关于源码:TiKV-源码阅读三部曲二读流程

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TiKV 是一个反对事务的分布式 Key-Value 数据库，目前曾经是 CNCF 基金会 的顶级我的项目。

作为一个新同学，须要肯定的后期筹备才可能有能力参加 TiKV 社区的代码开发，包含但不限于学习 Rust 语言，了解 TiKV 的原理和在前两者的根底上理解相熟 TiKV 的源码。

TiKV 官网源码解析文档 具体地介绍了 TiKV 3.x 版本重要模块的设计要点，次要流程和相应代码片段，是学习 TiKV 源码必读的学习材料。以后 TiKV 曾经迭代到了 6.x 版本，不仅引入了很多新的性能和优化，而且对源码也进行了屡次重构，因此一些官网源码解析文档中的代码片段曾经不复存在，这使得读者在浏览源码解析文档时无奈对照最新源码加深了解；此外只管 TiKV 官网源码解析文档系统地介绍了若干重要模块的工作，但并没有将读写流程全链路串起来去介绍通过的模块和对应的代码片段，实际上尽快地相熟读写流程全链路会更利于新同学从全局角度了解代码。

基于以上存在的问题，笔者将基于 6.1 版本的源码撰写三篇博客，别离介绍以下三个方面：

  • TiKV 源码浏览三部曲（一）重要模块：TiKV 的基本概念，TiKV 读写门路上的三个重要模块（KVService，Storage，RaftStore）和断点调试 TiKV 学习源码的计划
  • TiKV 源码浏览三部曲（二）读流程：TiKV 中一条读申请的全链路流程
  • TiKV 源码浏览三部曲（三）写流程 ：TiKV 中一条写申请的全链路流程
    心愿此三篇博客可能帮忙对 TiKV 开发感兴趣的新同学尽快理解 TiKV 的 codebase。

本文为第二篇博客，将次要介绍 TiKV 中一条读申请的全链路流程。

读流程

TiKV 源码解析系列文章（十九）read index 和 local read 情景剖析 介绍了 TiKV 3.x 版本的 ReadIndex/LeaseRead 实现计划。

本大节将在 TiKV 6.1 版本的源码根底上，以一条读申请为例，介绍以后版本读申请的全链路执行流程。

前文曾经提到，能够从 kvproto 对应的 service Tikv 中理解以后 TiKV 反对的 RPC 接口。

通过简略整顿，罕用的读接口如下：

// Key/value store API for TiKV.
service Tikv {rpc KvGet(kvrpcpb.GetRequest) returns (kvrpcpb.GetResponse) {}
    rpc KvScan(kvrpcpb.ScanRequest) returns (kvrpcpb.ScanResponse) {}
    rpc KvBatchGet(kvrpcpb.BatchGetRequest) returns (kvrpcpb.BatchGetResponse) {}

    rpc RawGet(kvrpcpb.RawGetRequest) returns (kvrpcpb.RawGetResponse) {}
    rpc RawBatchGet(kvrpcpb.RawBatchGetRequest) returns (kvrpcpb.RawBatchGetResponse) {}
    rpc RawScan(kvrpcpb.RawScanRequest) returns (kvrpcpb.RawScanResponse) {}
    rpc RawBatchScan(kvrpcpb.RawBatchScanRequest) returns (kvrpcpb.RawBatchScanResponse) {}

    ...
}

以下将以最罕用的 KvGet 接口为例介绍读流程，其余的读接口所通过的模块大抵类似，之后也能够用断点调试的计划去自行浏览。

KVService

在 KVService 中，handle_request 宏将业务逻辑封装到了 future_get 函数中。在 future_get 函数中，次要应用了 storage.get(req.take_context(), Key::from_raw(req.get_key()), req.get_version().into()) 函数将申请路由到 Storage 模块去执行。

为了可观测性，以后 TiKV 在读写要害门路上加了很多全局和 request 级别的 metric，这肯定水平上影响了刚开始浏览代码的体验。其实刚开始相熟代码时只须要关注外围逻辑即可，metric 相干的代码能够先不必细究。

impl<T: RaftStoreRouter<E::Local> + 'static, E: Engine, L: LockManager, F: KvFormat> Tikv
    for Service<T, E, L, F>
{handle_request!(kv_get, future_get, GetRequest, GetResponse, has_time_detail);
}

fn future_get<E: Engine, L: LockManager, F: KvFormat>(
    storage: &Storage<E, L, F>,
    mut req: GetRequest,
) -> impl Future<Output = ServerResult<GetResponse>> {

    ...

    let v = storage.get(req.take_context(),
        Key::from_raw(req.get_key()),
        req.get_version().into(),
    );

    async move {
        let v = v.await;
        
        ...
        
        Ok(resp)
    }
}

Storage

在 Storage 模块的 get 函数中，所有的 task 都会被 spawn 到 readPool 中执行，具体执行的工作次要蕴含以下两个工作：

  • 应用 Self::with_tls_engine(|engine| Self::snapshot(engine, snap_ctx)).await? 获取 snapshot
  • 应用 snap_store.get(&key, &mut statistics) 基于获取到的 snapshot 获取合乎对应事务语义的数据

第二个工作比较简单，本大节不再赘述，以下次要介绍第一个工作的具体代码流程。

/// Get value of the given key from a snapshot.
///
/// Only writes that are committed before `start_ts` are visible.
pub fn get(
    &self,
    mut ctx: Context,
    key: Key,
    start_ts: TimeStamp,
) -> impl Future<Output = Result<(Option<Value>, KvGetStatistics)>> {

    ...

    let res = self.read_pool.spawn_handle(
        async move {

            ...

            let snap_ctx = prepare_snap_ctx(
                &ctx,
                iter::once(&key),
                start_ts,
                &bypass_locks,
                &concurrency_manager,
                CMD,
            )?;
            let snapshot =
                Self::with_tls_engine(|engine| Self::snapshot(engine, snap_ctx)).await?;

            {let begin_instant = Instant::now();
                let stage_snap_recv_ts = begin_instant;
                let buckets = snapshot.ext().get_buckets();
                let mut statistics = Statistics::default();
                let result = Self::with_perf_context(CMD, || {let _guard = sample.observe_cpu();
                    let snap_store = SnapshotStore::new(
                        snapshot,
                        start_ts,
                        ctx.get_isolation_level(),
                        !ctx.get_not_fill_cache(),
                        bypass_locks,
                        access_locks,
                        false,
                    );
                    snap_store
                    .get(&key, &mut statistics)
                    // map storage::txn::Error -> storage::Error
                    .map_err(Error::from)
                    .map(|r| {KV_COMMAND_KEYREAD_HISTOGRAM_STATIC.get(CMD).observe(1_f64);
                        r
                    })
                });
                
                ...
        
                Ok((
                    result?,
                    KvGetStatistics {
                        stats: statistics,
                        latency_stats,
                    },
                ))
            }
        }
        .in_resource_metering_tag(resource_tag),
        priority,
        thread_rng().next_u64(),
    );
    async move {res.map_err(|_| Error::from(ErrorInner::SchedTooBusy))
            .await?
    }
}

对于 Self::snapshot(engine, snap_ctx) 函数，其会经由 storage::snapshot -> kv::snapshot -> raftkv::async_snapshot -> raftkv::exec_snapshot 的调用链来到 ServerRaftStoreRouter::read 函数中。

/// Get a snapshot of `engine`.
fn snapshot(
    engine: &E,
    ctx: SnapContext<'_>,
) -> impl std::future::Future<Output = Result<E::Snap>> {kv::snapshot(engine, ctx)
        .map_err(txn::Error::from)
        .map_err(Error::from)
}

/// Get a snapshot of `engine`.
pub fn snapshot<E: Engine>(
    engine: &E,
    ctx: SnapContext<'_>,
) -> impl std::future::Future<Output = Result<E::Snap>> {let begin = Instant::now();
    let (callback, future) =
        tikv_util::future::paired_must_called_future_callback(drop_snapshot_callback::<E>);
    let val = engine.async_snapshot(ctx, callback);
    // make engine not cross yield point
    async move {
        val?; // propagate error
        let result = future
            .map_err(|cancel| Error::from(ErrorInner::Other(box_err!(cancel))))
            .await?;
        with_tls_tracker(|tracker| {tracker.metrics.get_snapshot_nanos += begin.elapsed().as_nanos() as u64;});
        fail_point!("after-snapshot");
        result
    }
}

fn async_snapshot(&self, mut ctx: SnapContext<'_>, cb: Callback<Self::Snap>) -> kv::Result<()> {
    
    ...

    self.exec_snapshot(
        ctx,
        req,
        Box::new(move |res| match res {...}),
    )
    .map_err(|e| {let status_kind = get_status_kind_from_error(&e);
        ASYNC_REQUESTS_COUNTER_VEC.snapshot.get(status_kind).inc();
        e.into()})
}

fn exec_snapshot(
    &self,
    ctx: SnapContext<'_>,
    req: Request,
    cb: Callback<CmdRes<E::Snapshot>>,
) -> Result<()> {

    ...
    
    let mut cmd = RaftCmdRequest::default();
    cmd.set_header(header);
    cmd.set_requests(vec![req].into());
    self.router
        .read(
            ctx.read_id,
            cmd,
            StoreCallback::read(Box::new(move |resp| {cb(on_read_result(resp).map_err(Error::into));
            })),
        )
        .map_err(From::from)
}

impl<EK: KvEngine, ER: RaftEngine> LocalReadRouter<EK> for ServerRaftStoreRouter<EK, ER> {
    fn read(
        &self,
        read_id: Option<ThreadReadId>,
        req: RaftCmdRequest,
        cb: Callback<EK::Snapshot>,
    ) -> RaftStoreResult<()> {let mut local_reader = self.local_reader.borrow_mut();
        local_reader.read(read_id, req, cb);
        Ok(())
    }
}

在 ServerRaftStoreRouter::read 函数中，其会调用 local_reader 的 read 函数，并进而路由到 LocalReader::propose_raft_command 函数。在该函数中，会应用 LocalReader::pre_propose_raft_command 函数来判断是否可能 ReadLocal，如果能够则间接获取本地引擎的 snapshot 并执行 callback 返回即可，否则便调用 redirect 函数连带 callback 路由到 RaftBatchSystem 的对应 normal 状态机中去执行 ReadIndex 读，之后本线程不再解决该工作。

#[inline]
pub fn read(
    &mut self,
    read_id: Option<ThreadReadId>,
    req: RaftCmdRequest,
    cb: Callback<E::Snapshot>,
) {self.propose_raft_command(read_id, req, cb);
    maybe_tls_local_read_metrics_flush();}

pub fn propose_raft_command(
    &mut self,
    mut read_id: Option<ThreadReadId>,
    req: RaftCmdRequest,
    cb: Callback<E::Snapshot>,
) {match self.pre_propose_raft_command(&req) {Ok(Some((mut delegate, policy))) => {
            let delegate_ext: LocalReadContext<'_, E>;
            let mut response = match policy {
                // Leader can read local if and only if it is in lease.
                RequestPolicy::ReadLocal => {
                 
                    ...

                    let region = Arc::clone(&delegate.region);
                    let response =
                        delegate.execute(&req, &region, None, read_id, Some(delegate_ext));
                    // Try renew lease in advance
                    delegate.maybe_renew_lease_advance(&self.router, snapshot_ts);
                    response
                }
                // Replica can serve stale read if and only if its `safe_ts` >= `read_ts`
                RequestPolicy::StaleRead => {
               
                    ...

                    let region = Arc::clone(&delegate.region);
                    // Getting the snapshot
                    let response =
                        delegate.execute(&req, &region, None, read_id, Some(delegate_ext));

                    ...
                    
                }
                _ => unreachable!(),};
           
            ...
            
            cb.invoke_read(response);
        }
        // Forward to raftstore.
        Ok(None) => self.redirect(RaftCommand::new(req, cb)),
        Err(e) => {let mut response = cmd_resp::new_error(e);
            if let Some(delegate) = self.delegates.get(&req.get_header().get_region_id()) {cmd_resp::bind_term(&mut response, delegate.term);
            }
            cb.invoke_read(ReadResponse {
                response,
                snapshot: None,
                txn_extra_op: TxnExtraOp::Noop,
            });
        }
    }
}

须要留神的是，在此处是否 ReadLocal 的判断是能够并行的，也就是乐观状况下并行的读申请能够并行获取底层引擎的 snapshot，不须要通过 RaftBatchSystem。

那么到底什么时候能够间接读取 snapshot 而不须要通过 RaftStore 走一轮 ReadIndex 来解决呢？原理就是 Lease 机制，能够先简略浏览一下 TiKV Lease Read 的性能介绍。

接着让咱们回到 LocalReader::pre_propose_raft_command 函数，其会进行一系列的查看（此处已略去），如果皆通过则会进一步调用 inspector.inspect(req) 函数，在其外部，其会进行一系列的判断并返回是否能够 ReadLocal。

  • req.get_header().get_read_quorum()：如果该申请明确要求须要用 read index 形式解决，所以返回 ReadIndex。
  • self.has_applied_to_current_term()：如果该 leader 尚未 apply 到它本人的 term，则应用 ReadIndex 解决，这是 Raft 无关线性一致性读的一个 corner case。
  • self.inspect_lease()：如果该 leader 的 lease 曾经过期或者不确定，阐明可能呈现了一些问题，比方网络不稳固，心跳没胜利等，此时应用 ReadIndex 解决，否则便能够应用 ReadLocal 解决。
pub fn pre_propose_raft_command(
    &mut self,
    req: &RaftCmdRequest,
) -> Result<Option<(D, RequestPolicy)>> {
    
    ...

    match inspector.inspect(req) {Ok(RequestPolicy::ReadLocal) => Ok(Some((delegate, RequestPolicy::ReadLocal))),
        Ok(RequestPolicy::StaleRead) => Ok(Some((delegate, RequestPolicy::StaleRead))),
        // It can not handle other policies.
        Ok(_) => Ok(None),
        Err(e) => Err(e),
    }
}

fn inspect(&mut self, req: &RaftCmdRequest) -> Result<RequestPolicy> {

    ...

    fail_point!("perform_read_index", |_| Ok(RequestPolicy::ReadIndex));

    let flags = WriteBatchFlags::from_bits_check(req.get_header().get_flags());
    if flags.contains(WriteBatchFlags::STALE_READ) {return Ok(RequestPolicy::StaleRead);
    }

    if req.get_header().get_read_quorum() {return Ok(RequestPolicy::ReadIndex);
    }

    // If applied index's term is differ from current raft's term, leader transfer
    // must happened, if read locally, we may read old value.
    if !self.has_applied_to_current_term() {return Ok(RequestPolicy::ReadIndex);
    }

    // Local read should be performed, if and only if leader is in lease.
    // None for now.
    match self.inspect_lease() {LeaseState::Valid => Ok(RequestPolicy::ReadLocal),
        LeaseState::Expired | LeaseState::Suspect => {
            // Perform a consistent read to Raft quorum and try to renew the leader lease.
            Ok(RequestPolicy::ReadIndex)
        }
    }
}

乐观状况下的 ReadLocal 流程咱们曾经理解，接下来让咱们看看 ReadIndex 在 RaftStore 中的执行门路。

RaftStore

前文曾经介绍过 RaftBatchSystem 的大体框架，咱们已知会有多个 PollHandler 线程调用 poll 函数进入长期循环来事件驱动并动静平衡地治理所有 normal 状态机。

当 ReadIndex 申请被路由到 RaftBatchSystem 中的对应 normal 状态机后，某个 PollHandler 会在接下来的一次 loop 中解决该状态机的音讯。

间接定位到 RaftPoller 的 handle_normal 函数。能够看到，其会首先尝试获取 messages_per_tick 次路由到该状态机的音讯，接着调用 PeerFsmDelegate::handle_msgs 函数进行解决，

这里只列出了咱们须要关注的几种音讯类型：

  • RaftMessage: 其余 Peer 发送过去 Raft 音讯，包含心跳、日志、投票音讯等。
  • RaftCommand: 下层提出的 proposal，其中蕴含了须要通过 Raft 同步的操作，以及操作胜利之后须要调用的 callback 函数。ReadIndex 申请便是一种非凡的 proposal。
  • ApplyRes: ApplyFsm 在将日志利用到状态机之后发送给 PeerFsm 的音讯，用于在进行操作之后更新某些内存状态。
impl<EK: KvEngine, ER: RaftEngine, T: Transport> PollHandler<PeerFsm<EK, ER>, StoreFsm<EK>>
    for RaftPoller<EK, ER, T>
{
    fn handle_normal(
        &mut self,
        peer: &mut impl DerefMut<Target = PeerFsm<EK, ER>>,
    ) -> HandleResult {
        let mut handle_result = HandleResult::KeepProcessing;

        ...

        while self.peer_msg_buf.len() < self.messages_per_tick {match peer.receiver.try_recv() {
                // TODO: we may need a way to optimize the message copy.
                Ok(msg) => {
                    ...
                    self.peer_msg_buf.push(msg);
                }
                Err(TryRecvError::Empty) => {handle_result = HandleResult::stop_at(0, false);
                    break;
                }
                Err(TryRecvError::Disconnected) => {peer.stop();
                    handle_result = HandleResult::stop_at(0, false);
                    break;
                }
            }
        }

        let mut delegate = PeerFsmDelegate::new(peer, &mut self.poll_ctx);
        delegate.handle_msgs(&mut self.peer_msg_buf);
        // No readiness is generated and using sync write, skipping calling ready and
        // release early.
        if !delegate.collect_ready() && self.poll_ctx.sync_write_worker.is_some() {if let HandleResult::StopAt { skip_end, ..} = &mut handle_result {*skip_end = true;}
        }

        handle_result
    }
}

impl<'a, EK, ER, T: Transport> PeerFsmDelegate<'a, EK, ER, T>
where
    EK: KvEngine,
    ER: RaftEngine,
{pub fn handle_msgs(&mut self, msgs: &mut Vec<PeerMsg<EK>>) {for m in msgs.drain(..) {
            match m {PeerMsg::RaftMessage(msg) => {if let Err(e) = self.on_raft_message(msg) {
                        error!(%e;
                            "handle raft message err";
                            "region_id" => self.fsm.region_id(),
                            "peer_id" => self.fsm.peer_id(),);
                    }
                }
                PeerMsg::RaftCommand(cmd) => {
                        ...
                        self.propose_raft_command(
                            cmd.request,
                            cmd.callback,
                            cmd.extra_opts.disk_full_opt,
                        );
                    }
                }
                PeerMsg::ApplyRes {res} => {self.on_apply_res(res);
                }
                ...
            }
        }
}

对于 ReadIndex 申请，其会进入 PeerMsg::RaftCommand(cmd) 分支，进而以 PeerFsmDelegate::propose_raft_command -> PeerFsmDelegate::propose_raft_command_internal 的调用链走到 store::propose 函数中，在该函数中，会再进行一次 self.inspect()，如果此时 Leader 的 lease 曾经稳固，则会调用 read_local 函数间接获取引擎的 snapshot 并执行 callback 返回，否则调用 read_index 函数执行 ReadIndex 流程。

在 read_index 函数中，ReadIndex 申请连带 callback 会被构建成一个 ReadIndexRequest 被 push 到 pending_reads 即一个 ReadIndexQueue 中，之后以后线程即可完结本轮流程，之后的事件会进而触发该 ReadIndexRequest 的执行。

pub fn propose<T: Transport>(
    &mut self,
    ctx: &mut PollContext<EK, ER, T>,
    mut cb: Callback<EK::Snapshot>,
    req: RaftCmdRequest,
    mut err_resp: RaftCmdResponse,
    mut disk_full_opt: DiskFullOpt,
) -> bool {

    ...

    let policy = self.inspect(&req);
    let res = match policy {Ok(RequestPolicy::ReadLocal) | Ok(RequestPolicy::StaleRead) => {self.read_local(ctx, req, cb);
            return false;
        }
        Ok(RequestPolicy::ReadIndex) => return self.read_index(ctx, req, err_resp, cb),
        Ok(RequestPolicy::ProposeTransferLeader) => {return self.propose_transfer_leader(ctx, req, cb);
        }
        Ok(RequestPolicy::ProposeNormal) => {
            // For admin cmds, only region split/merge comes here.
            if req.has_admin_request() {disk_full_opt = DiskFullOpt::AllowedOnAlmostFull;}
            self.check_normal_proposal_with_disk_full_opt(ctx, disk_full_opt)
                .and_then(|_| self.propose_normal(ctx, req))
        }
        Ok(RequestPolicy::ProposeConfChange) => self.propose_conf_change(ctx, &req),
        Err(e) => Err(e),
    };
    fail_point!("after_propose");

    ...
}

fn read_index<T: Transport>(
    &mut self,
    poll_ctx: &mut PollContext<EK, ER, T>,
    mut req: RaftCmdRequest,
    mut err_resp: RaftCmdResponse,
    cb: Callback<EK::Snapshot>,
) -> bool {

    ...

    let mut read = ReadIndexRequest::with_command(id, req, cb, now);
    read.addition_request = request.map(Box::new);
    self.push_pending_read(read, self.is_leader());
    self.should_wake_up = true;

    ...

    true
}

那么什么条件满足后该 ReadIndexRequest 会被 pop 出队列并执行呢？

后面曾经提到 ApplyBatchSystem 在利用一批日志之后首先会调用对应的 callback 尽快回复客户端，之后会发送一条 ApplyRes 的音讯到 RaftBatchSystem，该音讯和以上的 ReadIndex 申请一样被 PollHandler 在一次 loop 中被解决，并最终进入 PeerFsmDelegate::handle_msgs 函数的 PeerMsg::ApplyRes {res} 分支，接着其会调用 PeerFsmDelegate::on_apply_res 函数并进入 store::peer::post_apply 函数，在该函数中，ApplyRes 中携带的信息会被用来更新一些内存状态例如 raft_group 和 cmd_epoch_checker，当然，这些信息也会通过 store::peer::post_pending_read_index_on_replica 和 self.pending_reads.pop_front() 来开释某些满足条件的 ReadIndexRequest，对于每个 ReadIndexRequest，此时能够通过 store::peer::response_read 函数来获取底层引擎的 Snapshot 并执行 callback 返回。

fn on_apply_res(&mut self, res: ApplyTaskRes<EK::Snapshot>) {fail_point!("on_apply_res", |_| {});
    match res {ApplyTaskRes::Apply(mut res) => {
            
            ...

            self.fsm.has_ready |= self.fsm.peer.post_apply(
                self.ctx,
                res.apply_state,
                res.applied_term,
                &res.metrics,
            );
        
            ...
        }
        ApplyTaskRes::Destroy {
            region_id,
            peer_id,
            merge_from_snapshot,
        } => {...}
    }
}

pub fn post_apply<T>(
    &mut self,
    ctx: &mut PollContext<EK, ER, T>,
    apply_state: RaftApplyState,
    applied_term: u64,
    apply_metrics: &ApplyMetrics,
) -> bool {
    let mut has_ready = false;

    if self.is_handling_snapshot() {panic!("{} should not applying snapshot.", self.tag);
    }

    let applied_index = apply_state.get_applied_index();
    self.raft_group.advance_apply_to(applied_index);

    self.cmd_epoch_checker.advance_apply(
        applied_index,
        self.term(),
        self.raft_group.store().region(),
    );

    ...

    if !self.is_leader() {self.post_pending_read_index_on_replica(ctx)
    } else if self.ready_to_handle_read() {while let Some(mut read) = self.pending_reads.pop_front() {self.response_read(&mut read, ctx, false);
        }
    }
    self.pending_reads.gc();

    ...

    has_ready
}

综上，ReadIndexRequest 入队和出队的机会曾经被介绍，那么 ReadIndex 的整体流程也根本介绍残缺了。

通过本大节，心愿您可能理解 KVGet 读申请的残缺流程，并进而具备剖析其余读申请全链路的能力。

总结

本篇博客介绍了 TiKV 中一条读申请的全链路流程。

心愿本博客可能帮忙对 TiKV 开发感兴趣的新同学尽快理解 TiKV 的 codebase。

正文完
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2022-10-27
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