamintojas prideda darbus į eilę. Pranešimų eilė saugo darbus, kol darbuotojo procesas bus pasirengęs juos apdoroti. Darbuotojo procesas gauna darbą iš eilės, jį vykdo ir tada patvirtina, kad darbas buvo baigtas. Tada eilė pašalina darbą iš eilės. Jei darbuotojas negali apdoroti darbo, eilė gali bandyti pakartoti darbą arba perkelti jį į „negautų“ eilę.

Populiarios pranešimų eilės technologijos

Yra keletas pranešimų eilės technologijų, kiekviena su savo stiprybėmis ir trūkumais. Štai keletas populiariausių variantų:

RabbitMQ

RabbitMQ yra plačiai naudojamas atviro kodo pranešimų tarpininkas, palaikantis kelis pranešimų protokolus. Jis žinomas dėl savo patikimumo, plečiamumo ir lankstumo. RabbitMQ yra geras pasirinkimas programoms, kurioms reikia sudėtingų maršrutizavimo ir pranešimų modelių. Jis yra pagrįstas AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) standartu.

Naudojimo atvejai:

• Užsakymų apdorojimas elektroninės prekybos sistemose
• Finansinių operacijų apdorojimas
• Realaus laiko duomenų srautas
• Mikropaslaugų integravimas

Kafka

Kafka yra paskirstytosios srautinio perdavimo platforma, skirta didelio našumo, realaus laiko duomenų tiekimui. Ji dažnai naudojama kuriant duomenų tiekimo grandines ir srautinio perdavimo analitikos programas. Kafka žinoma dėl savo plečiamumo, atsparumo gedimams ir gebėjimo apdoroti didelius duomenų kiekius. Skirtingai nei RabbitMQ, Kafka saugo pranešimus tam tikrą nustatytą laiką, leisdama vartotojams pakartoti pranešimus, jei reikia.

Naudojimo atvejai:

• Realaus laiko įvykių apdorojimas
• Registrų kaupimas
• Paspaudimų srauto analizė
• IoT duomenų įsisavinimas

Redis

Redis yra atminties duomenų struktūrų saugykla, kuri taip pat gali būti naudojama kaip pranešimų tarpininkas. Jis žinomas dėl savo greičio ir paprastumo. Redis yra geras pasirinkimas programoms, kurioms reikia mažo delsos ir didelio našumo. Tačiau Redis nėra toks patvarus kaip RabbitMQ ar Kafka, nes duomenys saugomi atmintyje. Yra galimybių išsaugoti duomenis, tačiau jos gali paveikti našumą.

Naudojimo atvejai:

• Talpinimas (Caching)
• Sesijų valdymas
• Realaus laiko analitika
• Paprastas pranešimų eilių sudarymas

AWS SQS (Simple Queue Service)

AWS SQS yra „Amazon Web Services“ siūloma visiškai valdoma pranešimų eilės paslauga. Tai plečiama ir patikima galimybė kurti paskirstytas programas debesyje. SQS siūlo dviejų tipų eilės: standartines ir FIFO (pirmas įvestas, pirmas išvestas).

Naudojimo atvejai:

• Mikropaslaugų atjungimas
• Duomenų kaupimas apdorojimui
• Darbo eigų orkestravimas

Google Cloud Pub/Sub

Google Cloud Pub/Sub yra „Google Cloud Platform“ siūloma visiškai valdoma, realaus laiko pranešimų paslauga. Ji leidžia siųsti ir gauti pranešimus tarp nepriklausomų programų ir sistemų. Ji palaiko tiek stumiamojo, tiek traukiamojo pristatymo modelius.

Naudojimo atvejai:

• Įvykių pranešimai
• Duomenų srautinis perdavimas
• Programų integravimas

Azure Queue Storage

Azure Queue Storage yra „Microsoft Azure“ teikiama paslauga dideliam kiekiui pranešimų saugoti. Galite naudoti Queue Storage, kad asinchroniškai bendrautumėte tarp programos komponentų.

Naudojimo atvejai:

• Darbo krūvio atjungimas
• Asinchroninis užduočių apdorojimas
• Plečiamų programų kūrimas

Fono darbų diegimas: Praktiniai pavyzdžiai

Panagrinėkime kelis praktinius fono darbų diegimo pavyzdžius naudojant skirtingas technologijas.

1 pavyzdys: El. pašto pranešimų siuntimas naudojant Celery ir RabbitMQ (Python)

Celery yra populiari Python biblioteka asinchroninėms užduočių eilėms. Ji gali būti naudojama su RabbitMQ kaip pranešimų tarpininku. Šis pavyzdys parodo, kaip siųsti el. pašto pranešimus naudojant Celery ir RabbitMQ.

# celeryconfig.py
broker_url = 'amqp://guest:guest@localhost//'
result_backend = 'redis://localhost:6379/0'

# tasks.py
from celery import Celery
import time

app = Celery('tasks', broker='amqp://guest:guest@localhost//', backend='redis://localhost:6379/0')

@app.task
def send_email(email_address, subject, message):
 time.sleep(10) # Simulate sending email
 print(f"Sent email to {email_address} with subject '{subject}' and message '{message}'")
 return f"Email sent to {email_address}"

# app.py
from tasks import send_email

result = send_email.delay('test@example.com', 'Hello', 'This is a test email.')
print(f"Task ID: {result.id}")

Šiame pavyzdyje funkcija send_email yra dekoruota su @app.task, kuri nurodo Celery, kad tai yra užduotis, kuri gali būti vykdoma asinchroniškai. send_email.delay() funkcijos iškvietimas prideda užduotį į RabbitMQ eilę. Celery darbuotojai tada pasiima užduotis iš eilės ir jas vykdo.

2 pavyzdys: Vaizdų apdorojimas naudojant Kafka ir pasirinktinį darbuotoją (Java)

Šis pavyzdys parodo, kaip apdoroti vaizdus naudojant Kafka kaip pranešimų eilę ir pasirinktinį Java darbuotoją.

# Kafka Producer (Java)
import org.apache.kafka.clients.producer.*;
import java.util.Properties;

public class ImageProducer {
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 Properties props = new Properties();
 props.put("bootstrap.servers", "localhost:9092");
 props.put("key.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
 props.put("value.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");

 Producer<String, String> producer = new KafkaProducer<>(props);
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 producer.send(new ProducerRecord<>("image-processing", Integer.toString(i), "image_" + i + ".jpg"));
 System.out.println("Message sent successfully");
 }
 producer.close();
 }
}

# Kafka Consumer (Java)
import org.apache.kafka.clients.consumer.*;
import java.util.Properties;
import java.util.Arrays;

public class ImageConsumer {
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 Properties props = new Properties();
 props.setProperty("bootstrap.servers", "localhost:9092");
 props.setProperty("group.id", "image-processor");
 props.setProperty("enable.auto.commit", "true");
 props.setProperty("auto.commit.interval.ms", "1000");
 props.setProperty("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
 props.setProperty("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
 Consumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);
 consumer.subscribe(Arrays.asList("image-processing"));
 while (true) {
 ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);
 for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
 System.out.printf("offset = %d, key = %s, value = %s%n", record.offset(), record.key(), record.value());
 // Simulate image processing
 System.out.println("Processing image: " + record.value());
 Thread.sleep(2000);
 System.out.println("Image processed successfully");
 }
 }
 }
}

Gamintojas siunčia vaizdo failų pavadinimus į Kafka temą „image-processing“. Vartotojas prisijungia prie šios temos ir apdoroja atvykusius vaizdus. Šis pavyzdys parodo paprastą vaizdų apdorojimo grandinę naudojant Kafka.

3 pavyzdys: Planuojami darbai naudojant AWS SQS ir Lambda (be serverio)

Šis pavyzdys parodo, kaip planuoti darbus naudojant AWS SQS ir Lambda funkcijas. AWS CloudWatch Events gali būti naudojama Lambda funkcijai paleisti nustatytu laiku ar intervalu. Tada Lambda funkcija prideda darbą į SQS eilę. Kita Lambda funkcija veikia kaip darbuotojas, apdorodamas darbus iš eilės.

1 žingsnis: Sukurkite SQS eilę

Sukurkite SQS eilę AWS valdymo konsoleje. Užsirašykite eilės ARN (Amazon Resource Name).

2 žingsnis: Sukurkite Lambda funkciją (Planuoklis)

# Lambda function (Python)
import boto3
import json
import datetime

sqs = boto3.client('sqs')
QUEUE_URL = 'YOUR_SQS_QUEUE_URL'  # Replace with your SQS queue URL

def lambda_handler(event, context):
 message = {
 'task': 'Generate Report',
 'timestamp': str(datetime.datetime.now())
 }

 response = sqs.send_message(
 QueueUrl=QUEUE_URL,
 MessageBody=json.dumps(message)
 )

 print(f"Message sent to SQS: {response['MessageId']}")
 return {
 'statusCode': 200,
 'body': 'Message sent to SQS'
 }

3 žingsnis: Sukurkite Lambda funkciją (Darbuotojas)

# Lambda function (Python)
import boto3
import json
import time

sqs = boto3.client('sqs')
QUEUE_URL = 'YOUR_SQS_QUEUE_URL'  # Replace with your SQS queue URL

def lambda_handler(event, context):
 for record in event['Records']:
 body = json.loads(record['body'])
 print(f"Received message: {body}")
 # Simulate report generation
 print("Generating report...")
 # time.sleep(5)
 print("Report generated successfully.")

 return {
 'statusCode': 200,
 'body': 'Message processed'
 }

4 žingsnis: Sukurkite CloudWatch Events taisyklę

Sukurkite CloudWatch Events taisyklę, kad paleistumėte planuoklio Lambda funkciją nustatytu laiku ar intervalu. Nustatykite taisyklę, kad ji paleistų Lambda funkciją.

5 žingsnis: Konfigūruokite SQS paleidiklį darbuotojo Lambda funkcijai

Pridėkite SQS paleidiklį darbuotojo Lambda funkcijai. Tai automatiškai paleis darbuotojo Lambda funkciją, kai į SQS eilę bus pridėta nauja žinutė.

Šis pavyzdys demonstruoja serverio technologiją planavimo ir fono užduočių apdorojimui naudojant AWS paslaugas.

Geriausios eilės apdorojimo praktikos

Norėdami sukurti tvirtas ir patikimas eilių apdorojimo sistemas, apsvarstykite šias geriausias praktikas:

• Pasirinkite tinkamą pranešimų eilę: Pasirinkite pranešimų eilės technologiją, kuri atitiktų jūsų programos specifinius reikalavimus, atsižvelgiant į tokius veiksnius kaip plečiamumas, patikimumas, ilgaamžiškumas ir našumas.
• Suprojektuokite idempotentiškumą: Užtikrinkite, kad jūsų darbuotojų procesai būtų nepasikartojantys, o tai reiškia, kad jie gali saugiai apdoroti tą patį darbą kelis kartus, nesukeldami nenumatytų pasekmių. Tai svarbu tvarkant pakartojimus ir gedimus.
• Įdiekite klaidų tvarkymą ir pakartojimus: Įdiekite patikimas klaidų tvarkymo ir pakartojimo mechanizmus, kad būtų galima tvarkyti gedimus. Naudokite eksponentinį atidėjimą, kad išvengtumėte sistemos perkrovimo pakartojimais.
• Stebėkite ir registruokite: Stebėkite savo eilių apdorojimo sistemos našumą ir registruokite visus svarbius įvykius. Tai padės jums nustatyti ir išspręsti problemas. Naudokite tokius rodiklius kaip eilės ilgis, apdorojimo laikas ir klaidų dažnis, kad stebėtumėte sistemos būklę.
• Nustatykite negautų eilių (Dead-Letter Queues): Konfigūruokite negautų eilių, kad tvarkytumėte darbus, kurie negali būti sėkmingai apdoroti po kelių pakartojimų. Tai neleis nepavykusiems darbams užkimšti pagrindinės eilės ir leis jums ištirti gedimų priežastis.
• Apsaugokite savo eilės: Apsaugokite savo pranešimų eilės, kad neleistumėte neleistinos prieigos. Naudokite autentifikavimo ir autorizavimo mechanizmus, kad kontroliuotumėte, kas gali siųsti ir gauti pranešimus.
• Optimizuokite pranešimų dydį: Laikykite pranešimų dydžius kuo mažesnius, kad pagerintumėte našumą ir sumažintumėte tinklo antkainį. Jei reikia siųsti didelius duomenų kiekius, apsvarstykite galimybę saugoti duomenis atskiroje saugojimo tarnyboje (pvz., AWS S3, Google Cloud Storage, Azure Blob Storage) ir siųsti nuorodą į duomenis pranešime.
• Įdiekite apsinuodijimo piliulių tvarkymą: Apsinuodijimo piliulė yra pranešimas, kuris sukelia darbuotojo gedimą. Įdiekite mechanizmus, kad aptiktumėte ir tvarkytumėte apsinuodijimo piliules, kad jos nesunaikintų jūsų darbuotojų procesų.
• Apsvarstykite pranešimų tvarką: Jei pranešimų tvarka yra svarbi jūsų programai, pasirinkite pranešimų eilę, kuri palaiko tvarkingą pristatymą (pvz., FIFO eilės AWS SQS). Turėkite omenyje, kad tvarkingas pristatymas gali paveikti našumą.
• Įdiekite grandinės pertraukiklius: Naudokite grandinės pertraukiklius, kad išvengtumėte kaskadinių gedimų. Jei darbuotojo procesas nuolat nesugeba apdoroti darbų iš tam tikros eilės, grandinės pertraukiklis gali laikinai sustabdyti darbų siuntimą į tą darbuotoją.
• Naudokite pranešimų paketavimą: Apjungiant kelis pranešimus į vieną užklausą, galima pagerinti našumą, sumažinant tinklo antkainį. Patikrinkite, ar jūsų pranešimų eilė palaiko pranešimų paketavimą.
• Nuodugniai išbandykite: Nuodugniai išbandykite savo eilių apdorojimo sistemą, kad įsitikintumėte, jog ji veikia tinkamai. Naudokite vieneto testus, integracijos testus ir galutinius testus, kad patvirtintumėte sistemos funkcionalumą ir našumą.

Naudojimo atvejai įvairiose pramonės šakose

Eilių apdorojimas naudojamas įvairiose pramonės šakose ir programose. Štai keletas pavyzdžių:

• Elektroninė prekyba: Užsakymų apdorojimas, el. pašto patvirtinimų siuntimas, sąskaitų faktūrų generavimas ir atsargų atnaujinimas.
• Finansai: Operacijų apdorojimas, rizikos analizės atlikimas ir ataskaitų generavimas. Pavyzdžiui, pasaulinė mokėjimų apdorojimo sistema gali naudoti pranešimų eilės, kad tvarkytų operacijas iš skirtingų šalių ir valiutų.
• Sveikatos priežiūra: Medicininių vaizdų apdorojimas, pacientų duomenų analizė ir susitikimų priminimų siuntimas. Ligoninės informacinė sistema gali naudoti eilių apdorojimą, kad tvarkytų didelį srautą duomenų iš įvairių medicinos prietaisų ir sistemų.
• Socialinė žiniasklaida: Vaizdų ir vaizdo įrašų apdorojimas, laiko juostų atnaujinimas ir pranešimų siuntimas. Socialinės žiniasklaidos platforma gali naudoti Kafka, kad tvarkytų didelį vartotojų veiklos generuojamų įvykių kiekį.
• Žaidimai: Žaidimų įvykių apdorojimas, rezultatų lentelių atnaujinimas ir pranešimų siuntimas. Labai didelio masto internetinis žaidimas (MMO) gali naudoti eilių apdorojimą, kad tvarkytų didelį vienalaikių žaidėjų ir žaidimų įvykių skaičių.
• IoT: IoT įrenginių duomenų įsisavinimas ir apdorojimas, jutiklių duomenų analizė ir įspėjimų siuntimas. Išmaniojo miesto programa gali naudoti eilių apdorojimą, kad tvarkytų duomenis iš tūkstančių jutiklių ir įrenginių.

Eilių apdorojimo ateitis

Eilių apdorojimas yra besivystanti sritis. Kylančios tendencijos apima:

• Serverless eilių apdorojimas: Naudojant serverless platformas, tokias kaip AWS Lambda ir Google Cloud Functions, kuriant eilių apdorojimo sistemas. Tai leidžia jums sutelkti dėmesį į jūsų darbuotojų verslo logiką, nereikės valdyti infrastruktūros.
• Srautinis apdorojimas: Naudojant srautinio apdorojimo sistemas, tokias kaip Apache Flink ir Apache Beam, duomenims apdoroti realiuoju laiku. Srautinis apdorojimas leidžia atlikti sudėtingą analitiką ir transformacijas duomenims, kai jie teka per sistemą.
• Debesų gimtosios eilės: Debesų gimtųjų pranešimų paslaugų, tokių kaip Knative Eventing ir Apache Pulsar, naudojimas kuriant plečiamas ir atsparias eilių apdorojimo sistemas.
• Dirbtinio intelekto valdomas eilių valdymas: DI ir mašininio mokymosi naudojimas eilių našumui optimizuoti, kliūtims numatyti ir darbuotojų ištekliams automatiškai plečiant.

Išvada

Fono darbai ir eilių apdorojimas yra esminiai metodai kuriant plečiamas, patikimas ir jautrias programas. Suprasdami pagrindines sąvokas, technologijas ir geriausias praktikas, galite suprojektuoti ir įdiegti eilių apdorojimo sistemas, kurios atitinka jūsų programų specifinius poreikius. Nesvarbu, ar kuriate mažą žiniatinklio programą, ar didelę paskirstytą sistemą, eilių apdorojimas gali padėti jums pagerinti našumą, padidinti patikimumą ir supaprastinti jūsų architektūrą. Atminkite, kad pasirinktumėte tinkamą pranešimų eilės technologiją savo poreikiams ir laikykitės geriausių praktikų, kad užtikrintumėte, jog jūsų eilių apdorojimo sistema būtų tvirta ir efektyvi.