14、分布式系统中的 Elixir 与 OTP 应用

分布式系统中的 Elixir 与 OTP 应用

1. CAP 理论与分布式系统

在分布式系统中，存在一些看似绕过 CAP 理论的系统设计。例如，有的系统使用主节点进行写入操作，每个主节点配备副本或副本组；还有的系统重新定义 CP 系统的可用性，允许非法定成员响应读操作但不响应写操作，不过这样可能会导致数据陈旧，但这是权衡后的可接受代价。

然而，实际上这些变化并没有真正绕过 CAP 理论。在异步网络中，如果 C 代表线性一致性，A 代表请求的成功响应，CAP 理论仍然是一个基本的结果，无法避免。即使改变定义，创建真正健壮的分布式系统也存在一些固有限制。

2. 网络拓扑结构

在深入了解分布式计算之前，有必要了解一下网络拓扑结构。OTP 对 TCP/IP 堆栈或 OSI 网络模型的要求并不高，它将网络的大部分复杂性进行了抽象，使得远程调用与本地调用相同。

目前存在多种标准的拓扑模型，包括：
- 线性拓扑 ：每个节点以线性方式与其相邻节点互连。
- 总线拓扑 ：类似于线性拓扑，但消息可以直接传输到接收节点，不过总线或电缆可能会受到额外干扰，需要频繁进行消息协商和重传。部分总线拓扑的变体可视为网络集线器。
- 星型拓扑 ：与线性拓扑类似，但所有节点都连接到一个中心节点，这使得每个节点之间只需一跳，但中心节点会承受大量流量。
- 树型拓扑 ：类似于带有嵌入式线性拓扑的星型拓扑，具有递归性质，但创建这种拓扑的混合方法可能会比较复杂。
- 环形拓扑 ：在线性拓扑的基础上添加一个额外的链接或边即可形成。
- 网状拓扑 ：受限于节点之间的对角距离。
- 网状环形拓扑 ：在网状拓扑的基础上为外部节点添加环，进行了一定改进。
- 交叉开关拓扑 ：OTP 使用这种拓扑来连接节点，每个节点都有直接地址和路径，可以一跳将消息发送到任何其他节点。但不建议通过互联网使用 OTP 连接或连接大量节点，因为节点之间的通信成本会很高，并且底层网络可能会因 OTP 心跳流量而饱和。

下面是这些拓扑结构的简单对比表格：
| 拓扑结构 | 特点 | 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 线性拓扑 | 节点线性互连 | 简单易理解 | 单点故障影响大 |
| 总线拓扑 | 消息可直传 | 成本低 | 易受干扰 |
| 星型拓扑 | 节点连中心节点 | 管理方便 | 中心节点压力大 |
| 树型拓扑 | 递归结构 | 层次分明 | 构建复杂 |
| 环形拓扑 | 线性加边成环 | 数据传输有序 | 故障排查难 |
| 网状拓扑 | 节点相互连接 | 可靠性高 | 成本高 |
| 网状环形拓扑 | 网状加环 | 改进网状拓扑 | 仍较复杂 |
| 交叉开关拓扑 | 节点直接连接 | 通信快 | 成本高 |

3. Elixir 与 OTP 的分布式计算

Elixir 和 OTP 虽然不能解决前面提到的所有问题，但它们的设计能让我们在处理应用程序和系统中的故障时处于有利地位。

3.1 OTP 节点

在计算领域，“节点”有多种含义。在 OTP 中，节点指的是 Erlang VM。一台计算机上可以根据资源允许创建多个 OTP 节点，这些节点可以分布在同一网络的多台机器上，甚至可以地理分布，但不建议这样做。OTP 节点的分布方式通常由应用程序决定。

3.2 节点名称

使用数字来寻址服务器对计算机来说很方便，但对人类来说不太友好。OTP 和节点寻址遵循类似 DNS 的原则，节点有长名称和短名称。长名称通常是节点标识符和主机的完全限定域名（FQDN），短名称则使用主机名代替 FQDN。

以下是设置节点名称的示例：

# 启动时不指定名称
iex(1)> Node.self
:nonode@nohost

# 使用长名称启动
$ iex --name my_node@my_host
iex(my_node@my_host)1> Node.self
:my_node@my_host

# 使用短名称启动
$ iex --sname my_node
iex(my_node@Eligos)1> Node.self
:my_node@Eligos

# 短名称指定主机
$ iex --sname my_node@my_host
iex(my_node@my_host)1> Node.self
:my_node@my_host

3.3 连接节点

为节点提供名称后，还需要将它们连接起来。可以使用 Node.list/0 函数查看已连接的节点列表。连接两个 OTP 节点很简单，不需要特殊账户或设置。具体步骤如下：
1. 打开两个终端或 shell。
2. 在一个 shell 中启动名为 node_one 的 IEx：

$ iex --sname node_one

3. 在另一个 shell 中启动名为 node_two 的 IEx：

$ iex --sname node_two

4. 使用 Node.connect/1 函数连接两个节点：

iex(node_one@Eligos)1> Node.connect :node_two@Eligos
true

5. 使用 Node.list/0 函数验证连接：

iex(node_one@Eligos)2> Node.list
[:node_two@Eligos]
iex(node_two@Eligos)1> Node.list
[:node_one@Eligos]

下面是连接节点的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[打开两个终端] --> B[启动 node_one]
    A --> C[启动 node_two]
    B --> D[使用 Node.connect 连接]
    C --> D
    D --> E[使用 Node.list 验证]

4. 节点安全与 Cookie

OTP 中连接或不连接两个节点的基本保护机制是通过 Erlang cookie 实现的。这个 cookie 文件（ .erlang_cookie ）通常存储在当前用户的主目录中，本质上是一组小字符，类似于密码和身份验证。

可以通过以下方式操作 cookie：
- 使用 IEx 的 --cookie 命令行参数在启动时设置 cookie。
- 使用 Node 模块中的函数检查和设置 cookie。

示例代码如下：

iex(node_one@Eligos)1> Node.get_cookie
:FNMKUGIDQMSIXFKHTTKC
iex(node_one@Eligos)2> Node.set_cookie :anewcookie
true
iex(node_one@Eligos)3> Node.get_cookie
:anewcookie

如果两个节点的 cookie 不同，连接将失败。例如：

iex(node_two@Eligos)1> Node.connect :node_one@Eligos
false

此时， node_one 终端会出现错误日志：

[error] ** Connection attempt from disallowed node :node_two@Eligos **

要解决这个问题，需要将 node_two 的 cookie 设置为与 node_one 相同。

需要注意的是，这种机制在安全性方面并不理想，目前也没有改进计划。并且在公共或不可信网络中使用时要小心，因为 cookie 协商是以明文形式发送的。

5. 节点间的 Ping Pong 示例

在两个节点连接后，可以进行一个扩展的 Ping Pong 示例。使用 Node.spawn_link 函数在远程节点上启动一个进程：

iex(node_one@Eligos)3> pid = Node.spawn_link :node_two@Eligos, fn ->
...(node_one@Eligos)3> receive do
...(node_one@Eligos)3> {:ping, client} -> send client, :pong
...(node_one@Eligos)3> end
...(node_one@Eligos)3> end
#PID<8015.71.0>

然后向该进程发送消息并刷新：

iex(node_one@Eligos)4> send pid, {:ping, self}
{:ping, #PID<0.66.0>}
iex(node_one@Eligos)5> flush
:pong
:ok

6. 组领导者

在编写跨节点的 Elixir 应用程序时，控制台输出和日志消息的显示位置是一个问题。OTP 的 I/O 系统使用组领导者的概念来确定某些输出的方向。组领导者是处理一组 Erlang 进程 I/O 任务的进程，除非更改，否则组领导者由父进程继承。

例如，在两个节点的终端中使用 IO.puts/1 时，输出会定向到当前终端：

iex(node_one@Eligos)1> IO.puts "hello world"
hello world
:ok
iex(node_two@Eligos)1> IO.puts "hello world"
hello world
:ok

但如果从 node_one 在 node_two 上生成一个进程， IO.puts 调用的输出将定向到 node_one 的标准输出流：

iex(node_one@Eligos)2> Node.spawn :node_two@Eligos, fn ->
...(node_one@Eligos)2> IO.puts "hello world" end
hello world
#PID<8015.75.0>

还可以使用进程的组领导者作为 I/O 进程，从其他节点进行写入。具体步骤如下：
1. 在 node_two 上注册组领导者进程名称：

iex(node_two@Eligos)1> :global.register_name(:two, :erlang.group_leader)
:yes

2. 在 node_one 上获取 node_two 的组领导者进程 ID，并开始写入消息：

iex(node_one@Eligos)2> two = :global.whereis_name :two
#PID<8896.33.0>
iex(node_one@Eligos)3> IO.puts(two, "Hello")
:ok
iex(node_one@Eligos)4> IO.puts(two, "World")

此时， node_one 的输出只是 IO.puts/2 的结果，而 node_two 的输出会显示 IO.puts/2 的文本。

7. 全局注册名称

在之前的章节中，我们通过原子来注册进程，使其可寻址，但这对于跨节点通信来说是不够的，因为注册的进程仅限于当前节点，不会在外部共享。不过，有一种机制可以注册所有互连节点都可以访问的进程。

例如，在 node_one 上启动一个简单的 Ping Pong 接收循环，并使用 :global 模块进行全局注册：

iex(node_one@Eligos)1> Node.connect :node_two@Eligos
iex(node_one@Eligos)2> pid = spawn_link fn() ->
...(node_one@Eligos)2> receive do
...(node_one@Eligos)2> {:ping, sender} -> send sender, :pong
...(node_one@Eligos)2> end
...(node_one@Eligos)2> end
iex(node_one@Eligos)3> :global.register_name(PingPong, pid)
:yes

在 node_two 上可以通过全局名称发送消息并接收结果：

iex(node_two@Eligos)1> :global.whereis_name PingPong
#PID<8044.110.0>
iex(node_two@Eligos)2> :global.whereis_name(PingPong) |>
...(node_two@Eligos)2> send {:ping, self}
{:ping, #PID<0.66.0>}
iex(node_two@Eligos)3> flush
:pong
:ok

另一个全局注册进程的例子是创建一个可以从集群中任何节点使用的过滤服务 GenServer 进程。定义 FilterService 模块如下：

defmodule FilterService do
  use GenServer
  def start_link(opts \\ []) do
    GenServer.start_link(__MODULE__, nil, [name: {:global, __MODULE__}] ++ opts)
  end
  def init(_) do
    {:ok, %{}}
  end
  def filter(collection, predicate) do
    pid = :global.whereis_name __MODULE__
    GenServer.cast(pid, {:filter, collection, predicate, self})
  end
  def handle_cast({:filter, collection, predicate, sender}, state) do
    send sender, {:filter_results, collection |> Enum.filter(predicate)}
    {:noreply, state}
  end
end

使用时，需要在两个节点上加载该模块，然后选择一个节点启动服务：

iex(node_one@Eligos)1> Node.connect :node_two@Eligos
:true
iex(node_one@Eligos)2> import_file "filterservice.ex"
iex(node_two@Eligos)1> import_file "filterservice.ex"
iex(node_one@Eligos)3> {:ok, pid} = FilterService.start_link
{:ok, #PID<0.96.0>}

最后可以从两个节点测试服务：

iex(node_one@Eligos)4> FilterService.filter([1, 2, 3, 4, 5, 6], fn(x) -> rem(x, 2) == 0 end)
:ok
iex(node_one@Eligos)5> flush
{:filter_results, [2, 4, 6]}
:ok
iex(node_two@Eligos)2> FilterService.filter([7, 8, 9, 10, 11, 12], fn(x) -> rem(x, 2) == 0 end)
:ok
iex(node_two@Eligos)3> flush
{:filter_results, [8, 10, 12]}
:ok

虽然全局进程不如本地注册进程方便，但比通过其他方式共享的 PID 引用更容易使用。

分布式系统中的 Elixir 与 OTP 应用

8. 深入理解全局注册的优势与挑战

全局注册进程为分布式系统带来了显著的便利性，但也伴随着一些挑战。

8.1 优势

• 跨节点访问 ：如前面的 Ping Pong 示例和过滤服务示例所示，任何节点都可以通过全局名称访问注册的进程，无需显式传递 PID 引用，简化了跨节点通信的复杂性。
• 统一管理 ：全局注册提供了一种统一的方式来管理分布式系统中的进程，使得系统的维护和扩展更加方便。

8.2 挑战

• 名称冲突 ：由于所有节点共享全局名称空间，因此需要确保注册的名称唯一，否则可能会导致冲突。
• 性能开销 ：全局名称的查找和注册操作可能会带来一定的性能开销，尤其是在大规模分布式系统中。

为了更好地应对这些挑战，可以采取以下策略：
- 命名规范 ：制定严格的命名规范，确保全局名称的唯一性。
- 缓存机制 ：在节点本地缓存全局名称与 PID 的映射关系，减少频繁查找的开销。

9. 分布式系统中的错误处理与容错

在分布式系统中，错误处理和容错是至关重要的。Elixir 和 OTP 提供了一些机制来帮助我们处理这些问题。

9.1 进程监控

OTP 中的进程监控机制可以帮助我们检测和处理进程的异常终止。例如，在前面的 Ping Pong 示例中，如果 node_two 上的进程异常终止， node_one 可以通过监控机制得知并采取相应的措施。

# 在 node_one 上监控 node_two 上的进程
iex(node_one@Eligos)6> ref = Process.monitor(pid)
#Reference<0.2.0.123>

# 当进程异常终止时，会收到 {:DOWN, ref, :process, pid, reason} 消息

9.2 重试机制

在分布式系统中，由于网络延迟、节点故障等原因，消息传递可能会失败。可以实现重试机制来提高系统的可靠性。

defmodule RetryService do
  def send_with_retry(pid, message, max_retries \\ 3) do
    retry(pid, message, max_retries)
  end

  defp retry(pid, message, 0) do
    {:error, :max_retries_reached}
  end

  defp retry(pid, message, retries) do
    case send_and_check(pid, message) do
      :ok ->
        :ok
      :error ->
        retry(pid, message, retries - 1)
    end
  end

  defp send_and_check(pid, message) do
    try do
      send(pid, message)
      :ok
    rescue
      _ ->
        :error
    end
  end
end

使用示例：

iex(node_one@Eligos)7> RetryService.send_with_retry(pid, {:ping, self})
:ok

9.3 集群容错

在集群环境中，可以使用 OTP 的集群容错机制，如 libcluster 库，来自动处理节点的加入和离开，确保系统的高可用性。

以下是使用 libcluster 的简单示例：

defmodule MyApp.Application do
  use Application

  def start(_type, _args) do
    children = [
      {Cluster.Supervisor, [topologies(), [name: MyApp.ClusterSupervisor]]},
      # 其他子进程
    ]

    opts = [strategy: :one_for_one, name: MyApp.Supervisor]
    Supervisor.start_link(children, opts)
  end

  defp topologies do
    [
      example: [
        strategy: Cluster.Strategy.Epmd,
        config: [hosts: [:"node_one@Eligos", :"node_two@Eligos"]]
      ]
    ]
  end
end

10. 分布式系统的性能优化

为了提高分布式系统的性能，可以从以下几个方面进行优化。

10.1 网络优化

• 选择合适的拓扑结构 ：根据系统的需求和规模，选择合适的网络拓扑结构，如前面介绍的各种拓扑结构，避免使用通信成本过高的拓扑。
• 减少网络延迟 ：优化网络配置，减少节点之间的延迟，例如使用高速网络、优化路由等。

10.2 进程优化

• 减少进程创建和销毁 ：频繁的进程创建和销毁会带来性能开销，尽量复用进程。
• 优化消息传递 ：减少不必要的消息传递，避免消息的重复发送和处理。

10.3 缓存优化

在分布式系统中使用缓存可以减少对后端服务的访问，提高系统的响应速度。例如，可以使用 Cachex 库来实现分布式缓存。

defmodule MyCache do
  use Cachex.Agent

  def start_link(_opts) do
    Cachex.start_link(__MODULE__, [])
  end

  def get(key) do
    Cachex.get(__MODULE__, key)
  end

  def put(key, value) do
    Cachex.put(__MODULE__, key, value)
  end
end

使用示例：

iex(node_one@Eligos)8> MyCache.start_link()
{:ok, #PID<0.123.0>}
iex(node_one@Eligos)9> MyCache.put(:key, :value)
{:ok, true}
iex(node_one@Eligos)10> MyCache.get(:key)
{:ok, :value}

11. 分布式系统的监控与调试

监控和调试是分布式系统开发和维护过程中的重要环节。

11.1 日志记录

使用 Elixir 的日志记录功能，记录系统的运行状态和关键事件。可以使用 Logger 模块来实现。

# 在代码中记录日志
iex(node_one@Eligos)11> Logger.info("Starting Ping Pong service")
:ok

11.2 性能监控

使用工具如 observer 来监控分布式系统的性能指标，如 CPU 使用率、内存使用情况、进程状态等。

# 启动 observer
iex(node_one@Eligos)12> :observer.start()
:ok

11.3 调试工具

使用 Elixir 的调试工具，如 IEx.pry 来进行代码调试。

defmodule DebugExample do
  def debug_function do
    IEx.pry
    # 其他代码
  end
end

# 在调用 debug_function 时，会进入调试模式
iex(node_one@Eligos)13> DebugExample.debug_function()
Breakpoint reached: /path/to/debug_example.ex:3
pry(1)>

12. 总结

通过本文的介绍，我们了解了分布式系统中 Elixir 和 OTP 的应用，包括网络拓扑结构、节点连接、全局注册、错误处理、性能优化以及监控调试等方面。Elixir 和 OTP 提供了丰富的工具和机制，帮助我们构建健壮、高效的分布式系统。在实际应用中，需要根据具体的需求和场景，合理选择和使用这些工具和机制，以实现最佳的系统性能和可靠性。

以下是一个简单的总结表格：
| 方面 | 要点 |
| ---- | ---- |
| 全局注册 | 跨节点访问、统一管理，需注意名称冲突和性能开销 |
| 错误处理 | 进程监控、重试机制、集群容错 |
| 性能优化 | 网络优化、进程优化、缓存优化 |
| 监控调试 | 日志记录、性能监控、调试工具 |

下面是一个简单的分布式系统开发流程的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[设计网络拓扑] --> B[配置节点名称与连接]
    B --> C[全局注册进程]
    C --> D[实现业务逻辑]
    D --> E[错误处理与容错]
    E --> F[性能优化]
    F --> G[监控与调试]
    G --> H[持续改进]

通过遵循这个流程，我们可以逐步构建和完善分布式系统，确保系统的稳定性和可靠性。