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DDIA 读书分享 第四章：编码和演化

2022-11-16 174
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简介： DDIA 读书分享 第四章：编码和演化

DDIA 读书分享会，会逐章进行分享，结合我在工业界分布式存储和数据库的一些经验，补充一些细节。每两周左右分享一次，欢迎加入，Schedule 在这里[1]。我们有个对应的分布式&数据库讨论群，每次分享前会在群里通知。如想加入，可以加我的微信号：qtmuniao，简单自我介绍下，并注明：分布式系统群。

第三章讲了存储引擎，本章继续下探，探讨编码相关问题。

所有涉及跨进程通信的地方，都需要对数据进行编码（Encoding），或者说序列化（Serialization）。因为持久化存储和网络传输都是面向字节流的。序列化本质上是一种“降维”操作，将内存中高维的数据结构降维成单维的字节流，于是底层硬件和相关协议，只需要处理一维信息即可。

编码主要涉及两方面问题：

  1. 如何编码能够节省空间、提高性能。
  2. 如何编码以适应数据的演化和兼容。

第一小节，以几种常见的编码工具（JSON，XML，Protocol Buffers 和 Avro）为例，逐一探讨了其如何进行编码、如何进行多版本兼容。这里引出了两个非常重要的概念：

  1. 向后兼容 (backward compatibility)：当前代码可以读取旧版本代码写入的数据。
  2. 向前兼容(forward compatibility)：当前代码可以读取新版本代码写入的数据。

翻译成中文后，很容易混淆，主要原因在于“后”的歧义性，到底指身后（过去），还是指之后（将来），私以为还不如翻译为，兼容过去和兼容将来。但为了习惯，后面行文仍然用向后/前兼容。

其中，向后兼容比较常见，因为时间总是向前流逝，版本总是升级，那么升级之后的代码总要处理历史积压的数据，自然会产生向后兼容的问题。向前兼容比较少见，书中给出的例子是多实例滚动升级，但其持续时间也很短。

第二小节，结合几个具体的应用场景：数据库、服务和消息系统，来分别谈了相关数据流中涉及到的编码与演化。

数据编码的格式

image.png

                                    序列化和反序列化

编码（Encoding）有多种称谓，如序列化（serialization）或 编组（marshalling）。对应的，解码（Decoding）也有多种别称，解析（Parsing），反序列化（deserialization），反编组 (unmarshalling）。

  • 为什么内存中数据和外存、网络中的会有如此不同呢？
    在内存中，借助编译器，我们可以将内存解释为各种数据结构；但在文件系统和网络中，我们只能通过 seek\read 等几个有限的操作来流式的读取字节流。那 mmap 呢？
  • 编码和序列化撞车了？
    在事务中，也有序列化相关的术语，所以这里专用编码，以避免歧义。
  • 编码（encoding）和加密（encryption）？
    研究的范畴不太一样，编码是为了持久化或者传输，着重点在格式和演化；而加密是为了安全，着重点在于安全、防破解。

编程语言内置

很多编程语言内置了一些缺省的编码方法：

  1. Java 有 java.io.Serializable
  2. Ruby 有 Marshal
  3. Python 有 pickle

如果你确定你的数据只会被某种特定的语言所读取，那么这种内置的编码方法很好用。比如深度学习研究员因为基本都用 Python，所以常会把数据以 pickle[2] 的格式传来传去。

但这些编程语言内置的编码格式有以下缺点：

  1. 和特定语言绑定
  2. 安全问题
  3. 兼容性支持不够
  4. 效率不高

JSON、XML 及其二进制变体

JSON，XML 和 CSV 属于常用的文本编码格式，其好处在于肉眼可读，坏处在于不够紧凑，占空间较多。

JSON 最初由 JavaScript 引入，因此在 Web Service 中用的较多，当然随着 web 的火热，现在成为了比较通用的编码格式，比如很多日志格式就是 JSON 的。

XML 比较古老了，比 JSON 冗余度还高，有时候配置文件中会用，但总体而言用的越来越少了。

CSV （以逗号\TAB、换行符分割）还算紧凑，但是表达能力有限。数据库表导出有时会用。

除了不够紧凑外，文本编码（text encoding）还有以下缺点：

  1. 对数值类型支持不够。CSV 和 XML 直接不支持，万物皆字符串。JSON 虽区分字符串和数值，但是不进一步区分细分数值类型。可以理解，毕竟文本编码嘛，主要还是面向字符串。
  2. 对二进制数据支持不够。支持 Unicode，但是对二进制串支持不够，可能会显示为乱码。虽然可以通过 Base64 编码来绕过，但有点做无用功的感觉。
  3. XML和 JSON 支持额外的模式。模式会描述数据的类型，告诉你如何理解数据。配合这些模式语言，虽然可以让 XML 和 JSON 变得强大，但是大大增加了复杂度。
  4. CSV 没有任何模式。

凡事讲究够用，很多场景下需要数据可读，并且不关心编码效率，那么这几种编码格式就够用了。

二进制编码

如果数据只被单一程序读取，不需要进行交换，不需要考虑易读性等问题。则可以用二进制编码，在数据量到达一定程度后，二进制编码所带来的空间节省、速度提高都很可观。

因此，JSON 有很多二进制变种：MessagePack、BSON、BJSON、UBJSON、BISON 和 Smile 等。

对于下面例子，

{
    "userName": "Martin",
    "favoriteNumber": 1337,
    "interests": ["daydreaming", "hacking"]
}

如果用 MessagePack 来编码，则为：

image.png

                            MessagePack 编码逐字节解析

可以看出其基本编码策略为：使用类型，长度，bit 串，顺序编码，去掉无用的冒号、引号、花括号。

从而将 JSON 编码的 81 字节缩小到了 66 字节，微有提高。

Thrift 和 Protocol Buffers

Thrift 最初由 Facebook，ProtoBuf 由 Google 在 07~08 年左右开源。他们都有对应的 RPC 框架和编解码工具。表达能力类似，语法也类似，在编码前都需要由接口定义语言（IDL）来描述模式：

struct Person {
    1: required string       userName,
    2: optional i64          favoriteNumber,
    3: optional list<string> interests
}
message Person {
    required string user_name       = 1;
    optional int64  favorite_number = 2;
    repeated string interests       = 3;
}

IDL 是编程语言无关的，可以利用相关代码生成工具，可以将上述 IDL 翻译为指定语言的代码。即，集成这些生成的代码，无论什么样的语言，都可以使用同样的格式编解码。

这也是不同 service 可以使用不同编码语言，且能够互相通信的基础。

此外，Thrift 还支持多种不同的编码格式，常用的有：Binary、Compact、JSON。可以让用户自行在：编码速度、占用空间、可读性方便进行取舍。

image.png

                   Thrift Binary Protocol 编码逐字节解析

可以看出其特点：

  1. 使用 field tag 编码。field tag 其实蕴含了字段类型和名字。
  2. 使用类型、tag、长度、bit 数组的顺序编码。

image.png

                      Thrift Compact Protocol 逐字节编码

相比 Binary Protocol，Compact Protocol 由以下优化：

  1. filed tag 只记录 delta。
  2. 从而将 field tag 和 type 压缩到一个字节中。
  3. 对数字使用变长编码和Zigzag编码。

ProtoBuf 与 Thrift Compact Protocol 编码方式很类似，也用了变长编码和 Zigzag 编码。但 ProtoBuf 对于数组的处理与 Thrift 显著不同，使用了 repeated 前缀而非真数组，好处后面说。

image.png

                        Protocol Buffers 编码逐字节解析

字段标号和模式演变

模式，即有哪些字段，字段分别为什么类型。

随着时间的推移，业务总会发生变化，我们也不可避免的增删字段，修改字段类型，即模式演变。

在模式发生改变后，需要：

  1. 向后兼容：新的代码，在处理新的增量数据格式的同时，也得处理旧的存量数据。
  2. 向前兼容：旧的代码，如果遇到新的数据格式，不能 crash。
  • ProtoBuf 和 Thrift 是怎么解决这两个问题的呢？
    字段标号 + 限定符（optional、required）
    向后兼容：新加的字段需为 optional。这样在解析旧数据时，才不会出现字段缺失的情况。
    向前兼容：字段标号不能修改，只能追加。这样旧代码在看到不认识的标号时，省略即可。

数据类型和模式演变

修改数据类型比较麻烦：只能够在相容类型中进行修改。

如不能将字符串修改为整形，但是可以在整形内修改：32 bit 到 64 bit 整形。

ProtoBuf 没有列表类型，而有一个 repeated 类型。其好处在于兼容数组类型的同时，支持将可选（optional）单值字段，修改为多值字段。修改后，旧代码在看到新的多值字段时，只会使用最后一个元素。

Thrift 列表类型虽然没这个灵活性，但是可以嵌套呀。

Avro

Apache Avro 是 Apache Hadoop 的一个子项目，专门为数据密集型场景设计，对模式演变支持的很好。支持 Avro IDL 和 JSON 两种模式语言，前者适合人工编辑，后者适合机器读取。

record Person {
    string                userName;
    union { null, long }  favoriteNumber = null;
    array<string>         interests;
}
{
    "type": "record",
    "name": "Person",
    "fields": [
        {"name": "userName", "type": "string"},
        {"name": "favoriteNumber", "type": ["null", "long"], "default": null},
        {"name": "interests", "type": {"type": "array", "items": "string"}}
    ]
}

可以看到 Avro 没有使用字段标号。

  • 仍是编码之前例子，Avro 只用了 32 个字节，为什么呢？
    他没有编入类型。

image.png

                             Avro 编码逐字节解析

因此，Avro 必须配合模式定义来解析，如 Client-Server 在通信的握手阶段会先交换数据模式。

写入模式和读取模式

  • 没有字段标号，Avro 如何支持模式演进呢？
    答案是显式的使用两种模式。

即，在对数据进行编码（写入文件或者进行传输）时，使用模式 A，称为写入模式（writer schema）；在对数据进行解码（从文件或者网络读取）时，使用模式 B，称为读取模式（reader schema），而两者不必相同，只需兼容。

也就是说，只要模式在演进时，是兼容的，那么 Avro 就能够处理向后兼容和向前兼容。

向后兼容：新代码读取旧数据。即读取时首先得到旧数据的写入模式（即旧模式），然后将其与读取模式（即新模式）对比，得到转换映射，即可拿着此映射去解析旧数据。

向前兼容：旧代码读取新数据。原理类似，只不过是需要得到一个逆向映射。

在由写入模式到读取模式建立映射时有一些规则：

  1. 使用字段名来进行匹配。因此写入模式和读取模式字段名顺序不一样无所谓。
  2. 忽略多出的字段。
  3. 对缺少字段填默认值。

image.png

                              Avro 两种模式进行匹配

模式演化规则

  • 那么如何保证写入模式的兼容呢？
  1. 在增删字段时，只能添加或删除具有默认值的字段。
  2. 在更改字段类型时，需要 Avro 支持相应的类型转换。

Avro 没有像 ProtoBuf、Thrift 那样的 optional 和 required 限定符，是通过 union 的方式，来指定默认值，甚至多种类型：

union {null, long, string} field;

注：默认值必须是联合的第一个分支的类型。

更改字段名和在 union 中添加类型，都是向后兼容，但是不能向前兼容的，想想为什么？

如何从编码中获取写入模式

对于一段给定的 Avro 编码数据，Reader 如何从其中获得其对应的写入模式？

这取决于不同的应用场景。

  • 所有数据条目同构的大文件
    典型的就是 Hadoop 生态中。如果一个大文件所有记录都使用相同模式编码，则在文件头包含一次写入模式即可。
  • 支持模式变更的数据库表
    由于数据库表允许模式修改，其中的行可能写入于不同模式阶段。对于这种情况，可以在编码时额外记录一个模式版本号（比如自增），然后在某个地方存储所有的模式版本。
    解码时，通过版本去查询对应的写入模式即可。
  • 网络中发送数据
    在两个进程通信的握手阶段，交换写入模式。比如在一个 session 开始时交换模式，然后在整个 session 生命周期内都用此模式。

动态生成数据中的模式

Avro 没有使用字段标号的一个好处是，不需要手动维护字段标号到字段名的映射，这对于动态生成的数据模式很友好。

书中给的例子是对数据库做导出备份，注意和数据库本身使用 Avro 编码不是一个范畴，此处是指导出的数据使用 Avro 编码。

在数据库表模式发生改变前后，Avro 只需要在导出时依据当时的模式，做相应的转换，生成相应的模式数据即可。但如果使用 PB，则需要自己处理多个备份文件中，字段标号到字段名称的映射关系。其本质在于，Avro 的数据模式可以和数据存在一块，但是 ProtoBuf 的数据模式只能体现在生成的代码中，需要手动维护新旧版本备份数据与PB 生成的代码间的映射。

代码生成和动态语言

Thrift 和 Protobuf 会依据语言无关的 IDL 定义的模式，生成给定语言的编解码的代码。这对静态语言很有用，因为它允许利用 IDE 和编译器进行类型检查，并且能够提高编解码效率。

上述思路本质上在于，将模式内化到了生成的代码中。

但对于动态语言，或者说解释型语言，如 JavaScript、Ruby 或 Python，由于没有了编译期检查，生成代码的意义没那么大，反而会有一定的冗余。这时 Avro 这种支持不生成代码的框架就节省一些，它可以将模式写入数据文件，读取时利用 Avro 进行动态解析即可。

模式的优点

模式的本质是显式类型约束，即，先有模式，才能有数据。

相比于没有任何类型约束的文本编码 JSON，XML 和 CSV，Protocol Buffers，Thrift 和 Avro 这些基于显式定义二进制编码优点有：

  1. 省去字段名，从而更加紧凑。
  2. 模式是数据的注释或者文档，并且总是最新的。
  3. 数据模式允许不读取数据，仅比对模式来做低成本的兼容性检查。
  4. 对于静态类型来说，可以利用代码生成做编译时的类型检查。

模式演化 vs 读时模式

几种数据流模型

数据可以以很多种形式从一个系统流向另一个系统，但不变的是，流动时都需要编码与解码。

在数据流动时，会涉及编解码双方模式匹配问题，上一小节已经讨论，本小节主要探讨几种进程间典型的数据流方式：

  1. 通过数据库
  2. 通过服务调用
  3. 通过异步消息传递

经由数据库的数据流

访问数据库的程序，可能：

  1. 只由同一个进程访问。则数据库可以理解为该进程向将来发送数据的中介。
  2. 由多个进程访问。则多个进程可能有的是旧版本，有的是新版本，此时数据库需要考虑向前和向后兼容的问题。

还有一种比较棘手的情况：在某个时刻，你给一个表增加了一个字段，较新的代码写入带有该字段的行，之后又被较旧的代码覆盖成缺少该字段的行。这时候就会出现一个问题：我们更新了一个字段 A，更新完后，却发现字段 B 没了。

image.png

        一种特殊情况：旧 binary 会删除新 binary 写入的列

不同时间写入的数据

对于应用程序，可能很短时间就可以由旧版本替换为新版本。但是对于数据，旧版本的代码写入的数据量，经年累月，可能很大。在变更了模式之后，由于这些旧模式的数据量很大，全部更新对齐到新版本的代价很高。

这种情况我们称之为：数据的生命周期超过了其对应代码的生命周期。

在读取时，数据库一般会对缺少对应列的旧数据：

  1. 填充新版本字段的默认值（default value）
  2. 如果没有默认值则填充空值（nullable）

后返回给用户。一般来说，在更改模式时（比如 alter table），数据库不允许增加既没有默认值、也不允许为空的列。

存储归档

有时候需要对数据库做备份到外存。在做备份（或者说快照）时，虽然会有不同时间点生成的数据，但通常会将各种版本数据转化、对齐到最新版本。毕竟，总是要全盘拷贝数据，那就顺便做下转换好了。

之前也提到了，对于这种场景，生成的是一次性的不可变的备份或者快照数据，使用 Avro 比较合适。此时也是一个很好地契机，可以将数据按需要的格式输出，比如面向分析的按列存储格式：Parquet[3]。

经由服务的数据流：REST 和 RPC

通过网络通信时，通常涉及两种角色：服务器（server）和客户端（client）。

通常来说，暴露于公网的多为 HTTP 服务，而 RPC 服务常在内部使用。

服务器也可以同时是客户端：

  1. 作为客户端访问数据库。
  2. 作为客户端访问其他服务。

对于后者，是因为我们常把一个大的服务拆成一组功能独立、相对解耦的服务，这就是 面向服务的架构（service-oriented architecture，SOA），或者最近比较火的微服务架构（micro-services architecture）。这两者有一些不同，但这里不再展开。

服务在某种程度上和数据库类似：允许客户端以某种方式存储和查询数据。但不同的是，数据库通常提供某种灵活的查询语言，而服务只能提供相对死板的 API。

web 服务

当服务使用 HTTP 作为通信协议时，我们通常将其称为 web 服务。但其并不局限于 web，还包括：

  1. 用户终端（如移动终端）通过 HTTP 向服务器请求。
  2. 同组织内的一个服务向另一个服务发送 HTTP 请求（微服务架构，其中的一些组件有时被称为中间件）。
  3. 不同组织的服务进行数据交换。一般要通过某种手段进行验证，比如 OAuth。

有两种设计 HTTP API 的方法：REST 和 SOAP。

  1. REST 并不是一种协议，而是一种设计哲学。它强调简单的 API 格式，使用 URL 来标识资源，使用 HTTP 的动作（GET、POST、PUT、DELETE ）来对资源进行增删改查。由于其简洁风格，越来越受欢迎。
  2. SOAP 是基于 XML 的协议。虽然使用 HTTP，但目的在于独立于 HTTP。现在提的比较少了。

RPC 面临的问题

RPC 想让调用远端服务像调用本地（同进程中）函数一样自然，虽然设想比较好、现在用的也比较多，但也存在一些问题：

  1. 本地函数调用要么成功、要么不成功。但是 RPC 由于经过网络，可能会有各种复杂情况，比如请求丢失、响应丢失、hang 住以至于超时等等。因此，可能需要重试。
  2. 如果重试，需要考虑幂等性问题。因为上一次的请求可能已经到达了服务端，只是请求没有成功返回。那么多次调用远端函数，就要保证不会造成额外副作用。
  3. 远端调用延迟不可用，受网络影响较大。
  4. 客户端与服务端使用的编程语言可能不同，但如果有些类型不是两种语言都有，就会出一些问题。

REST 相比 RPC 的好处在于，它不试图隐去网络，更为显式，让使用者不易忽视网络的影响。

RPC 当前方向

尽管有上述问题，但其实在工程中，大部分情况下，上述情况都在容忍范围内：

  1. 比如局域网的网络通常比较快速、可控。
  2. 多次调用，使用幂等性来解决。
  3. 跨语言，可以使用 RPC 框架的 IDL 来解决。

但 RPC 程序需要考虑上面提到的极端情况，否则可能会偶然出一个很难预料的 BUG。

另外，基于二进制编码的 RPC 通常比基于 HTTP 服务效率更高。但 HTTP 服务，或者更具体一点，RESTful API 的好处在于，生态好、有大量的工具支持。而 RPC 的 API 通常和 RPC 框架生成的代码高度相关，因此很难在不同组织中无痛交换和升级。

因此，如本节开头所说：暴露于公网的多为 HTTP 服务，而 RPC 服务常在内部使用。

数据编码和 RPC 的演化

通过服务的数据流通常可以假设：所有的服务器先更新，然后服务端再更新。因此，只需要在请求里考虑后向兼容性，在响应中考虑前向兼容性：

  1. Thrift、gRPC（Protobuf）和 Avro RPC 可以根据编码格式的兼容性规则进行演变。
  2. RESTful API 通常使用 JSON 作为请求响应的格式，JSON 比较容易添加新的字段来进行演进和兼容。
  3. SOAP 按下不表。

对于 RPC，服务的兼容性比较困难，因为一旦 RPC 服务的 SDK 提供出去之后，你就无法对其生命周期进行控制：总有用户因为各种原因，不会进行主动升级。因此可能需要长期保持兼容性，或者提前通知和不断预告，或者维护多个版本 SDK 并逐渐对早期版本进行淘汰。

对于 RESTful API，常用的兼容方法是，将版本号做到 URL 或者 HTTP 请求头中。

经由消息传递的数据流

前面研究了编码解码的不同方式：

  1. 数据库：一个进程写入（编码），将来一个进程读取（解码）
  2. RPC 和 REST：一个进程通过网络（发送前会编码）向另一个进程发送请求（收到后会解码）并同步等待响应。

本节研究介于数据库和 RPC 间的异步消息系统：一个存储（消息 broker、消息队列来临时存储消息）+ 两次 RPC（生产者一次，消费者一次）。

与 RPC 相比，使用消息队列的优点：

  1. 如果消费者暂时不可用，可以充当暂存系统。
  2. 当消费者宕机重启后，自动地重新发送消息。
  3. 生产者不必知道消费者 IP 和端口。
  4. 能将一条消息发送给多个消费者。
  5. 将生产者和消费者解耦。

消息队列

书中用的是消息代理（Message Broker），但另一个名字，消息队列，可能更为大家熟知，因此，本小节之后行文都用消息队列。

过去，消息队列为大厂所垄断。但近年来，开源的消息队列越来越多，可以适应不同场景，如 RabbitMQ、ActiveMQ、HornetQ、NATS 和 Apache Kafka 等等。

消息队列的送达保证因实现和配置而异，包括：

  1. 最少一次 （at-least-once）：同一条数据可能会送达多次给消费者。
  2. 最多一次（at-most-once）：同一条数据最多会送达一次给消费者，有可能丢失。
  3. 严格一次（exactly-once）：同一条数据保证会送达一次，且最多一次给消费者。

消息队列的逻辑抽象叫做 Queue 或者 Topic，常用的消费方式两种：

  1. 多个消费者互斥消费一个 Topic
  2. 每个消费者独占一个 Topic

注：我们有时会区分这两个概念：将点对点的互斥消费称为 Queue，多点对多点的发布订阅称为 Topic，但这并不通用，或者说没有形成共识。

一个 Topic 提供一个单向数据流，但可以组合多个 Topic，形成复杂的数据流拓扑。

消息队列通常是面向字节数组的，因此你可以将消息按任意格式进行编码。如果编码是前后向兼容的，同一个主题的消息格式，便可以进行灵活演进。

分布式的 Actor 框架

Actor 模型是一种基于消息传递的并发编程模型。Actor 通常是由状态（State）、行为（Behavior）和信箱（MailBox，可以认为是一个消息队列）三部分组成：

  1. 状态：Actor 中包含的状态信息。
  2. 行为：Actor 中对状态的计算逻辑。
  3. 信箱：Actor 接受到的消息缓存地。

由于  Actor 和外界交互都是通过消息，因此本身可以并行的，且不需要加锁。

分布式的 Actor 框架，本质上是将消息队列和 actor 编程模型集成到一块。自然，在 Actor 滚动升级是，也需要考虑前后向兼容问题。

参考资料

[1]DDIA 读书分享会: https://docs.qq.com/sheet/DWHFzdk5lUWx4UWJq

[2]pickle 官方文档: https://docs.python.org/zh-cn/3/library/pickle.html

[3]Parquet: https://parquet.apache.org/docs/file-format/

文章标签：
云解析DNS
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编解码
网络架构
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存储
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