I.内容提要

定时调度系统（定时任务、定时执行）算是工作中经常依赖的中间件系统，简单使用操作系统的 crontab，或基于 Quartz，xxl-job 来搭建任务调度平台，行业有很多优秀的开源产品和中间件。了解其工作和设计原理，有助于我们完善或定制一套适合公司业务场景的任务调度中间件，之前写了两篇文章介绍了调度负载均衡和定时延时任务的内容，可以参考。

  • 分布式调度分发负载均衡及服务保持

  • 分布式调度延时任务实现原理

今天我们探讨另一话题，对调度任务的 依赖关系及编排 展开分析，实现一套 工作流 ，来满足任务间的复杂依赖的场景。本章内容提要：

  • 任务调度依赖 & 工作流

  • 图相关知识

  • golang 并发相关

II.任务调度依赖

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 string   Value interface{}   Parents *Vertex    Children  *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 。

  1. 选择起始节点入队列

  2. 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 vertex   currVert := q.Remove.(*Vertex)   if _, ok := visited[currVert.Key]; ok {   continue   }   visited[currVert.Key] = currVert   all = 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 vertex   currVert := q.Remove.(*Vertex)   if _, ok := visited[currVert.Key]; ok {   continue   }    visited[currVert.Key] = currVert   tmp = 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.WaitGroup   for _, 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。

通过并发改造后，执行时间只有 20 秒了，大大提高了任务执行的效率。

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 更多了解。

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