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# 气象数据中心实战项目 [TOC] ## 项目介绍 项目依托气象行业数据（数据总量大，且每天新增数据量大），模拟气象数据中心 该项目从数据源采集数据后存储到多个数据库中；业务系统通过数据库集群的总线访问数据 数据源：卫星接收站、雷达系统、国家基本站、区域气象站 业务系统：预警发布系统、预报制作系统、公共服务平台、数据共享平台 数据采集->数据处理->数据入库（数据库集群）->数据服务总线 主要功能子系统为： **1.数据采集子系统** 功能：把数据从数据源取出 三个模块：（1）ftp客户端，直接下载数据文件；（2）http客户端，采用http协议，从WEB服务接口数据；（3）直连数据库的数据源，从表中抽取数据 **2.数据处理和加工子系统** 功能：把各种格式的原始数据解码为xml格式的数据文件；对原始数据进行二次加工生成高可用的数据集。 **3.数据入库子系统** 功能：把数百种数据存储到数据中心的表中 **4.数据同步子系统** MySQL的高可用方案只能解决部分问题，且不够灵活，效率不高（只能满足数据库之间的复制不能满足表之间的复制）。本项目把核心数据库(Slave)表中的数据按条件和数据增量两种方式同步到业务数据库中。 项目数据库主要分为两种Master和Slave。 业务数据库主要由业务的需求决定（历史库（量大效率低）， 实时库（量小效率高）， 预报库， 台风库（量小效率高）， 接口库） **5.数据管理子系统** 功能：清理历史数据；把历史数据备份和归档 **6.数据交换子系统** 功能：把数据中心的数据从表中导出来生成数据文件。采用ftp协议，把数据文件推送到对方的ftp服务器。基于tcp协议的快速传输文件子系统 **7.数据服务总线子系统** 功能：用C++开发WEB服务，为业务提供数据访问接口，使用数据库连接池、线程池效率极高 **8.网络代理服务子系统** 功能：用于运维，利用I/O复用技术(select/poll/epoll) **项目重点和难点：**（1）服务程序的稳定性；（2）数据处理和服务的效率；（3）功能模块的通用性 ## 开发环境 CentOS7.x MySQL5.7 字符集utf-8 ## 项目框架  ## 服务程序常驻后台 保持服务程序稳定性，用守护进程监控服务程序的运行状态，如果服务程序故障，调度进程会重启服务程序 ### 服务程序的调度 利用linux信号和多进程 先执行fork函数，创建一个子进程，让子进程调用execl执行新的程序 新程序将替换子进程，不会影响父进程 在父进程中，可以调用wait函数等待新程序运行的结果，这样就可以实现调度的功能 ### 守护进程的实现 利用linux共享内存和linux信号量 // 查看共享内存： ipcs -m 删除共享内存： ipcrm -m shmid // 查看信号量： ipcs -s 删除信号量： ipcrm sem semid **信号量CSEM m_sem;** m_semid=semget(key,1,0666) 如果errno==2表示信号量不存在， 创建m_semid=**semget**(key,1,0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL) // 信号量创建成功后，还需要把它初始化成value。 union semun sem_union; sem_union.val = value; // 设置信号量的初始**semctl**(m_semid,0,SETVAL,sem_union) // **加锁** CSEM::P 调用： **semop**(m_semid,&sem_b,1) 其中：struct **sembuf** sem_b; sem_b.sem_num = 0; sem_b.sem_op = -1; sem_b.sem_flg = m_sem_flg; **共享内存** **创建/获取**共享内存，键值为SHMKEYP，大小为MAXNUMP个st_procinfo结构体的大小。 **shmget**：m_shmid = shmget((key_t)SHMKEYP, MAXNUMP*sizeof(struct st_procinfo), 0666|IPC_CREAT) 将共享内存**链接**到当前进程的地址空间。 **shmat**： m_shm=(struct st_procinfo *)shmat(m_shmid, 0, 0); 把共享内存从当前进程中**分离**。 **shmdt** ：shmdt(m_shm) ## 数据采集子系统&数据交换子系统 ### ftp客户端下载模块 模块功能：已知服务器的文件路径名和保存到本地的文件路径名，**把服务器上某个目录的文件全部下载到本地目录**（可以指定文件名匹配规则）。文件下载成功后，ptype==1，服务器啥都不做，ptype==2，服务器删除文件，ptype==3，服务器备份文件 模块位置：/project/tools1/c/ftpgetfiles.cpp 模块实现： 1. 基于Cftp类，头文件在/project/public/_ftp.h中 结构体st_fileinfo中包含文件名filename，文件时间mtime 容器vlistfile2存放服务器待下载文件信息；容器vlistfile1存放已经传输完成的文件信息； 容器vlistfile3存放本地以及下载的但服务器中还有的文件；容器vlistfile4存放服务器中新增文件 listfilename中存放服务器文件；okfilename中存放已经传输完成的文件；strremotefilenamebak备份目录 2. 输入参数写成xml格式方便应对众多输入参数。利用**GetXMLBuffer**函数读取输入参数 2. 创建心跳信息：**CPActive**类中的**AddPInfo**(starg.timeout, starg.pname)函数 3. 登录ftp服务器：**ftp.login**(starg.host, starg.username, starg.password, starg.mode) 4. 进入ftp服务器存放文件的目录**ftp.chdir**(starg.remotepath)，（调用FtpChdir） 5. 调用**ftp.nlist()**方法列出服务器目录中的文件，结果存放到本地文件listfilename中： ftp.nlist(".", starg.listfilename)，其中有MKDIR()和FtpNlst(listfilename,remotedir,m_ftpconn) 6. LoadListFile加载文件函数，将上述ftp.nlist()方法获取到的list文件加载到容器vlistfile2中（1）打开本地文件File.Open（listfilename）（2）读取本地文件中的一行到File.Fgets（3）MatchStr匹配满足条件的文件（4）当ptype为1，checktime为true时，调用ftp.mtime（底层调用FtpModDate函数）获取ftp服务器文件时间放入ftp.m_mtime中 7. 如果ptype==1（1）加载okfilename文件中的内容到容器vlistfile1中（2）比较vlistfile2和vlistfile1，得到vlistfile3和vlistfile4（3）把vlistfile4中的内容复制到vlistfile2中：vlistfile2.clear(); vlistfile2.swap(vlistfile4); 8. 遍历容器vlistfile2，调用**ftp.get()**方法从服务器下载文件：ftp.get(strremotefilename, strlocalfilename) 9. 如果ptype==1，把下载成功的文件记录追加到okfilename文件中 10. 如果ptype==2，使用ftp.ftpdelete()删除服务器文件 11. 如果ptype==3，使用ftp.ftprename()服务器文件转存到服务器备份目录 ### ftp客户端下载模块 ## 数据处理和统计系统 数据处理： 任务：把各种格式的数据文件转换为xml格式的文件，再交给入库程序 步骤：1. 读取目录中的文件 2.解析文件的内容 3.生成xml文件格式的文件 数据统计： 任务：把采集到的数据进行二次加工，生成新的数据产品，最大化数据价值 ## 数据入库子系统 ## 数据同步子系统 MySQL高可用方案的不足： 1.Master（写）和Slave（读）的表结构和数量必须一致 2.非主从关系的数据库不能进行复制 3.不够灵活，效率也不高 我们的做法： 基于MySQL的Federated存储引擎（Oracle dblink）把远程数据库同步到本地（实现数据库中的互相访问） ### 刷新同步模块 针对需要覆盖本地表的情况，开发了**刷新同步模块**，模块位置：/project/tools1/c/syncupdate.cpp 模块实现： 若需要同步的数据量少，采用一次性全部同步：1. delete from (localtname) (where) 删除本地表中的数据 ；2. insert into (localtname)(localcols) select (remotecols) from (fedtname) (where)把Federated表中满足where条件的记录插入到本地表中 若需要同步的数据量少，采用分批同步：1.select (remotekeycol) from (remotetname) (where)从远程表中查找需要同步记录的key字段的值；2.delete from (localtname) where (localkeycol) in (:1, :2, :3, ...maxcount) 根据key字段一次性从本地表删除starg.maxcount条数据；3.insert into (localtname)(localcols) select (remotecols) from (fedtname) where (remotekeycol) in (:1, :2, :3, ...maxcount)插入本地表数组的SQL语句，一次插入starg.maxcount条记录 每次执行select语句取出需要删除的remotekeycol，放入delete和insert绑定的输入数组中，达到一定数量(maxcount) 执行delete和insert语句 ### 增量同步模块 针对需要**不**覆盖本地表的情况，开发了**增量同步模块**，模块位置：/project/tools1/c/syncincrement.cpp 模块实现： 与刷新同步中的分批同步类似，这里select中需要查找本地最大的id从远程收集比这个id更大的数据加入delete和select参数 问题： 1.面对远程表的删除操作，本程序无法使用 解决办法：远程表上建立触发器，用触发器表同步本地表和远程表；或者增加一个程序，定期扫描远程表和本地表，如果记录在本地表中有但是远程表没有就删除他 2.数据略有延迟，但是在业务可接受范围内 3.对远程数据库会造成压力。解决办法：捕捉Binlog日志，不用读MySQL数据库，直接读日志就行 ## 数据管理子系统 系统功能：1.删除表中符合条件数据；2.把符合条件的历史数据备份和归档 ### 数据清理模块 模块位置：/project/tools1/c/deletetable.cpp 模块功能：根据清理数据的条件，把表中的唯一键字段查询出来；以唯一键为条件，删除表中的记录；为了提高效率每执行一条SQL语句删除100或200条数据。 模块实现：1.select （keycol） from （tname） （where ddatetime < timestampadd(minute, -10, now())）每次取出一条满足条件的keycol；2.delete from （tname） where （keycol） in (bindstr)；3.字符串数组绑定到bindstr；4.读入bindstr，每MAXPARAMS次执行一次delete ### 数据迁移模块 模块位置：/project/tools1/c/migratetable.cpp 模块功能：迁移表中的数据 模块实现：在数据清理模块的删除操作之前 执行 insert into dsttname(m_allcols) select m_allcols from srctname where keycol in (bindstr) ## 数据服务总线模块 数据中心目标是为业务系统提供数据支撑环境 1.业务系统直连数据中心的应用数据库，可以任意访问数据 2.业务系统通过数据服务总线，采用HTTP协议获取数据 通过配置参数，实现不同数据接口；设置访问权限；填写访问日志（接口名、时间、数据量） **模块实现：** 1.服务端初始化TcpServer.InitServer(starg.port) 2.定义一个类connpool（数据库连接池）类中使用connpool::init(const char* connstr, const char* charset, int maxconns, int timeout)初始化线程池和锁（每个数据库连接对应一把mutex锁） 3.多开一个进程用来定期检查数据库连接池：pthread_create(&checkpoolid, NULL, checkpool, 0) != 0) void* checkpool(void* arg)中循环调用oraconnpool.checkpool(); 其中循环检查：（1）尝试加锁：pthread_mutex_trylock(&m_conns[ii].mutex) == 0 （2）检查是否超时，超时的断开连接：disconnect，重新设置时间atime = 0（3）如果没有超时，执行一次sql，验证连接是否有效conn.execute("select * from dual")（4）解锁 pthread_mutex_unlock(&m_conns[ii].mutex); 4.启动10个工作线程（线程数比CPU核数略多），定义结构体st_pthinfo（其中pthid表示线程编号，atime最近一次活动的时间） pthread_create(&stpthinfo.pthid, NULL, thmain, (void*)(long)ii) ### 数据库连接池 ### 线程池 1.在主进程中，预先创建n个工作线程；2.主进程监听客户端连接，当有新客户端连接，将他放入处理队列 3.工作线程从队列中取出客户端连接，处理客户端业务需求 **实现：**在队列中存放客户端的socket，采用条件变量加互斥锁（生产消费者模型）实现队列 **线程池的监控：**守护线程+心跳机制（地址共享） 守护线程检查工作线程的心跳时间，如果超时，先取消再启动 ### 数据安全 1.硬件防火墙 2.身份认证：（1）分配用户名和密码 （2）分配唯一的key 3.黑名单、白名单、绑定ip（只能通过某ip地址访问） ### 优化方案 1.多数据库 2.采用缓存（cache）技术：redis、内存、磁盘文件 ## I/O复用技术、网络代理 传统方法：每个进程/线程只能管理一个客户端连接 线程池：只适用于短连接 I/O复用：在单进程/线程中同时监视多个连接（监视、读、写） **select模型**：只能管理1024个客户端 **poll模型**：连接越多，性能线性下降 **epoll模型**：只要内存足够，管理的连接数没有上限，性能不会下降 ### Select模型 int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 事件：1.新客户端的连接请求accept；2.客户端有报文到达recv，可以读；3.客户端连接已断开； 4.可以向客户端发送报文send，可以写 TCP有缓冲区，如果缓冲区已填满，send函数会阻塞，如果发送端关闭了socket，缓冲区中的数据会继续发送给接收端 写事件：如果tcp缓冲区没有满，那么socket连接可写，tcp发送缓冲区2.5M，接收缓冲区1M。getsockopt查看 超时机制：struct timeval *timeout select第五个参数 gettimeofday(&timeout , NULL); // 获取当前时间 now.tv_sec = now.tv_sec + 20; 水平触发：如果事件和数据在缓冲区中，程序调用select()时会报告事件，数据不会丢失 如果select()已经报告了事件但是程序没有处理他，下次调用select()的时候会重新报告 **缺点：**1.支持的连接数太小（1024）调整意义不大 2.每次调用select()要把fdset从用户态拷贝到内核，调用之后要把fdset从内核态拷贝到用户态 3.返回后需要遍历bitmap，效率比较低 **模块实现：** 1.初始化服务端用于**监听**的socket。（1）int sock = **socket**(AF_INET,SOCK_STREAM,0);（2）int opt = 1; unsigned int len = sizeof(opt); **setsockopt**(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,len);；（3） struct sockaddr_in servaddr; servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); servaddr.sin_port = htons(port); **bind**(sock,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)；（4）**listen**(sock,5) 返回sock至主函数中的listensock 2.（1）新建bitmap：**fd_set** readfds; （2）初始化bitmap ：**FD_ZERO**(&readfds);（3） 添加listensock **FD_SET**(listensock, &readfds); (4)记录bitmap中最大值：int **maxfd** = listensock; 3.循环利用select接收事件 （1）fd_set tmpfds = readfds; **select**(maxfd + 1, &tmpfds, NULL, NULL, &timeout);小于0调用失败等于0超时 （2）遍历eventfd从0到maxfd 比较**FD_ISSET**(eventfd, &tmpfds) > 0 表示有事件 如果eventfd==listensock表示有新的客户端连上来， 接收struct sockaddr_in client; socklen_t len = sizeof(client); int clientsock = **accept**(listensock, (struct sockaddr*)&client, &len); 把新客户端的socket加入可读socket的集合，FD_SET(clientsock, &readfds); 更新maxfd的值 if(maxfd < clientsock) maxfd = clientsock; 如果是客户端连接的socket有事件，判断**recv**(eventfd, buffer, sizeof(buffer), 0) 如果小于等于0，表明如果客户端连接已断开，关闭客户端的socket：**close**(eventfd); 把已关闭客户端的socket从可读socket的集合中删除**FD_CLR**(eventfd, &readfds); 更新maxfd的值 如果大于0有报文发过来，处理buffer，还可以发送回去**send**(eventfd, buffer, strlen(buffer), 0); ### poll模型 相比select模型，弃用了bitmap，采用数组表示 int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout); struct pollfd中参数有1.int fd需要监视的socket 2.short events需要关心的事件 3.revents poll函数返回的事件 events主要是POLLIN和POLLOUT两种 1.poll和select本质是没有区别，弃用了bitmap，采用数组表示法 2.每次调用poll把数组从用户态拷贝到内核，调用之后要把fdset从内核态拷贝到用户态 3.返回后需要遍历bitmap，效率比较低 3.需要遍历数组效率较低 轻量级的读检查是否超时 struct **pollfd** fds; fds.fd=sockfd; fds.events=POLLIN; **fds.revents**=0; if ( **poll**(&fds,1,itimeout*1000) <= 0 ) return false; ### epoll模型 epoll没有内存拷贝、没有轮巡、没有遍历 创建句柄：int **epoll_create**(int size); 返回值：成功：文件描述符，失败：-1 注册事件：int **epoll_ctl**(int epfd, int op, int fd, struct **epoll_event*** event); op：EPOLL_CTL_ADD、EPOLL_CTL_MOD、EPOLL_CTL_DEL 等待事件：int **epoll_wait**(int epfd, struct epoll_event* event, int maxevents, int timeout); ### 水平触发和边缘触发 select和poll采用水平触发 如果接收缓存区不为空表示有数据可读，如果数据没有读完，再调用函数（select,poll, epoll）时读事件一直触发 如果发送缓存区没有满表示数据可写，如果缓冲区没有写满，再调用函数（select,poll, epoll）时写事件一直触发 epoll有水平出发和边缘触发两种 socket加入epoll之后，如果接收缓冲区不为空，触发可读时间；如果有新数据到达，再次触发可读事件 socket加入epoll之后，如果发送缓冲区不为空，触发可写事件；如果发送缓冲区由满变为空时，再次触发可写 ev.events = EPOLLIN; // 读事件 默认水平触发，边缘触发：ev.events = EPOLLIN|**EPOLLET** 采用边缘触发需要将socket设置为非阻塞，否则读写会阻塞 fcntl(listensock, F_SETFL, O_NONBLOCK); 循环accept或recv当出现if(errno == EAGAIN) break; ### 正向代理 **模块作用**：监听客户端连接，如果有客户端连接，代理程序向目标端发起连接请求，建立连接 **模块位置**：/project/tools1/c/inetd.cpp **模块实现**： 关键变量：代理路由参数（本地监听的通讯端口，目标主机的ip地址，目标主机的通讯端口，本地监听的socket） 步骤：（1）把代理路由参数加载到vroute容器（2）初始化服务端用于监听的socket（使用fcntl设置为非阻塞）（3）创建epoll句柄：epollfd = **epoll_create**(1);（4）声明事件的数据结构：struct epoll_event ev; （5）遍历容器，把监听的socket的事件加入epollfd中：**epoll_ctl**(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, vroute[ii].listensock, &ev); （6）存放epoll返回的事件：struct epoll_event evs[10]; （7）等待监视的socket有事件发生。int infds = **epoll_wait**(epollfd, evs, 10, -1);（8）遍历epoll返回的已发生事件的数组 1.如果发生事件的是listensock，表示有新的客户端连上来if(evs[ii].data.fd == vroute[jj].listensock) 接受客户端连接：int srcsock = accept(vroute[jj].listensock, (struct sockaddr*)&client, &len); 向目标ip和端口发起socket连接conntodst(vroute[jj].dstip, vroute[jj].dstport) 为两个socket准备可读事件，并添加到epoll中 更新clientsocks数组中两端socket的值和活动时间 2.如果是客户端连接的socket有事件，表示有报文发送过来或者连接已断开 接收buflen = recv(evs[ii].data.fd, buffer, sizeof(buffer), 0) 发送send(clientsocks[evs[ii].data.fd], buffer, buflen, 0); 定时器： int tfd = timefd_create(CLOCK_MONOTONIC, TFD_NONBLOCK|TFD_CLOEXEC); // 创建timerfd struct itimerspec timeout; memset(&timeout, 0, sizeof(struct itimerspec)); timeout.it_value.tv_sec = 20; timeout.it_value.tv_nsec = 0; timefd_settime(tfd, 0, &timeout, NULL); ### 反向代理 ## Oracle数据开发 sqlplus / as sysdba ### db link 类似于mysql的Federated引擎，创建方法是 1.超级用户登录授权 grant create database link to scott; 2.登录scott用户数据库create database link 数据库链路名 connect to 某用户名 identified by 某用户密码 using '远程数据库连接'; ### Oracle数据库集群方案 RAC（Real Application Cluster实时应用集群）由多个服务器加共享存储，一般两个节点，高可用方案，写入数据的性能比单实例略低，读略高。 Data Guard数据同步，把日志文件从源数据库传到目标数据库，从而达到数据库级别的高可用方案，相当于mysql的主从复制，mysql叫master和slaver，oracle叫primary和standby，用于异地备份，读写分离 OGG（Oracle Golden Gate），捕捉远端数据库的日志，把发生变化的数据提取出来，生成文件发送给目标端，目标端解析文件，数据同步效率比较高，非常灵活，可以配置需要同步的表 OGG Vs 数据同步子系统 1.OGG收费 2.OGG从日志中抽取，因此对源数据库没有压力，对表的设计没有要求。但数据同步子系统要求要有自增字段，且不能插入删除 3.数据同步子系统部署简单，批量操作数据效率更高 RAC服务器采用IBM3850内存：128G，硬盘：300G 存储服务器EMC 100T 应用服务器IBM3650 Oracle DBA（database admin） 1.数据库建设方案的设计和实施 2.数据库日常运维，数据安全，性能分析，持续优化 3.数据库升级迁移，备份，扩容，容灾的设计 程序员不只是CRUD，充分利用索引，数据的复制和迁移可以利用数据同步子系统，不用生成临时文件 ## Linux 线程 进程：拥有PCB（进程管理块：系统中存放进程的管理和控制信息的数据结构），**有独立的地址空间** 线程：轻量级的进程，本质仍是进程，操作系统底层都是调用clone，如果是线程就不复制地址空间，和原来的进程共享地址空间，**无独立地址空间** 线程是cpu最小的执行和调度单位，进程是最小的分配资源单位 **线程的优点**：可以在一个进程内实现并发，开销少，数据通信/共享方便 ### 线程的创建和终止 线程的创建：int **pthread_create**(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg); 线程退出：int **pthread_join**(pthread_t thread, void **retval); 线程非正常终止： 1.主线程终止，全部线程将强行终止 2.子进程调用exit()终止整个进程 多进程中子进程core dump不会影响其他进程，多线程子进程core dump整个进程core dump 正常退出：1.返回 2.线程可以被同一进程中的其他线程调用**pthread_cancel**(pthread_t *thread)退出 3.在线程中调用**pthread_exit** (void *返回值)退出，返回值会传递给**pthread_join**（thid,(void **)）第二个参数 ### 线程参数的传递 var=1;if (pthread_create(&thid1,NULL,thmain1,**(void *)(long)**var)!=0) void *thmain1(void *arg) // 线程主函数。 {printf("var1=%d\n",**(int)(long)**arg);printf("线程1开始运行。\n");} 在线程中调用**pthread_exit** (void *返回值)退出，返回值会传递给**pthread_join**（thid,(void **)）第二个参数 ### 线程资源的回收 线程有非分离（joinable）和分离(unjoinable)两种状态 缺省状态是非分离（joinable）或者是可连接的 线程的分离，把线程属性设置为分离，线程结束之后，系统回收资源，调用**pthread_detach**(**pthread_self**())分离线程 非阻塞：pthread_tryjoin_np() 限时阻塞等待pthread_timedjoin_np **线程清理函数**：清理函数入栈**pthread_cleanup_push**(线程清理函数名, 函数参数) 清理函数出栈**pthread_cleanup_pop**(1执行函数， ... ...

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