[源码解析] 并行分布式框架 Celery 之架构 (1)

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0x00 摘要

Celery是一个简单、灵活且可靠的，处理大量消息的分布式系统，专注于实时处理的异步任务队列，同时也支持任务调度。

前面我们用几篇文章分析了 Kombu，为 Celery 的分析打下了基础。

[源码分析] 消息队列 Kombu 之 mailbox

[源码分析] 消息队列 Kombu 之 Hub

[源码分析] 消息队列 Kombu 之 Consumer

[源码分析] 消息队列 Kombu 之 Producer

[源码分析] 消息队列 Kombu 之 启动过程

[源码解析] 消息队列 Kombu 之 基本架构

本系列将继续通过源码分析，和大家一起深入学习 Celery。本文是系列第一篇，借鉴了几位网友的大作，按照自己的理解再重新整理，遂得此文。

0x01 Celery 简介

1.1 什么是 Celery

Celery是Python世界中最受欢迎的后台工作管理者之一。它是一个简单、灵活且可靠的，处理大量消息的分布式系统，专注于实时处理的异步任务队列，同时也支持任务调度。

利用多线程，如Eventlet，gevent等，Celery的任务能被并发地执行在单个或多个工作服务器（worker servers）上。任务能异步执行（后台运行）或同步执行（等待任务完成）。Celery用于生产系统时候每天可以处理数以百万计的任务。

Celery是用Python编写的，但该协议可以在任何语言实现。它也可以与其他语言通过webhooks实现。

Celery建议的消息队列是RabbitMQ，但也支持Redis, Beanstalk, MongoDB, CouchDB, 和数据库（使用SQLAlchemy的或Django的 ORM） 。并且可以同时充当生产者和消费者。

1.2 场景

使用Celery的常见场景如下：

• Web应用。当用户触发的一个操作需要较长时间才能执行完成时，可以把它作为任务交给Celery去异步执行，执行完再返回给用户。这段时间用户不需要等待，提高了网站的整体吞吐量和响应时间。

• 定时任务。生产环境经常会跑一些定时任务。假如你有上千台的服务器、上千种任务，定时任务的管理很困难，Celery可以帮助我们快速在不同的机器设定不同种任务。

• 同步完成的附加工作都可以异步完成。比如发送短信/邮件、推送消息、清理/设置缓存等。

1.3 特性

Celery提供了如下的特性：

• 方便地查看定时任务的执行情况，比如执行是否成功、当前状态、执行任务花费的时间等。

• 可以使用功能齐备的管理后台或者命令行添加、更新、删除任务。

• 方便把任务和配置管理相关联。

• 可选多进程、Eventlet 和 Gevent 三种模式并发执行。

• 提供错误处理机制。

• 提供多种任务原语，方便实现任务分组、拆分和调用链。

• 支持多种消息代理和存储后端。

1.4 区别

消息队列和任务队列，最大的不同之处就在于理念的不同 — 消息队列传递的是“消息”，任务队列传递的是“任务”。

• 消息队列用来快速消费队列中的消息。消息队列更侧重于消息的吞吐、处理，具有有处理海量信息的能力。另外利用消息队列的生长者和消费者的概念，也可以实现任务队列的功能，但是还需要进行额外的开发。
• 任务队列是用来执行一个耗时任务。任务队列则提供了执行任务所需的功能，比如任务的重试，结果的返回，任务状态记录等。虽然也有并发的处理能力，但一般不适用于高吞吐量快速消费的场景。

0x02 Celery的架构

Celery 的基本逻辑为：分布式异步消息任务队列。

在 Celery 中，采用的是分布式的管理方式，每个节点之间都是通过广播/单播进行通信，从而达到协同效果。实际上，只有部分辅助管理功能才会协同，基础业务功能反而没有借助协同。

2.1 组件

Celery包含如下组件：

• Celery Beat：任务调度器，Beat进程会读取配置文件的内容，周期性地将配置中到期需要执行的任务发送给任务队列。

• Celery Worker：执行任务的消费者，通常会在多台服务器运行多个消费者来提高执行效率。

• Broker：消息代理，或者叫作消息中间件，接受任务生产者发送过来的任务消息，存进队列再按序分发给任务消费方（通常是消息队列或者数据库）。

• Producer：调用了Celery提供的API、函数或者装饰器而产生任务并交给任务队列处理的都是任务生产者。

• Result Backend：任务处理完后保存状态信息和结果，以供查询。Celery默认已支持 Redis、RabbitMQ、MongoDB、Django ORM、SQLAlchemy 等方式。

再理解一下：

• 系统可以有多个"消息队列"（message Queue），不同的消息可以指定发送给不同的Message Queue。
• 上述功能是通过Exchange来实现的，发送消息到"消息队列"中时，可以指定 routing_key，Exchange 通过routing_key 来把消息路由（routes）到不同的"消息队列"中去（Celery的底层依赖Kombu，里面涉及Exchange）。
• exchange 对应 一个消息队列（queue），即：通过 "消息路由" 的机制使exchange对应queue，每个queue对应每个worker。

2.2 任务流程

Celery 通过消息机制进行通信，通常使用中间人（Broker）作为客户端和职程（Worker）调节。启动一个任务的流程是：

• 客户端向消息队列发送一条消息；
• 然后中间人（Broker）将消息传递给一个职程（Worker），支持RabbitMQ、Redis等作为Broker。；
• 最后由职程（Worker）进行执行中间人（Broker）分配的任务；

2.3 架构图

Celery的架构图如下所示：

+-----------+            +--------------+| Producer  |            |  Celery Beat |+-------+---+            +----+---------+|                     ||                     |v                     v+-------------------------+|          Broker         |+------------+------------+|||+-------------------------------+|              |                |v              v                v+----+-----+   +----+------+   +-----+----+| Exchange |   |  Exchange |   | Exchange |+----+-----+   +----+------+   +----+-----+|              |               |v              v               v+-----+       +-------+       +-------+|queue|       | queue |       | queue |+--+--+       +---+---+       +---+---+|              |               ||              |               |v              v               v+---------+     +--------+     +----------+| worker  |     | Worker |     |  Worker  |+-----+---+     +---+----+     +----+-----+|             |               ||             |               |+-----------------------------+||v+---+-----+| backend |+---------+

0x03 Celery 设计推理

目前我们得到如下信息：

• Celery 的基本逻辑为：分布式异步消息任务队列；
• Celery底层依赖 Kombu，基于 Kombu 完成基本功能；
• 之前我们通过若干文章，基本了解了 Kombu 的大致逻辑；

下面我们就需要依据 Kombu来推论 Celery 应该如何设计。

3.1 Celery 基本功能

首先，我们看看为了完成基本功能，Celery 应该具备哪些组件（模块），我们会提出一些问题，这些问题将在后续的分析中陆续得到解答。

因为Celery 的基本逻辑为：分布式异步消息任务队列，所以Celery包含如下基础组件：

• Producer：需要有一个组件完成如下功能 ：把用户定义的代码打包整合成任务提交给任务队列处理。问题就在于：对于任务，也就是task如何处理？
• task的本质是什么？
• task 应该包括哪些功能？
• 如果task是函数，如何把task函数传递给服务端？如果task函数内容很大怎么办？
• 如何把task相关信息从客户端传递到服务端？

3.2 Celery 辅助功能

以上为基础功能，但是作为分布式异步消息任务队列，我们还需要辅助功能（以及相关问题），比如。

• 用于执行定时任务的timer；

• 需要处理监控事件；

• 如何通过远程命令管理；

• worker 出现问题，如何处理；

• 如何提高并发？

• 如何封装amqp？

• 如何进行消息循环引擎？

• 以上功能哪些属于带有分布式特点的？

3.3 如何划分

进一步问题是：这些辅助功能是作为基础功能模块的一部分？还是独立出来成为一个功能模块？

这其实是一个哲学问题，每种实现都有其道理，或者说，很多决定其实就是作者灵光一现（临时拍脑袋）的产物。

比如我们后面提到的 Consumer 组件，表面上看，就是一个从broker获取消息的功能模块，直接使用 kombu 的 consumer 就可以做到。

但是实际上，celery Consumer 组件的概念远远要大于Kombu的Consumer，不只是利用了Kombu的Consumer从broker取得消息。也包括消息的消费，分发，监控，心跳等一系列功能。可以说，除了消息循环引擎 被 hub 承担，多进程被 Pool，Autoscaler 承担，定时任务被 timer，beat 承担之外，其他主要功能都被 Consumer 承担。

因此，我们需要看看：

• 哪些组件可以利用 Kombu直接完成，哪些需要Celery自己重新设计。

• 若重新设计，哪些可以基于Kombu设计，如何调用相应Kombu模块。

• 若使用Kombu模块作为Celery模块的变量，这些Kombu模块分别属于哪些Celery模块。

0x04 对 AMQP / Kombu 的封装

Celery如果想成为消息处理系统，首先需要解决消息协议和消息传输问题。

• 消息协议由 AMQP（Advanced Message Queuing Protocol:高级消息队列协议）解决。Celery 支持所有AMQP路由机制，可以通过配置的方式，执行相关的消息路由。
• 消息实现和传输由 Kombu 解决。由之前对 Kombu 的分析我们知道，Kombu 的定位是一个兼容 AMQP 协议的消息队列抽象，是一个把消息传递封装成统一接口的库。

所以我们首先看看如何封装 AMQP / Kombu。

具体封装是在 celery/app/amqp.py 文件中，其中主要有两个类：AMQP 和 Queues。

4.1 封装

AMQP类的功能是 发送/接受消息，是对amqp协议实现的再一次封装，在这里其实就是对 kombu 类的再一次封装。

我们可以看到，其内部成员变量都是来自于 Kombu。比如 Connection, Consumer, Exchange, Producer, Queue, pools。

from kombu import Connection, Consumer, Exchange, Producer, Queue, poolsclass AMQP:"""App AMQP API: app.amqp."""Connection = ConnectionConsumer = ConsumerProducer = Producer#: compat alias to ConnectionBrokerConnection = Connectionqueues_cls = Queues#: Cached and prepared routing table._rtable = None#: Underlying producer pool instance automatically#: set by the :attr:`producer_pool`._producer_pool = None# Exchange class/function used when defining automatic queues.# For example, you can use ``autoexchange = lambda n: None`` to use the# AMQP default exchange: a shortcut to bypass routing# and instead send directly to the queue named in the routing key.autoexchange = None

为了更好的理解，我们打印出amqp类的具体内容来看看。

amqp = {AMQP}BrokerConnection = {type} <class \'kombu.connection.Connection\'>Connection = {type} <class \'kombu.connection.Connection\'>Consumer = {type} <class \'kombu.messaging.Consumer\'>Producer = {type} <class \'kombu.messaging.Producer\'>app = {Celery} <Celery myTest at 0x252bd2903c8>autoexchange = {NoneType} Nonedefault_exchange = {Exchange} Exchange celery(direct)default_queue = {Queue} <unbound Queue celery -> <unbound Exchange celery(direct)> -> celery>producer_pool = {ProducerPool} <kombu.pools.ProducerPool object at 0x00000252BDC8F408>publisher_pool = {ProducerPool} <kombu.pools.ProducerPool object at 0x00000252BDC8F408>queues = {Queues: 1} {\'celery\': <unbound Queue celery -> <unbound Exchange celery(direct)> -> celery>}queues_cls = {type} <class \'celery.app.amqp.Queues\'>router = {Router} <celery.app.routes.Router object at 0x00000252BDC6B248>routes = {tuple: 0} ()task_protocols = {dict: 2} {1: <bound method AMQP.as_task_v1 of <celery.app.amqp.AMQP object at 0x00000252BDC74148>>, 2: <bound method AMQP.as_task_v2 of <celery.app.amqp.AMQP object at 0x00000252BDC74148>>}_event_dispatcher = {EventDispatcher} <celery.events.dispatcher.EventDispatcher object at 0x00000252BE750348>_producer_pool = {ProducerPool} <kombu.pools.ProducerPool object at 0x00000252BDC8F408>_rtable = {tuple: 0} ()

具体逻辑如下：

+---------+| Celery  |    +----------------------------+|         |    |   celery.app.amqp.AMQP     ||         |    |                            ||         |    |                            ||         |    |          BrokerConnection +----->  kombu.connection.Connection|         |    |                            ||   amqp+----->+          Connection       +----->  kombu.connection.Connection|         |    |                            |+---------+    |          Consumer         +----->  kombu.messaging.Consumer|                            ||          Producer         +----->  kombu.messaging.Producer|                            ||          producer_pool    +----->  kombu.pools.ProducerPool|                            ||          queues           +----->  celery.app.amqp.Queues|                            ||          router           +----->  celery.app.routes.Router+----------------------------+

4.2 Queues

Queues 则是一个扩展，一个逻辑概念，可以认为是 Broker 概念的进一步缩减版。

Producer 把任务发送给 Queues，Worker 从 Queues 获取任务，进行消费。

app.amqp.queues 就是 Queues 的一个实例，在其中存储了本 Worker 可以读取的所有 kombu.Queue。

class Queues(dict):"""Queue name⇒ declaration mapping.Arguments:queues (Iterable): Initial list/tuple or dict of queues.create_missing (bool): By default any unknown queues will beadded automatically, but if this flag is disabled the occurrenceof unknown queues in `wanted` will raise :exc:`KeyError`.max_priority (int): Default x-max-priority for queues with none set."""#: If set, this is a subset of queues to consume from.#: The rest of the queues are then used for routing only._consume_from = Nonedef __init__(self, queues=None, default_exchange=None,create_missing=True, autoexchange=None,max_priority=None, default_routing_key=None):dict.__init__(self)self.aliases = WeakValueDictionary()self.default_exchange = default_exchangeself.default_routing_key = default_routing_keyself.create_missing = create_missingself.autoexchange = Exchange if autoexchange is None else autoexchangeself.max_priority = max_priorityif queues is not None and not isinstance(queues, Mapping):queues = {q.name: q for q in queues}queues = queues or {}for name, q in queues.items():self.add(q) if isinstance(q, Queue) else self.add_compat(name, **q)

对于一个 Consumer，可以配置其 queue，一个 Consumer 可以有多个queue，比如：

def add_consumer(state, queue, exchange=None, exchange_type=None,routing_key=None, **options):"""Tell worker(s) to consume from task queue by name."""state.consumer.call_soon(state.consumer.add_task_queue,queue, exchange, exchange_type or \'direct\', routing_key, **options)return ok(f\'add consumer {queue}\')

add_consumer 名字个人认为有一定误导，其实是添加 queue，但是名字看起来像添加 Consumer。

而在 Consumer 之中，会对 queues 进行具体配置。

def add_task_queue(self, queue, exchange=None, exchange_type=None,routing_key=None, **options):cset = self.task_consumerqueues = self.app.amqp.queuesif queue in queues:q = queues[queue]else:exchange = queue if exchange is None else exchangeexchange_type = (\'direct\' if exchange_type is Noneelse exchange_type)q = queues.select_add(queue,exchange=exchange,exchange_type=exchange_type,routing_key=routing_key, **options)if not cset.consuming_from(queue):cset.add_queue(q)cset.consume()info(\'Started consuming from %s\', queue)

0x05 TBC

通过以上的分析，大家应该对 Celery 的架构有了初步的了解。在下篇文章中，我们将从几个方面做进一步思考，敬请期待。

0xFF 参考

Nginx资料之Master与Worker基础概念

1: Worker 启动流程概述

2: Worker 的执行引擎

3: Task 对象的实现

4: 定时任务的实现

5: 远程控制管理

6: Events 的实现

7: Worker 之间的交互

8: State 和 Result

Spark分布式计算引擎的应用

mfc 消息消息队列概念_消息队列和任务队列到底有什么不同？