Python 全栈系列231 以数据处理为核心的微服务思考

说明

最初我是专注与做数据分析和建模的，通俗点说也就是pandas和sklearn。照理来说，分析和建模作为一种分工，本身是可以独立于架构的设计和使用的。其实也就是从20年之后，我才开始花比较多的时间研究这一块。

回想了一下原因：

1 交付价值。以模型为例，输入原始数据，经过一系列复杂的变换，给到处理结果。按照传统的部署方法，或者是交给其他团队，那么耗费的时间和资源是非常多。这就影响到了我们工作所能交付的价值。现在的大语言模型通常提供gradio或者streamlit这样前端的使用，其实也就是一种增强价值交付的手段。而且本身封装微服务是一种很简单的方法，文章后面会例子。
2 提高效率。仅从数据IO的角度，我觉得我没办法很好的在多种不同的数据库风格间切换。虽然python提供了大部分主流数据库的连接包，但是风格和语法还是有较大不同的，适应起来比较费时费力。对数据库本身的功能来说，其实本身的抽象功能是比较固定的：列出库表信息、索引的建立、数据的增删改查等。通过微服务提供统一的接口，屏蔽掉不同数据库的操作差异，可以极大的提升效率。
3 提升计算能力。工业化的数据处理必然要通过分布式来增强计算能力，微服务本身就可以很好的支持横向的计算拓展。

本篇介绍微服务的概念(优缺点)、微服务的部署基础(Docker)、Python微服务构造样例(Tornado)以及我的微服务使用现状。

内容

1 微服务概念

在我看来，微服务主要针对的是单体应用。

微服务（Microservice）这个概念是2012年出现的，作为加快Web和移动应用程序开发进程的一种方法，2014年开始受到各方的关注，而2015年，可以说是微服务的元年；（这段话引用的，关于时间差不多是这样）

最早的时候，通常说“一个jar包打天下”，将所有的功能封装在一起进行发布。这样容易产生三类问题：

1 耦合性高，某个地方出问题，很可能影响其他业务模块的使用
2 代码管理成本高，项目沉重，并会随着需求的增加越来越重
3 随着访问量的增多，这种架构的工程并发力不够

微服务出现后：系统的功能是松耦合的，一方面系统更加稳定了，另外一块是便于分工。

系统的稳定性来自于在项目的功能分解：将具体的功能切分为一个个的微服务，本身是分治的思想。另外，微服务本身也是独立部署的，某个微服务的bug可能不会导致系统的全面瘫痪。

便于分工则体现在，API接口的规范是一致的，每个人很清楚知道自己的IO格式。在微服务内部，你使用了什么语言或者是依赖是灵活的，只要在测试时你的并发能力足够，结果准确就行。

微服务的代价主要有两点：

1 管理变得复杂了。都使用微服务后，管理大量的微服务需要额外的开销。
2 数据的IO转换代价。以json规范为例，在不同的微服务间流转必然要进行序列化和反序列化，这是一笔不小的开销。

容器技术的出现降低了部署和管理难度，而硬件的不断进步使得数据IO的代价变得可以接受。这也是“人生苦短，我用Python”的精髓：用更多的机器时间来解放人的时间。

2 微服务的部署基础

Docker是一个开源的应用容器引擎，是Google公司推出的一个开源项目。它可以将应用和环境打包成一个容器，随后可以在任何地方运行。Docker容器镜像不仅可以在开发环境中打包应用，还可以在测试和生产部署阶段中使用。总之，Docker提供了一种快速单一的解决方案，解决了环境问题。

关于Docker也不多介绍了，可以简单理解为效率很高的虚拟机。从实际的使用上，Docker带来的好处是环境搭建和分布式部署非常方便。唯一可能需要注意的是，最好使用Linux系统服务器。

Docker有镜像仓库，一些云服务商也有镜像仓库(比如阿里云)，当然也可以在自己的分布式环境下自建镜像仓库，而且一般都有很大的带宽，可以很快的在不同的主机上拉取。这些镜像仓库提供了许多半成品和成品，可以以类似git的方式进行增改和再提交，这就让定制自己的系统变的很简单。

在AI方面，通常安装CUDA环境是很烦的，有了Docker之后，宿主机只要安装好驱动，然后将显卡挂载到镜像启动，容器中就可以使用了，这个解决系统环境配置的一个大问题。

至于端口映射，让各个子分布系统之间互联互通的问题可以使用一些类似Nginx之类的工具完成。

在效率方面，官方的说法是一台机器可以启动多达上千个容器（肯定超过物理硬件的能力了）
在这里插入图片描述
Docker的容器本身还有很多特性，比如限制CPU，内存等，这有助于进一步保证整体宿主机的稳定性。

3 Python微服务构造样例

我简单的把微服务的应用分为后端和前端，就python系而言Tornado适合后端，Flask适合前端。当然还有新出的FastAPI之类的，不过我觉得用不上了。

在这里插入图片描述

Tornado和Flask我都用，具体的参数比较就不说了，总而言之，Tornado用于纯后端非常方便(对象应用),Flask在前端应用上非常方便(蓝图模式以及各种钩子)。

可以搜索镜像,一般jupyter的镜像包装的比较全

docker pull jupyter/datascience-notebook

基于镜像创建容器，同时将宿主机的12345端口给到容器的8000端口，可以看到容器里已经有包了。

└─ $ docker run -it -p 12345:8000 jupyter/datascience-notebook bash
(base) jovyan@f7b727336b27:~$ ls
work
(base) jovyan@f7b727336b27:~$ pip3 install tornado
Requirement already satisfied: tornado in /opt/conda/lib/python3.11/site-packages (6.3.3)

以下粘贴两个py文件内容到容器里（使用vi 创建对应的文件再粘贴,或者使用docker cp 考入）

server_funcs.py

import json
from json import JSONEncoder
class MyEncoder(JSONEncoder):
    def default(self, obj):
        if isinstance(obj, np.integer):
            return int(obj)
        elif isinstance(obj, np.floating):
            return float(obj)
        elif isinstance(obj, np.ndarray):
            return obj.tolist()
        if isinstance(obj, datetime):
            return obj.__str__()
        if isinstance(obj, dd.timedelta):
            return obj.__str__()
        else:
            return super(MyEncoder, self).default(obj)

# 【创建tornado所需问文件夹】
import os 
# 如果路径不存在则创建
def create_folder_if_notexist(somepath):
    if not os.path.exists(somepath):
        os.makedirs(somepath)
    return True

m_static = os.path.join(os.getcwd(),'m_static')
m_template = os.path.join(os.getcwd(),'m_template')

create_folder_if_notexist(m_static)
create_folder_if_notexist(m_template)

settings = {
'static_path':m_static,
'template_path':m_template
}

server.py

from server_funcs import * 
import tornado.httpserver  # http服务器
import tornado.ioloop  # ?
import tornado.options  # 指定服务端口和路径解析
import tornado.web  # web模块
from tornado.options import define, options
import os.path  # 获取和生成template文件路径

app_list = []

IndexHandler_path = r'/'
class IndexHandler(tornado.web.RequestHandler):
    def get(self):
        self.write('【GET】This is Website for Internal API System')
        self.write('Please Refer to API document')
        print('Get got a request test')
        # print(buffer_dict)

    def post(self):
        request_body = self.request.body

        print('Trying Decode Json')
        some_dict = json.loads(request_body)
        print(some_dict)
        msg_dict = {}
        msg_dict['info'] = '【POST】This is Website for Internal API System'
        msg_dict['input_dict'] = some_dict
        self.write(json.dumps(msg_dict))
        print('Post got a request test')
IndexHandler_tuple = (IndexHandler_path,IndexHandler)
app_list.append(IndexHandler_tuple)

if __name__ == '__main__':
    tornado.options.parse_command_line()
    apps = tornado.web.Application(app_list, **settings)
    http_server = tornado.httpserver.HTTPServer(apps)
    define('port', default=8000, help='run on the given port', type=int)
    
    http_server.listen(options.port)
    # 单核

    # 多核打开注释
    # 0 是全部核
    # http_server.start(num_processes=10) # tornado将按照cpu核数来fork进程
    # ---启动
    print('Server Started')
    tornado.ioloop.IOLoop.instance().start()

此时文件目录为

(base) jovyan@526ad528a653:~$ ls
server_funcs.py  server.py  work
# 启动服务
(base) jovyan@526ad528a653:~$ python3 server.py
Server Started

执行测试

import requests as req 

# get请求
res = req.get('http://127.0.0.1:12345/').text
In [4]: res
Out[4]: '【GET】This is Website for Internal API SystemPlease Refer to API document'
# post请求
some_dict = {'test':123}
res = req.post('http://127.0.0.1:12345/', json = some_dict).json()
In [7]: res
Out[7]:
{'info': '【POST】This is Website for Internal API System',
 'input_dict': {'test': 123}}

将修改过的容器提交

docker commit 526ad528a653 YOUR_IMAGE:V
docker push YOUR_IMAGE:V

如果要进入长期服务，直接采取服务态方式执行即可

docker run -d \
 --restart=always \
 -p HOST_PORT:CONTAINER_PORT \
 YOUR_IMAGE:V \
 python3 server.py

4 微服务使用现状

我陆续构造了几十个微服务，主要分为：

1 数据库类
2 数据库代理类
3 功能类
4 辅助类

4.1 数据库类

Mysql、Mongo、Redis、ES、Milvus、Neo4j

其中Mongo是主库，构造了单机版和集群。

Redis作为内存库，提供KV缓存和简单消息队列(RedisStream)

ES作为全文搜索库。

Milvus是向量数据库。

Mysql很少用。

Neo4j 以前用的很多，以后肯定也会用的很多，最近比较少用。

4.2 数据库代理类

MysqlAgent、MongoAgent、CypherAgent、RedisAgent、RedisOrMongo、GlobalBuffer

顾名思义，就是为了简化数据库操作的。

4.3 功能类

特定功能类：例如主体识别，以及其他的为业务服务的微服务。
通用功能类：GlobalFunc

4.4 辅助类

辅助类也不少，Jupyter, JupyterLab, GitLab, DrawIO、定时类、Nginx、镜像仓库、文件传输、发邮件、发短信、任务看板、在线笔记、还有负责传递命令、监控的，不过有些不完善，目前也没在用。

4.5 应用

基于这些微服务再开发一些对象，就可以和平时的开发代码结合在一起，方便的使用了。

需要特别注意的是缓存的使用与数据的分块。

要对应大量的请求，一定要使用消息队列和内存数据库。像Mongo这样的，我作为主库，很适合进行大批量的吞吐（以万级为单位);但是Mongo如果应对大量的零散请求很容易崩溃，这时候就需要和Redis配合。简单起见我使用Redis实现了KV和消息队列。

除此之外，数据库本身的分片分区和分块比较重要。这样才能比较好的利用分布式的微服务处理：例如根据分片方法，异步并发向多个分片发起查询，速度可以快很多。

5 总结

之前侧重在数据的IO、服务的并发响应以及复杂功能的实现方面。基本上架构方面不再是一个约束，只有在算法和规范上需要进一步完善。

架构方面还需要改进的微服务有两块：

1 自动化运维。由于我的服务相对比较集中，所以可以自建一个微服务注册/监控/控制的服务。之前已经有过pilot了，所以应该没啥问题。
2 分布式任务调度。使用flask aps + celery + rabbit_mq ,可以再做一个分布式的任务调度。

目前数据的存储和规范基本ok，复杂功能方法基本也ok，并发响应(缓存和队列）也基本ok，在加上自动化运维和分布式任务调度，整个系统就完整了。