分布式任务调度系统设计：详解Go实现任务编排与工作流
以下文章来源于技术岁月 ，作者贺鹏Kavin
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贺鹏 目前就职某互联网金融公司负责架构及开发管理工作，在分布式领域和风控领域深入研究。
任务调度依赖 & 工作流 图相关知识
golang 并发相关
什么是任务依赖？比如 “任务 a” 执行的前提是 “任务 b” 先执行完成，“任务b” 又依赖于 “任务 c” 先执行，那么就形成如下依赖关系。
这个还比较简单，如果复杂点的如下图所示，形成一个工作流，Azkaban 大数据调度器就实现了工作流模式调度依赖，这是一个典型的图应用案例。
III.图数据结构
提到图数据结构，大部分人既熟悉又陌生，因为大学基本都学过，但一般工作场景都不会用到，这里就先简单回顾一下图相关的知识。
图 graph ，图中的元素称为顶点 vertex。图中任一顶点可以与其他顶点建立连线关系，叫做边 edge。
上面图叫 “无向图”，如果边有 “方向” ，那么就是 “有向图” 了。
无向图中，顶点有几条边就叫几度；有向图中，顶点有入度，表示有多少边指向此顶点，顶点的出度表示该顶点有多少边指向 “远方” 。
上图中 a 指向 b，b 指向 d，d 又指向 a， a、b、d 之间形成一个环，如果将顶点比作调度的任务，那么任务 a 完成必须依赖任务 b，任务 b 又依赖任务 d，任务 d 又依赖任务 a，那么最终肯定无法完成，因此调度问题使用的是有向无环图 （DAG），比如我们最早那张图。
了解了图的基本概念，那么图结构如何用代码表示出来？这里涉及到图的两种存储方式：邻接矩阵、邻接表。
邻接矩阵底层为二维数据，如果有一条边顶点为 x 和 y，对无向图来说，对应的数据 Array[x][y] 和 Array[y][x] 标记为 1；对有向图 x->y ，只将 Array[x][y] 标记为 1 即可，下图为使用邻接矩阵表示的无向图和有向图。
对于无向图来说，邻接矩阵沿着红色对角线两边是对称的，如果图的顶点连线比较少，这种叫稀疏图，将存储大量的 0 ，浪费存储空间，这时候可以选择使用邻接表表示，相对稀疏图的叫稠密图，使用邻接矩阵可以更好地查询连通性，其原理也是用空间换时间。下图为使用邻接表表示的无向图和有向图。
最后说下图的遍历，和遍历树一样分为广度优先 BFS 和 深度优先 DFS，但图如果存在成环的情况，访问的节点要做记录，同时可用辅助队列存放待访问的邻接节点。
拓扑排序，对有向无环图的顶点进行遍历，将所有顶点形成一个线性序列，可以用数组（切片）或链表存储，如下图。
IV.golang 代码实现
回顾了图的相关知识，那么回到最开始的任务依赖工作流中，将每个任务看成图的顶点，任务 a 依赖 任务 b，使用一条有向线从 a 指向 b，最后将所有任务顶点连线形成一个图，这个图是一个有向无环图 DAG，对 DAG 进行拓扑排序，形成一个任务执行链表，反向执行即可解决依赖问题。
首先定义一个图结构体，这里使用邻接矩阵方式存储，图的顶点结构体存储 Key 和 Value 代表任务的相关执行信息。
//图结构type DAG struct {Vertexs []*Vertex}//顶点type Vertex struct {Key stringValue interface{}Parents []*VertexChildren []*Vertex}
为图添加顶点和添加边，这里是有向图，from 代表边的起始顶点， to 代表边的终止顶点。
//添加顶点func (dag *DAG) AddVertex(v *Vertex) {dag.Vertexs = append(dag.Vertexs, v)}//添加边func (dag *DAG) AddEdge(from, to *Vertex) {from.Children = append(from.Children, to)to.Parents = append(to.Parents, from)}
建立 a - i 所有顶点，再对每个顶点连线。
var dag = &DAG{}//添加顶点va := &Vertex{Key: "a", Value: "1"}vb := &Vertex{Key: "b", Value: "2"}vc := &Vertex{Key: "c", Value: "3"}vd := &Vertex{Key: "d", Value: "4"}ve := &Vertex{Key: "e", Value: "5"}vf := &Vertex{Key: "f", Value: "6"}vg := &Vertex{Key: "g", Value: "7"}vh := &Vertex{Key: "h", Value: "8"}vi := &Vertex{Key: "i", Value: "9"}//添加边dag.AddEdge(va, vb)dag.AddEdge(va, vc)dag.AddEdge(va, vd)dag.AddEdge(vb, ve)dag.AddEdge(vb, vh)dag.AddEdge(vb, vf)dag.AddEdge(vc, vf)dag.AddEdge(vc, vg)dag.AddEdge(vd, vg)dag.AddEdge(vh, vi)dag.AddEdge(ve, vi)dag.AddEdge(vf, vi)dag.AddEdge(vg, vi)
对该图进行广度优先遍历，通过引入队列来减少时间复杂度，遍历后生成一个包含所有顶点的 slice 。
选择起始节点入队列
节点出队列
2.1 队列空了，说明遍历完毕返回
2.2 已访问跳过，未访问顶点放入输出 slice 中2.3 将节点的所有未访问邻接节点 Children 放入队列 3. 重复执行 2
注意 slice 加入顺序，因为执行要从 i 到 a 的顺序，所以将每次遍历后的元素放到 slice 第一个位置。
func BFS(root *Vertex) []*Vertex {q := queue.New()q.Add(root)visited := make(map[string]*Vertex)all := make([]*Vertex, 0)for q.Length() > 0 {qSize := q.Length()for i := 0; i < qSize; i++ {//pop vertexcurrVert := q.Remove().(*Vertex)if _, ok := visited[currVert.Key]; ok {continue}visited[currVert.Key] = currVertall = append([]*Vertex{currVert}, all...)for _, val := range currVert.Children {if _, ok := visited[val.Key]; !ok {q.Add(val) //add child}}}}return all}
最后就是对所有任务进行执行，这里假定每个任务执行需要 5 秒，然后输出执行结果。
func doTasks(vertexs []*Vertex) {for _, v := range vertexs {time.Sleep(5 * time.Second)fmt.Printf("do %v, result is %v \n", v.Key, v.Value)}}
通过执行测试用例，可以看到执行按上述生成的 slice 顺序，从左向右逐个执行，满足任务依赖关系。
但这里有个问题就是执行时间过长，因为每一个都是串行执行，9 个任务要执行 45 秒。那么并行不就解决了？但任务有依赖关系又如何并行呢？
通过这个图即可一目了然明白了，分层执行，上层任务依赖下层，但每一层的任务相互独立可以并发执行。
首先在 BFS 遍历生成顶点的时候，需要生成双层切片：
[0] [] { i }
[1] [] { h, e, f, g }
[2] [] { b, c, d }
[3] [] { a }
func BFSNew(root *Vertex) [][]*Vertex {q := queue.New()q.Add(root)visited := make(map[string]*Vertex)all := make([][]*Vertex, 0)for q.Length() > 0 {qSize := q.Length()tmp := make([]*Vertex, 0)for i := 0; i < qSize; i++ {//pop vertexcurrVert := q.Remove().(*Vertex)if _, ok := visited[currVert.Key]; ok {continue}visited[currVert.Key] = currVerttmp = append(tmp, currVert)for _, val := range currVert.Children {if _, ok := visited[val.Key]; !ok {q.Add(val) //add child}}}all = append([][]*Vertex{tmp}, all...)}return all}
同时执行时候按每一层并发执行。这里通过 sync.WaitGroup 保障并发同步等待。
for _, layer := range all {fmt.Println("------------------")doTasksNew(layer)}//并发执行func doTasksNew(vertexs []*Vertex) {var wg sync.WaitGroupfor _, v := range vertexs {wg.Add(1)go func(v *Vertex) {defer wg.Done()time.Sleep(5 * time.Second)fmt.Printf("do %v, result is %v \n", v.Key, v.Value)}(v) //notice}wg.Wait()}
上述代码注意，遍历变量被并发调度必须进行绑定，如果按下面这样写将会有问题。
for _, v := range vertexs {
go func() {
//...
fmt.Printf(v)
}()
}
这是因为 for k, v := rang xx 语句中，每次循环变量 k 和 v 是重新赋值，并非生成新的变量，如果循环中启动协程并引用变量 k 和 v 很可能在循环结束时才开启协程执行，这时所有协程中的变量 k 和 v 都是同一个变量，输出内容也会完全相同。所以这里将 v 加入函数参数中，因为 go 函数都是值传递，会重新绑定到新的变量中。
通过本章内容，我们实现了任务调度的工作流模式，本文代码可访问 https://github.com/skyhackvip/dag 更多了解。
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