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数据订阅

大约 12 分钟

数据订阅

1. 功能介绍

IoTDB 数据订阅模块（又称 IoTDB 订阅客户端）是IoTDB V1.3.3 版本后支持的功能，它为用户提供了一种区别于数据查询的流式数据消费方式。它参考了 Kafka 等消息队列产品的基本概念和逻辑，提供数据订阅和消费接口，但并不是为了完全替代这些消费队列的产品，更多的是在简单流式获取数据的场景为用户提供更加便捷的数据订阅服务。

在下面应用场景中，使用 IoTDB 订阅客户端消费数据会有显著的优势：

  1. 持续获取最新数据：使用订阅的方式，比定时查询更实时、应用编程更简单、系统负担更小；
  2. 简化数据推送至第三方系统：无需在 IoTDB 内部开发不同系统的数据推送组件，可以在第三方系统内实现数据的流式获取，更方便将数据发送至 Flink、Kafka、DataX、Camel、MySQL、PG 等系统。

2. 主要概念

IoTDB 订阅客户端包含 3 个核心概念：Topic、Consumer、Consumer Group，具体关系如下图

  1. Topic（主题）: Topic 是 IoTDB 的数据空间，由路径和时间范围表示（如 root.** 的全时间范围）。消费者可以订阅这些主题的数据（当前已有的和未来写入的）。不同于 Kafka，IoTDB 可在数据入库后再创建 Topic，且输出格式可选择 Message 或 TsFile 两种。

  2. Consumer（消费者）: Consumer 是 IoTDB 的订阅客户端，负责接收和处理发布到特定 Topic 的数据。Consumer 从队列中获取数据并进行相应的处理。在 IoTDB 订阅客户端中提供了两种类型的 Consumers:

  • 一种是 SubscriptionPullConsumer，对应的是消息队列中的 pull 消费模式，用户代码需要主动调用数据获取逻辑
  • 一种是 SubscriptionPushConsumer，对应的是消息队列中的 push 消费模式，用户代码由新到达的数据事件触发
  1. Consumer Group（消费者组）: Consumer Group 是一组 Consumers 的集合，拥有相同 Consumer Group ID 的消费者属于同一个消费者组。Consumer Group 有以下特点：
  • Consumer Group 与 Consumer 为一对多的关系。即一个 consumer group 中的 consumers 可以有任意多个，但不允许一个 consumer 同时加入多个 consumer groups
  • 允许一个 Consumer Group 中有不同类型的 Consumer（SubscriptionPullConsumer 和 SubscriptionPushConsumer）
  • 一个 topic 不需要被一个 consumer group 中的所有 consumer 订阅
  • 当同一个 Consumer Group 中不同的 Consumers 订阅了相同的 Topic 时，该 Topic 下的每条数据只会被组内的一个 Consumer 处理，确保数据不会被重复处理

3. SQL 语句

3.1 Topic 管理

IoTDB 支持通过 SQL 语句对 Topic 进行创建、删除、查看操作。Topic状态变化如下图所示：

3.1.1 创建 Topic

SQL 语句为：

    CREATE TOPIC [IF NOT EXISTS] <topicName> 
    WITH (
    [<parameter> = <value>,],
    );

IF NOT EXISTS 语义：用于创建操作中，确保当指定 Topic 不存在时，执行创建命令，防止因尝试创建已存在的 Topic 而导致报错。

各参数详细解释如下：

参数是否必填（默认值）参数含义
pathoptional: root.**topic 对应订阅数据时间序列的路径 path，表示一组需要订阅的时间序列集合
start-timeoptional: MIN_VALUEtopic 对应订阅数据时间序列的开始时间（event time）可以为 ISO 格式，例如 2011-12-03T10:15:30 或 2011-12-03T10:15:30+01:00也可以为 long 值，含义为裸时间戳，单位与数据库时间戳精度一致支持特殊 value now，含义为 topic 的创建时间，当 start-time 为 now 且 end-time 为 MAX_VALUE 时表示只订阅实时数据
end-timeoptional: MAX_VALUEtopic 对应订阅数据时间序列的结束时间（event time）可以为 ISO 格式，例如 2011-12-03T10:15:30 或 2011-12-03T10:15:30+01:00也可以为 long 值，含义为裸时间戳，单位与数据库时间戳精度一致支持特殊 value now，含义为 topic 的创建时间，当 end-time 为 now 且 start-time 为 MIN_VALUE 时表示只订阅历史数据
processoroptional: do-nothing-processorprocessor 插件名及其参数配置，表示对原始订阅数据应用的自定义处理逻辑，可以通过类似 pipe processor 插件的方式指定
formatoptional: SessionDataSetsHandler表示从该主题订阅出的数据呈现形式，目前支持下述两种数据形式：SessionDataSetsHandler：使用 SubscriptionSessionDataSetsHandler 获取从该主题订阅出的数据，消费者可以按行消费每条数据TsFileHandler：使用 SubscriptionTsFileHandler 获取从该主题订阅出的数据，消费者可以直接订阅到存储相应数据的 TsFile
mode (v1.3.3.2 及之后版本支持)option: livetopic 对应的订阅模式，有两个选项：live：订阅该主题时，订阅的数据集模式为动态数据集，即可以不断消费到最新的数据snapshot：consumer 订阅该主题时，订阅的数据集模式为静态数据集，即 consumer group 订阅该主题的时刻（不是创建主题的时刻）数据的 snapshot；形成订阅后的静态数据集不支持 TTL
loose-range (v1.3.3.2 及之后版本支持)option: ""String: 是否严格按照 path 和 time range 来筛选该 topic 对应的数据，例如：""：严格按照 path 和 time range 来筛选该 topic 对应的数据"time"：不严格按照 time range 来筛选该 topic 对应的数据（粗筛）；严格按照 path 来筛选该 topic 对应的数据"path"：不严格按照 path 来筛选该 topic 对应的数据（粗筛）；严格按照 time range 来筛选该 topic 对应的数据"time, path" / "path, time" / "all"：不严格按照 path 和 time range 来筛选该 topic 对应的数据（粗筛）

示例如下：

-- 全量订阅
CREATE TOPIC root_all;

-- 自定义订阅
CREATE TOPIC IF NOT EXISTS db_timerange
WITH (
  'path' = 'root.db.**',
  'start-time' = '2023-01-01',
  'end-time' = '2023-12-31',
);

3.1.2 删除 Topic

Topic 在没有被订阅的情况下，才能被删除，Topic 被删除时，其相关的消费进度都会被清理

DROP TOPIC [IF EXISTS] <topicName>;

IF EXISTS 语义：用于删除操作中，确保当指定 Topic 存在时，执行删除命令，防止因尝试删除不存在的 Topic 而导致报错。

3.1.3 查看 Topic

SHOW TOPICS;
SHOW TOPIC <topicName>;

结果集：

[TopicName|TopicConfigs]
  • TopicName：主题 ID
  • TopicConfigs：主题配置

3.2 查看订阅状态

查看所有订阅关系：

-- 查询所有的 topics 与 consumer group 的订阅关系
SHOW SUBSCRIPTIONS
-- 查询某个 topic 下所有的 subscriptions
SHOW SUBSCRIPTIONS ON <topicName>

结果集：

[TopicName|ConsumerGroupName|SubscribedConsumers]
  • TopicName：主题 ID
  • ConsumerGroupName：用户代码中指定的消费者组 ID
  • SubscribedConsumers：该消费者组中订阅了该主题的所有客户端 ID

4. API 接口

除 SQL 语句外，IoTDB 还支持通过 Java 原生接口（链接）使用数据订阅功能。

4.1 Topic 管理

IoTDB 订阅客户端中的 SubscriptionSession 类提供了 Topic 管理的相关接口。Topic状态变化如下图所示：

4.1.1 创建 Topic

 void createTopicIfNotExists(String topicName, Properties properties) throws Exception;

示例：

try (final SubscriptionSession session = new SubscriptionSession(host, port)) {
  session.open();
  final Properties config = new Properties();
  config.put(TopicConstant.PATH_KEY, "root.db.**");
  session.createTopic(topicName, config);
}

4.1.2 删除 Topic

void dropTopicIfExists(String topicName) throws Exception;

4.1.3 查看 Topic

// 获取所有 topics
Set<Topic> getTopics() throws Exception;

// 获取单个 topic
Optional<Topic> getTopic(String topicName) throws Exception;

4.2 查看订阅状态

IoTDB 订阅客户端中的 SubscriptionSession 类提供了获取订阅状态的相关接口：

Set<Subscription> getSubscriptions() throws Exception;
Set<Subscription> getSubscriptions(final String topicName) throws Exception;

4.3 创建 Consumer

在使用 JAVA 原生接口创建 consumer 时，需要指定 consumer 所应用的参数。

对于 SubscriptionPullConsumer 和 SubscriptionPushConsumer 而言，有以下公共配置：

参数是否必填（默认值）参数含义
hostoptional: 127.0.0.1String: IoTDB 中某 DataNode 的 RPC host
portoptional: 6667Integer: IoTDB 中某 DataNode 的 RPC port
node-urlsoptional: 127.0.0.1:6667List<String>: IoTDB 中所有 DataNode 的 RPC 地址，可以是多个；host:port 和 node-urls 选填一个即可。当 host:port 和 node-urls 都填写了，则取 host:port 和 node-urls 的并集构成新的 node-urls 应用
usernameoptional: rootString: IoTDB 中 DataNode 的用户名
passwordoptional: rootString: IoTDB 中 DataNode 的密码
groupIdoptionalString: consumer group id，若未指定则随机分配（新的 consumer group），保证不同的 consumer group 对应的 consumer group id 均不相同
consumerIdoptionalString: consumer client id，若未指定则随机分配，保证同一个 consumer group 中每一个 consumer client id 均不相同
heartbeatIntervalMsoptional: 30000 (min: 1000)Long: consumer 向 IoTDB DataNode 定期发送心跳请求的间隔
endpointsSyncIntervalMsoptional: 120000 (min: 5000)Long: consumer 探测 IoTDB 集群节点扩缩容情况调整订阅连接的间隔
fileSaveDiroptional: Paths.get(System.getProperty("user.dir"), "iotdb-subscription").toString()String: consumer 订阅出的 TsFile 文件临时存放的目录路径
fileSaveFsyncoptional: falseBoolean: consumer 订阅 TsFile 的过程中是否主动调用 fsync

4.3.1 SubscriptionPushConsumer

以下为 SubscriptionPushConsumer 中的特殊配置：

参数是否必填（默认值）参数含义
ackStrategyoptional: ACKStrategy.AFTER_CONSUME消费进度的确认机制包含以下选项：ACKStrategy.BEFORE_CONSUME（当 consumer 收到数据时立刻提交消费进度，onReceive 前）ACKStrategy.AFTER_CONSUME（当 consumer 消费完数据再去提交消费进度，onReceive 后）
consumeListeneroptional消费数据的回调函数，需实现 ConsumeListener 接口，定义消费 SessionDataSetsHandler 和 TsFileHandler 形式数据的处理逻辑
autoPollIntervalMsoptional: 5000 (min: 500)Long: consumer 自动拉取数据的时间间隔，单位为毫秒
autoPollTimeoutMsoptional: 10000 (min: 1000)Long: consumer 每次拉取数据的超时时间，单位为毫秒

其中，ConsumerListener 接口定义如下：

@FunctionInterface
interface ConsumeListener {
  default ConsumeResult onReceive(Message message) {
    return ConsumeResult.SUCCESS;
  }
}

enum ConsumeResult {
  SUCCESS,
  FAILURE,
}

4.3.2 SubscriptionPullConsumer

以下为 SubscriptionPullConsumer 中的特殊配置：

参数是否必填（默认值）参数含义
autoCommitoptional: trueBoolean: 是否自动提交消费进度如果此参数设置为 false，则需要调用 commit 方法来手动提交消费进度
autoCommitIntervaloptional: 5000 (min: 500)Long: 自动提交消费进度的时间间隔，单位为毫秒仅当 autoCommit 参数为 true 的时候才会生效

在创建 consumer 后，需要手动调用 consumer 的 open 方法：

void open() throws Exception;

此时，IoTDB 订阅客户端才会校验 consumer 的配置正确性，在校验成功后 consumer 就会加入对应的 consumer group。也就是说，在打开 consumer 后，才可以使用返回的 consumer 对象进行订阅 Topic，消费数据等操作。

4.4 订阅 Topic

SubscriptionPushConsumer 和 SubscriptionPullConsumer 提供了下述 JAVA 原生接口用于订阅 Topics:

// 订阅 topics
void subscribe(String topic) throws Exception;
void subscribe(List<String> topics) throws Exception;
  • 在 consumer 订阅 topic 前，topic 必须已经被创建，否则订阅会失败
  • 一个 consumer 在已经订阅了某个 topic 的情况下再次订阅这个 topic，不会报错
  • 如果该 consumer 所在的 consumer group 中已经有 consumers 订阅了相同的 topics，那么该 consumer 将会复用对应的消费进度

4.5 消费数据

无论是 push 模式还是 pull 模式的 consumer：

  • 只有显式订阅了某个 topic，才会收到对应 topic 的数据
  • 若在创建后没有订阅任何 topics，此时该 consumer 无法消费到任何数据，即使该 consumer 所在的 consumer group 中其它的 consumers 订阅了一些 topics

4.5.1 SubscriptionPushConsumer

SubscriptionPushConsumer 在订阅 topics 后，无需手动拉取数据，其消费数据的逻辑在创建 SubscriptionPushConsumer 指定的 consumeListener 配置中。

4.5.2 SubscriptionPullConsumer

SubscriptionPullConsumer 在订阅 topics 后，需要主动调用 poll 方法拉取数据：

List<SubscriptionMessage> poll(final Duration timeout) throws Exception;
List<SubscriptionMessage> poll(final long timeoutMs) throws Exception;
List<SubscriptionMessage> poll(final Set<String> topicNames, final Duration timeout) throws Exception;
List<SubscriptionMessage> poll(final Set<String> topicNames, final long timeoutMs) throws Exception;

在 poll 方法中可以指定需要拉取的 topic 名称（如果不指定则默认拉取该 consumer 已订阅的所有 topics）和超时时间。

当 SubscriptionPullConsumer 配置 autoCommit 参数为 false 时，需要手动调用 commitSync 和 commitAsync 方法同步或异步提交某批数据的消费进度：

void commitSync(final SubscriptionMessage message) throws Exception;
void commitSync(final Iterable<SubscriptionMessage> messages) throws Exception;

CompletableFuture<Void> commitAsync(final SubscriptionMessage message);
CompletableFuture<Void> commitAsync(final Iterable<SubscriptionMessage> messages);
void commitAsync(final SubscriptionMessage message, final AsyncCommitCallback callback);
void commitAsync(final Iterable<SubscriptionMessage> messages, final AsyncCommitCallback callback);

AsyncCommitCallback 类定义如下：

public interface AsyncCommitCallback {
  default void onComplete() {
    // Do nothing
  }

  default void onFailure(final Throwable e) {
    // Do nothing
  }
}

4.6 取消订阅

SubscriptionPushConsumer 和 SubscriptionPullConsumer 提供了下述 JAVA 原生接口用于取消订阅并关闭 consumer:

// 取消订阅 topics
void unsubscribe(String topic) throws Exception;
void unsubscribe(List<String> topics) throws Exception;

// 关闭 consumer
void close();
  • 在 topic 存在的情况下，如果一个 consumer 在没有订阅了某个 topic 的情况下取消订阅某个 topic，不会报错
  • consumer close 时会退出对应的 consumer group，同时自动 unsubscribe 该 consumer 现存订阅的所有 topics
  • consumer 在 close 后生命周期即结束，无法再重新 open 订阅并消费数据

4.7 代码示例

4.7.1 单 Pull Consumer 消费 SessionDataSetsHandler 形式的数据

// Create topics
try (final SubscriptionSession session = new SubscriptionSession(HOST, PORT)) {
  session.open();
  final Properties config = new Properties();
  config.put(TopicConstant.PATH_KEY, "root.db.**");
  session.createTopic(TOPIC_1, config);
}

// Subscription: property-style ctor
final Properties config = new Properties();
config.put(ConsumerConstant.CONSUMER_ID_KEY, "c1");
config.put(ConsumerConstant.CONSUMER_GROUP_ID_KEY, "cg1");

final SubscriptionPullConsumer consumer1 = new SubscriptionPullConsumer(config);
consumer1.open();
consumer1.subscribe(TOPIC_1);
while (true) {
  LockSupport.parkNanos(SLEEP_NS); // wait some time
  final List<SubscriptionMessage> messages = consumer1.poll(POLL_TIMEOUT_MS);
  for (final SubscriptionMessage message : messages) {
    for (final SubscriptionSessionDataSet dataSet : message.getSessionDataSetsHandler()) {
      System.out.println(dataSet.getColumnNames());
      System.out.println(dataSet.getColumnTypes());
      while (dataSet.hasNext()) {
        System.out.println(dataSet.next());
      }
    }
  }
  // Auto commit
}

// Show topics and subscriptions
try (final SubscriptionSession session = new SubscriptionSession(HOST, PORT)) {
  session.open();
  session.getTopics().forEach((System.out::println));
  session.getSubscriptions().forEach((System.out::println));
}

consumer1.unsubscribe(TOPIC_1);
consumer1.close();

4.7.2 多 Push Consumer 消费 TsFileHandler 形式的数据

// Create topics
try (final SubscriptionSession subscriptionSession = new SubscriptionSession(HOST, PORT)) {
  subscriptionSession.open();
  final Properties config = new Properties();
  config.put(TopicConstant.FORMAT_KEY, TopicConstant.FORMAT_TS_FILE_HANDLER_VALUE);
  subscriptionSession.createTopic(TOPIC_2, config);
}

final List<Thread> threads = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 8; ++i) {
  final int idx = i;
  final Thread thread =
      new Thread(
          () -> {
            // Subscription: builder-style ctor
            try (final SubscriptionPushConsumer consumer2 =
                new SubscriptionPushConsumer.Builder()
                    .consumerId("c" + idx)
                    .consumerGroupId("cg2")
                    .fileSaveDir(System.getProperty("java.io.tmpdir"))
                    .ackStrategy(AckStrategy.AFTER_CONSUME)
                    .consumeListener(
                        message -> {
                          doSomething(message.getTsFileHandler());
                          return ConsumeResult.SUCCESS;
                        })
                    .buildPushConsumer()) {
              consumer2.open();
              consumer2.subscribe(TOPIC_2);
            } catch (final IOException e) {
              throw new RuntimeException(e);
            }
          });
  thread.start();
  threads.add(thread);
}

for (final Thread thread : threads) {
  thread.join();
}

5. 常见问题

5.1 IoTDB 数据订阅与 Kafka 的区别是什么？

  1. 消费有序性
  • Kafka 保证消息在单个 partition 内是有序的，当某个 topic 仅对应一个 partition 且只有一个 consumer 订阅了这个 topic，即可保证该 consumer（单线程） 消费该 topic 数据的顺序即为数据写入的顺序。
  • IoTDB 订阅客户端不保证 consumer 消费数据的顺序即为数据写入的顺序，但会尽量反映数据写入的顺序。
  1. 消息送达语义
  • Kafka 可以通过配置实现 Producer 和 Consumer 的 Exactly once 语义。
  • IoTDB 订阅客户端目前无法提供 Consumer 的 Exactly once 语义。
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