Storm 编程模型

一、简介

下图为 Strom 的运行流程图，在开发 Storm 流处理程序时，我们需要采用内置或自定义实现 spout(数据源) 和 bolt(处理单元)，并通过 TopologyBuilder 将它们之间进行关联，形成 Topology。

二、IComponent接口

IComponent 接口定义了 Topology 中所有组件 (spout/bolt) 的公共方法，自定义的 spout 或 bolt 必须直接或间接实现这个接口。

public interface IComponent extends Serializable {

    /**
     * 声明此拓扑的所有流的输出模式。
     * @param declarer 这用于声明输出流 id，输出字段以及每个输出流是否是直接流（direct stream）
     */
    void declareOutputFields(OutputFieldsDeclarer declarer);

    /**
     * 声明此组件的配置。
     *
     */
    Map<String, Object> getComponentConfiguration();

}

三、Spout

3.1 ISpout接口

自定义的 spout 需要实现 ISpout 接口，它定义了 spout 的所有可用方法：

public interface ISpout extends Serializable {
    /**
     * 组件初始化时候被调用
     *
     * @param conf ISpout 的配置
     * @param context 应用上下文，可以通过其获取任务 ID 和组件 ID，输入和输出信息等。
     * @param collector  用来发送 spout 中的 tuples，它是线程安全的，建议保存为此 spout 对象的实例变量
     */
    void open(Map conf, TopologyContext context, SpoutOutputCollector collector);

    /**
     * ISpout 将要被关闭的时候调用。但是其不一定会被执行，如果在集群环境中通过 kill -9 杀死进程时其就无法被执行。
     */
    void close();
    
    /**
     * 当 ISpout 从停用状态激活时被调用
     */
    void activate();
    
    /**
     * 当 ISpout 停用时候被调用
     */
    void deactivate();

    /**
     * 这是一个核心方法，主要通过在此方法中调用 collector 将 tuples 发送给下一个接收器，这个方法必须是非阻塞的。     
     * nextTuple/ack/fail/是在同一个线程中执行的，所以不用考虑线程安全方面。当没有 tuples 发出时应该让
     * nextTuple 休眠 (sleep) 一下，以免浪费 CPU。
     */
    void nextTuple();

    /**
     * 通过 msgId 进行 tuples 处理成功的确认，被确认后的 tuples 不会再次被发送
     */
    void ack(Object msgId);

    /**
     * 通过 msgId 进行 tuples 处理失败的确认，被确认后的 tuples 会再次被发送进行处理
     */
    void fail(Object msgId);
}

3.2 BaseRichSpout抽象类

通常情况下，我们实现自定义的 Spout 时不会直接去实现 ISpout 接口，而是继承 BaseRichSpout。BaseRichSpout 继承自 BaseCompont，同时实现了 IRichSpout 接口。

IRichSpout 接口继承自 ISpout 和 IComponent,自身并没有定义任何方法：

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public interface IRichSpout extends ISpout, IComponent {

}

BaseComponent 抽象类空实现了 IComponent 中 getComponentConfiguration 方法：

public abstract class BaseComponent implements IComponent {
    @Override
    public Map<String, Object> getComponentConfiguration() {
        return null;
    }    
}

BaseRichSpout 继承自 BaseCompont 类并实现了 IRichSpout 接口，并且空实现了其中部分方法：

public abstract class BaseRichSpout extends BaseComponent implements IRichSpout {
    @Override
    public void close() {}

    @Override
    public void activate() {}

    @Override
    public void deactivate() {}

    @Override
    public void ack(Object msgId) {}

    @Override
    public void fail(Object msgId) {}
}

通过这样的设计，我们在继承 BaseRichSpout 实现自定义 spout 时，就只有三个方法必须实现：

open ：来源于 ISpout，可以通过此方法获取用来发送 tuples 的 SpoutOutputCollector；
nextTuple ：来源于 ISpout，必须在此方法内部发送 tuples；
declareOutputFields ：来源于 IComponent，声明发送的 tuples 的名称，这样下一个组件才能知道如何接受。

四、Bolt

bolt 接口的设计与 spout 的类似：

4.1 IBolt 接口

 /**
  * 在客户端计算机上创建的 IBolt 对象。会被被序列化到 topology 中（使用 Java 序列化）,并提交给集群的主机（Nimbus）。  
  * Nimbus 启动 workers 反序列化对象，调用 prepare，然后开始处理 tuples。
 */

public interface IBolt extends Serializable {
    /**
     * 组件初始化时候被调用
     *
     * @param conf storm 中定义的此 bolt 的配置
     * @param context 应用上下文，可以通过其获取任务 ID 和组件 ID，输入和输出信息等。
     * @param collector  用来发送 spout 中的 tuples，它是线程安全的，建议保存为此 spout 对象的实例变量
     */
    void prepare(Map stormConf, TopologyContext context, OutputCollector collector);

    /**
     * 处理单个 tuple 输入。
     * 
     * @param Tuple 对象包含关于它的元数据（如来自哪个组件/流/任务）
     */
    void execute(Tuple input);

    /**
     * IBolt 将要被关闭的时候调用。但是其不一定会被执行，如果在集群环境中通过 kill -9 杀死进程时其就无法被执行。
     */
    void cleanup();

4.2 BaseRichBolt抽象类

同样的，在实现自定义 bolt 时，通常是继承 BaseRichBolt 抽象类来实现。BaseRichBolt 继承自 BaseComponent 抽象类并实现了 IRichBolt 接口。

IRichBolt 接口继承自 IBolt 和 IComponent,自身并没有定义任何方法：

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public interface IRichBolt extends IBolt, IComponent {

}

通过这样的设计，在继承 BaseRichBolt 实现自定义 bolt 时，就只需要实现三个必须的方法：

prepare：来源于 IBolt，可以通过此方法获取用来发送 tuples 的 OutputCollector；
execute：来源于 IBolt，处理 tuples 和发送处理完成的 tuples；
declareOutputFields ：来源于 IComponent，声明发送的 tuples 的名称，这样下一个组件才能知道如何接收。

五、词频统计案例

5.1 案例简介

这里我们使用自定义的 DataSourceSpout 产生词频数据，然后使用自定义的 SplitBolt 和 CountBolt 来进行词频统计。

案例源码下载地址：storm-word-count

5.2 代码实现

1. 项目依赖

<dependency>
    <groupId>org.apache.storm</groupId>
    <artifactId>storm-core</artifactId>
    <version>1.2.2</version>
</dependency>

2. DataSourceSpout

public class DataSourceSpout extends BaseRichSpout {

    private List<String> list = Arrays.asList("Spark", "Hadoop", "HBase", "Storm", "Flink", "Hive");

    private SpoutOutputCollector spoutOutputCollector;

    @Override
    public void open(Map map, TopologyContext topologyContext, SpoutOutputCollector spoutOutputCollector) {
        this.spoutOutputCollector = spoutOutputCollector;
    }

    @Override
    public void nextTuple() {
        // 模拟产生数据
        String lineData = productData();
        spoutOutputCollector.emit(new Values(lineData));
        Utils.sleep(1000);
    }

    @Override
    public void declareOutputFields(OutputFieldsDeclarer outputFieldsDeclarer) {
        outputFieldsDeclarer.declare(new Fields("line"));
    }


    /**
     * 模拟数据
     */
    private String productData() {
        Collections.shuffle(list);
        Random random = new Random();
        int endIndex = random.nextInt(list.size()) % (list.size()) + 1;
        return StringUtils.join(list.toArray(), "\t", 0, endIndex);
    }

}

上面类使用 productData 方法来产生模拟数据，产生数据的格式如下：

Spark	HBase
Hive	Flink	Storm	Hadoop	HBase	Spark
Flink
HBase	Storm
HBase	Hadoop	Hive	Flink
HBase	Flink	Hive	Storm
Hive	Flink	Hadoop
HBase	Hive
Hadoop	Spark	HBase	Storm

3. SplitBolt

public class SplitBolt extends BaseRichBolt {

    private OutputCollector collector;

    @Override
    public void prepare(Map stormConf, TopologyContext context, OutputCollector collector) {
        this.collector=collector;
    }

    @Override
    public void execute(Tuple input) {
        String line = input.getStringByField("line");
        String[] words = line.split("\t");
        for (String word : words) {
            collector.emit(new Values(word));
        }
    }

    @Override
    public void declareOutputFields(OutputFieldsDeclarer declarer) {
        declarer.declare(new Fields("word"));
    }
}

4. CountBolt

public class CountBolt extends BaseRichBolt {

    private Map<String, Integer> counts = new HashMap<>();

    @Override
    public void prepare(Map stormConf, TopologyContext context, OutputCollector collector) {

    }

    @Override
    public void execute(Tuple input) {
        String word = input.getStringByField("word");
        Integer count = counts.get(word);
        if (count == null) {
            count = 0;
        }
        count++;
        counts.put(word, count);
        // 输出
        System.out.print("当前实时统计结果:");
        counts.forEach((key, value) -> System.out.print(key + ":" + value + "; "));
        System.out.println();
    }

    @Override
    public void declareOutputFields(OutputFieldsDeclarer declarer) {

    }
}

5. LocalWordCountApp

通过 TopologyBuilder 将上面定义好的组件进行串联形成 Topology，并提交到本地集群（LocalCluster）运行。通常在开发中，可先用本地模式进行测试，测试完成后再提交到服务器集群运行。

public class LocalWordCountApp {

    public static void main(String[] args) {
        TopologyBuilder builder = new TopologyBuilder();
        
        builder.setSpout("DataSourceSpout", new DataSourceSpout());
        
        // 指明将 DataSourceSpout 的数据发送到 SplitBolt 中处理
        builder.setBolt("SplitBolt", new SplitBolt()).shuffleGrouping("DataSourceSpout");
        
        //  指明将 SplitBolt 的数据发送到 CountBolt 中 处理
        builder.setBolt("CountBolt", new CountBolt()).shuffleGrouping("SplitBolt");

        // 创建本地集群用于测试 这种模式不需要本机安装 storm,直接运行该 Main 方法即可
        LocalCluster cluster = new LocalCluster();
        cluster.submitTopology("LocalWordCountApp",
                new Config(), builder.createTopology());
    }

}

6. 运行结果

启动 WordCountApp 的 main 方法即可运行，采用本地模式 Storm 会自动在本地搭建一个集群，所以启动的过程会稍慢一点，启动成功后即可看到输出日志。

六、提交到服务器集群运行

6.1 代码更改

提交到服务器的代码和本地代码略有不同，提交到服务器集群时需要使用 StormSubmitter 进行提交。主要代码如下：

为了结构清晰，这里新建 ClusterWordCountApp 类来演示集群模式的提交。实际开发中可以将两种模式的代码写在同一个类中，通过外部传参来决定启动何种模式。

public class ClusterWordCountApp {

    public static void main(String[] args) {
        TopologyBuilder builder = new TopologyBuilder();
        
        builder.setSpout("DataSourceSpout", new DataSourceSpout());
        
        // 指明将 DataSourceSpout 的数据发送到 SplitBolt 中处理
        builder.setBolt("SplitBolt", new SplitBolt()).shuffleGrouping("DataSourceSpout");
        
        //  指明将 SplitBolt 的数据发送到 CountBolt 中 处理
        builder.setBolt("CountBolt", new CountBolt()).shuffleGrouping("SplitBolt");

        // 使用 StormSubmitter 提交 Topology 到服务器集群
        try {
            StormSubmitter.submitTopology("ClusterWordCountApp",  new Config(), builder.createTopology());
        } catch (AlreadyAliveException | InvalidTopologyException | AuthorizationException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

6.2 打包上传

打包后上传到服务器任意位置，这里我打包后的名称为 storm-word-count-1.0.jar

1	# mvn clean package -Dmaven.test.skip=true

6.3 提交Topology

使用以下命令提交 Topology 到集群：

1 2	# 命令格式: storm jar jar包位置主类的全路径 ...可选传参 storm jar /usr/appjar/storm-word-count-1.0.jar com.heibaiying.wordcount.ClusterWordCountApp

出现 successfully 则代表提交成功：

6.4 查看Topology与停止Topology（命令行方式）

# 查看所有Topology
storm list

# 停止  storm kill topology-name [-w wait-time-secs]
storm kill ClusterWordCountApp -w 3

6.5 查看Topology与停止Topology（界面方式）

使用 UI 界面同样也可进行停止操作，进入 WEB UI 界面（8080 端口），在 Topology Summary 中点击对应 Topology 即可进入详情页面进行操作。

七、关于项目打包的扩展说明

mvn package的局限性

在上面的步骤中，我们没有在 POM 中配置任何插件，就直接使用 mvn package 进行项目打包，这对于没有使用外部依赖包的项目是可行的。但如果项目中使用了第三方 JAR 包，就会出现问题，因为 package 打包后的 JAR 中是不含有依赖包的，如果此时你提交到服务器上运行，就会出现找不到第三方依赖的异常。

这时候可能大家会有疑惑，在我们的项目中不是使用了 storm-core 这个依赖吗？其实上面之所以我们能运行成功，是因为在 Storm 的集群环境中提供了这个 JAR 包，在安装目录的 lib 目录下：

为了说明这个问题我在 Maven 中引入了一个第三方的 JAR 包，并修改产生数据的方法：

<dependency>
    <groupId>org.apache.commons</groupId>
    <artifactId>commons-lang3</artifactId>
    <version>3.8.1</version>
</dependency>

StringUtils.join() 这个方法在 commons.lang3 和 storm-core 中都有，原来的代码无需任何更改，只需要在 import 时指明使用 commons.lang3。

import org.apache.commons.lang3.StringUtils;

private String productData() {
    Collections.shuffle(list);
    Random random = new Random();
    int endIndex = random.nextInt(list.size()) % (list.size()) + 1;
    return StringUtils.join(list.toArray(), "\t", 0, endIndex);
}

此时直接使用 mvn clean package 打包运行，就会抛出下图的异常。因此这种直接打包的方式并不适用于实际的开发，因为实际开发中通常都是需要第三方的 JAR 包。

想把依赖包一并打入最后的 JAR 中，maven 提供了两个插件来实现，分别是 maven-assembly-plugin 和 maven-shade-plugin。鉴于本篇文章篇幅已经比较长，且关于 Storm 打包还有很多需要说明的地方，所以关于 Storm 的打包方式单独整理至下一篇文章：

Storm 三种打包方式对比分析

大数据之Storm编程模型详解