面试题：Python进程应用于分布式系统的架构设计

Question

你要基于Python进程设计一个简单的分布式文件处理系统，该系统需要处理海量文件的读取、分析和存储。请阐述系统的整体架构，包括进程的角色和分工，进程间如何进行协作和通信，以及如何确保系统的可靠性和可扩展性，并且要考虑到网络故障、节点失效等异常情况的处理机制。

Answer 1

整体架构

1. 主进程（Master Process）：
   • 角色：负责整个分布式文件处理系统的调度和管理。
   • 分工：接收处理任务请求，将任务分解为子任务，并分配给合适的工作进程。维护系统中各个工作进程的状态信息，监控工作进程的健康状况。管理文件元数据，记录文件的存储位置、处理进度等信息。
2. 工作进程（Worker Process）：
   • 角色：具体执行文件的读取、分析和存储任务。
   • 分工：从主进程接收子任务，根据任务要求读取相应文件。对读取的文件进行分析处理，例如文本文件的词频统计、图像文件的特征提取等。将处理结果存储到指定位置，可能是本地存储或者分布式存储系统。

进程间协作与通信

1. 任务分配通信：主进程通过消息队列（如Queue模块）将子任务发送给工作进程。工作进程从消息队列中获取任务进行处理。
2. 状态反馈通信：工作进程完成任务后，通过消息队列向主进程发送任务完成的状态信息，包括任务执行结果、处理时间等。主进程也可以定期询问工作进程的状态，工作进程及时回复。
3. 心跳机制：工作进程定期向主进程发送心跳消息，告知主进程自己处于正常运行状态。主进程通过监听心跳消息来判断工作进程是否失效。

可靠性保证

1. 任务重试机制：如果主进程在一定时间内没有收到工作进程的任务完成反馈，认为任务处理失败，将该任务重新分配给其他工作进程或者原工作进程（如果判断为临时性故障）进行重试。
2. 数据备份：对于重要的文件和处理结果，采用多副本存储的方式，确保在某个节点失效时数据不会丢失。可以使用分布式存储系统（如Ceph）来实现数据的冗余存储。
3. 日志记录：每个进程记录详细的日志信息，包括任务处理过程、错误信息等。日志可以用于故障排查和系统恢复。

可扩展性

1. 动态添加工作进程：系统可以根据任务负载情况动态添加新的工作进程。主进程能够自动发现新加入的工作进程，并将任务分配给它们。
2. 负载均衡：主进程采用负载均衡算法（如轮询、加权轮询等）将任务均匀分配给各个工作进程，避免某个工作进程负载过高。
3. 模块化设计：系统采用模块化设计，各个进程的功能相对独立，便于在需要时对特定功能进行扩展或优化。

异常情况处理机制

1. 网络故障：
   • 检测：通过心跳机制和任务通信的超时设置来检测网络故障。如果工作进程的心跳消息长时间未到达主进程，或者任务在规定时间内未完成且没有反馈，可能存在网络故障。
   • 处理：主进程暂时标记出现网络故障的工作进程为不可用，不再向其分配新任务。对于正在处理的任务，如果任务进度可以记录，等待网络恢复后继续处理；否则重新分配任务。
2. 节点失效：
   • 检测：除了心跳机制外，当工作进程突然崩溃或无法响应主进程的请求时，主进程判断该节点失效。
   • 处理：主进程将失效节点上未完成的任务重新分配给其他正常工作进程。同时，更新系统状态信息，标记该节点不可用，并通知管理员进行处理。对于存储在失效节点上的数据，如果有副本，从其他副本获取；如果没有副本，根据数据恢复策略进行恢复（如从备份存储中恢复）。