Orleans

Criando uma aplicação distribuída com ASP.NET Core e o Microsoft Orleans

Este é mais um artigo de uma série sobre o Microsoft Orleans. Caso não tenha visto o primeiro, recomendo que o leia: Conhecendo o Microsoft Orleans.

Como dito no artigo passado, o Orleans está na segunda versão e uma das novidades dela é o suporte ao .NET Standard 2.0, desta forma, como o título indica, a aplicação demonstrada aqui utilizará este framework.

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Estrutura da solução

Antes de colocarmos a mão na massa, é importante entender como funciona a solução do Orleans. Esta biblioteca recomenda que um projeto que a implemente seja estruturado com no mínimo quatro projetos:

  • OrleansHost: Este projeto irá criar um executável que iniciará os silos, os hosts do Orleans que conterá as instâncias dos grãos. É possível iniciar vários silos, que irão trabalhar em conjunto e compartilhar a carga.

  • GrainsInterfaces: Este projeto contém as interfaces que definem todos os grãos contido nos silos.

  • Grains: Este projeto contém a implementação de todos os grãos definidos em GrainsInterfaces. Por isso, ele é implementado em conjunto com o OrleansHost.

  • Inteface: Este projeto pode ser qualquer projeto de interface, mas geralmente trata-se de API. Ele irá se conectar ao OrleansHost, por TCP, para ter acesso aos grãos.

Durante o desenvolvimento, o projeto interface e o OrleansHost podem ser executados em conjunto na mesma máquina. Mas em produção, geralmente eles são executados separadamente. O OrleansHost é implementado em um cluster e a interface em um servidor web.

Neste artigo, a solução será feita em uma máquina Mac OSX, utilizando a versão 2.1.4, em conjunto com o Visual Studio Code, pois amo este ambiente. Mas o Orleans fornece um plugin de templates para o Visual Studio, que facilita a criação de projetos com esta biblioteca. Desta forma, caso esteja utilizando esta IDE recomendo que instale este plugin.

Criando o projeto GrainsInterfaces

Como o projeto Grains necessita do GrainsInterfaces e o OrleansHost fará uso do Grains, o primeiro projeto que precisa ser criado é o GrainsInterfaces.

Caso esteja utilizando o Visual Studio com o plugin do Orleans instalado, crie um projeto com base no template “Orleans Grain Interface Collection. No meu ambiente, incialmente irei criar uma pasta chamada OrleansDotNet, e dentro dela uma solução:

dotnet new sln -n OrleansDotNet

Em seguida, um projeto Class Library:

dotnet new classlib -n GraosInterfaces

Neste projeto adicione a biblioteca Microsoft.Orleans.OrleansCodeGenerator.Build:

dotnet add package Microsoft.Orleans.OrleansCodeGenerator.Build

E adicione nele a interface abaixo:

using System;
using Orleans;
using System.Threading.Tasks;

namespace OrleansDotNet.GraosInterfaces
{
    public interface IGraoContador: IGrainWithStringKey
    {
        Task Incremento(int incremento);
        Task<int> GetContador();
    }
}

As interfaces grãos devem definir a implementação de uma das interfaces “GrainWith*” do Orleans e definir métodos que retornem uma Task, para métodos void, ou Task, caso o método retorne algum valor.

A interface implementada acima, IGrainWithStringKey, é utilizada para indicar que o código de identificação do grão será definido com uma string. Infelizmente a documentação do Orleans ainda não documenta bem todas as interfaces disponíveis, mas em um artigo futuro abordo todas.

Criando o projeto Grains

Com a interface definida podemos implementá-la um um projeto Grains. Caso esteja utilizando o Visual Studio, crie um projeto com o template Orleans Grain Class Collection. No meu ambiente, irei criar um projeto Class Library chamado Graos:

dotnet new classlib -n Graos

E este projeto também precisa da referência abaixo:

dotnet add package Microsoft.Orleans.OrleansCodeGenerator.Build

Em seguida, referencie o projeto de interface:

dotnet add Graos.csproj reference ../GraosInterfaces/GraosInterfaces.csproj

Agora podemos implementar o nosso grão:

using System;
using Orleans;
using System.Threading.Tasks;
using OrleansDotNet.GraosInterfaces;

namespace OrleansDotNet.Graos
{
    public class GraoContador: Grain, IGraoContador
    {
        private int _contador;

        public Task Incremento(int incremento)
        {
            _contador += incremento;
            return Task.CompletedTask;
        }

        public Task<int> GetContador()
        {
            return Task.FromResult(_contador);
        }
    }
}

Esta classe não tem segredo, o importante é implementar a nossa interface grão e herdar a classe Grain. Dentro dela é definido um contador simples.

Criando o projeto OrleansHost

Com o grão definido, podemos definir o nosso silo (host). Caso esteja utilizando o Visual Studio, crie um projeto com base no template “Orleans Dev/Test Host“.

No meu ambiente irei criar uma aplicação console chamada Silo:

dotnet new console -n Silo

Nele adicione adicione uma referência para a biblioteca Microsoft.Orleans.Server:

dotnet add package Microsoft.Orleans.Server

Como iremos registrar o log do silo do console, adicione a referencia abaixo:

dotnet add package Microsoft.Extensions.Logging.Console

Por fim, adicione a referencia do projeto Graos:

dotnet add Silo.csproj reference ../Graos/Graos.csproj

E na classe Program adicione o código abaixo:

using System;
using Orleans;
using Orleans.Runtime.Configuration;
using Orleans.Hosting;
using Orleans.Configuration;
using System.Threading.Tasks;
using OrleansDotNet.Graos;
using Microsoft.Extensions.Logging;
using System.Runtime.Loader;
using System.Threading;
using System.Net;

namespace OrleansDotNet.Silo
{
    class Program
    {
        private static ISiloHost silo;
        private static readonly ManualResetEvent siloStopped = new ManualResetEvent(false);

        static void Main(string[] args)
        {

            silo = new SiloHostBuilder()
                .UseLocalhostClustering()
                .Configure<ClusterOptions>(options =>
                {
                    options.ClusterId = "OrleansDotNet-cluster";
                    options.ServiceId = "OrleansDotNet";
                })
                .Configure<EndpointOptions>(options => options.AdvertisedIPAddress = IPAddress.Loopback)
                .ConfigureApplicationParts(parts => parts.AddApplicationPart(typeof(GraoContador).Assembly).WithReferences())
                .ConfigureLogging(logging => logging.AddConsole())
                .Build();

            Task.Run(StartSilo);

            AssemblyLoadContext.Default.Unloading += context =>
            {
                Task.Run(StopSilo);
                siloStopped.WaitOne();
            };

            siloStopped.WaitOne();

        }

        private static async Task StartSilo()
        {
            await silo.StartAsync();
            Console.WriteLine("Silo iniciado");
        }

        private static async Task StopSilo()
        {
            await silo.StopAsync();
            Console.WriteLine("Silo parado");
            siloStopped.Set();
        }
    }
}

Nesta classe, estamos definindo que o Silo irá utilizar as configurações de um cluster local (UseLocalhostClustering()), também é definido as identificações do cluster, bem com o seu IP (Configure()). Por fim, se define o grão que será adicionado ao silo e onde o seu log deve ser exibido.

Com o silo definido, ele é iniciado. Ele só irá parar em caso de algum erro ou quando o usuário forçar a sua parada.

Criando o projeto Interface

Com o Silo definido podemos criar a nossa aplicação interface. Neste projeto vou criar uma aplicação WebAPI chamada InterfaceAPI:

dotnet new webapi -n InterfaceApi

Aproveite e já vincule os projetos a solução:

dotnet sln OrleansDotNet.sln add **/*.csproj

Na api é necessário adicionar a referência Microsoft.Orleans.Client:

dotnet add package Microsoft.Orleans.Client

E referenciar o projeto GraosInterfaces:

dotnet add InterfaceApi.csproj reference ../GraosInterfaces/GraosInterfaces.csproj

Para trabalhar com “dependency injection“, vamos configurar o cliente do Orleans na classe Startup conforme o código abaixo:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Threading.Tasks;
using Microsoft.AspNetCore.Builder;
using Microsoft.AspNetCore.Hosting;
using Microsoft.Extensions.Configuration;
using Microsoft.Extensions.DependencyInjection;
using Microsoft.Extensions.Logging;
using Microsoft.Extensions.Options;
using Orleans;
using Orleans.Runtime.Configuration;
using Orleans.Hosting;
using System.Net;
using Orleans.Configuration;
using OrleansDotNet.GraosInterfaces;

namespace InterfaceApi
{
    public class Startup
    {
        public Startup(IConfiguration configuration)
        {
            Configuration = configuration;
        }

        public IConfiguration Configuration { get; }

        // This method gets called by the runtime. Use this method to add services to the container.
        public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
        {
            services.AddMvc();

            services.AddSingleton<IClusterClient>(provider =>
            {
                var client = new ClientBuilder()
                            .UseLocalhostClustering()
                            .Configure<ClusterOptions>(options =>
                            {
                                options.ClusterId = "OrleansDotNet-cluster";
                                options.ServiceId = "OrleansDotNet";
                            })
                            .ConfigureApplicationParts(parts => parts.AddApplicationPart(typeof(IGraoContador).Assembly).WithReferences())
                            .ConfigureLogging(logging => logging.AddConsole())
                            .Build();

                StartClientWithRetries(client).Wait();

                return client;
            });
        }

        private static async Task StartClientWithRetries(IClusterClient client)
        {
            for (var i=0; i<5; i++)
            {
                try
                {
                    await client.Connect();
                    return;
                }
                catch(Exception)
                { }
                await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(5));
            }
        }

        // This method gets called by the runtime. Use this method to configure the HTTP request pipeline.
        public void Configure(IApplicationBuilder app, Microsoft.AspNetCore.Hosting.IHostingEnvironment env)
        {
            if (env.IsDevelopment())
            {
                app.UseDeveloperExceptionPage();
            }

            app.UseMvc();
            app.UseStaticFiles();
        }
    }
}

Note que a configuração do cliente é parecida com o do host:

var client = new ClientBuilder()
            .UseLocalhostClustering()
            .Configure<ClusterOptions>(options =>
            {
                options.ClusterId = "OrleansDotNet-cluster";
                options.ServiceId = "OrleansDotNet";
            })
            .ConfigureApplicationParts(parts => parts.AddApplicationPart(typeof(IGraoContador).Assembly).WithReferences())
            .ConfigureLogging(logging => logging.AddConsole())
            .Build();

As diferenças é que agora estamos utilizando a classe ClientBuilder e se adiciona a interface IGraoContador (em detrimento a GraoContador definida no host.

Nesta classe também foi definido o método StartClientWithRetries que tenta se conectar ao host 5 vezes antes de desistir. Quando a conexão for obtida, o objeto client é retornado.

Este cliente será obtido no controller, conforme o código abaixo:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Threading.Tasks;
using Microsoft.AspNetCore.Mvc;
using Orleans;
using OrleansDotNet.GraosInterfaces;

namespace InterfaceApi.Controllers
{
    [Route("api/[controller]")]
    public class ContadorController : Controller
    {
        private IClusterClient client;

        public ContadorController(IClusterClient client){
            this.client = client;
        }

        [HttpGet]
        public async Task<int> Get()
        {
            var contador = client.GetGrain<IGraoContador>("TW-1");

            return await contador.GetContador();
        }


        [HttpPost]
        public async Task Post()
        {
            var contador = client.GetGrain<IGraoContador>("TW-1");
            await contador.Incremento(1);
        }
    }
}

Para obter o grão, utilizamos o método GetGrain. A este método deve ser passado a chave do grão:

var contador = client.GetGrain<IGraoContador>("TW-1");

Como definimos que a chave dele será uma string, acima estou passando uma string arbitrária. A partir da instância obtida os métodos do grão são chamados, como o GetContador():

return await contador.GetContador();

Com isso, nós estamos obtendo informações do nosso grão contido no silo.

Para finalizar, criei dentro da pasta wwwroot um arquivo HTML, onde os métodos da api são chamados:

<!doctype html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="utf-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1, shrink-to-fit=no">

    <link rel="stylesheet" href="https://maxcdn.bootstrapcdn.com/bootstrap/4.0.0/css/bootstrap.min.css" integrity="sha384-Gn5384xqQ1aoWXA+058RXPxPg6fy4IWvTNh0E263XmFcJlSAwiGgFAW/dAiS6JXm" crossorigin="anonymous">


    <title>Exemplo de Orleans, no ASP.NET Core *.*</title>
</head>
<body>
    <div class="container">
        <div class="card">
            <div class="card-body">
                Contador: <spam id="countValor">0</spam>

                <button id="btnIncrement" class="btn-primary">Incrementar</button>
            </div>
        </div>


    </div>


    <!-- JavaScript -->
    <script src="https://code.jquery.com/jquery-3.1.0.min.js"></script>
    <script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/popper.js/1.12.9/umd/popper.min.js" integrity="sha384-ApNbgh9B+Y1QKtv3Rn7W3mgPxhU9K/ScQsAP7hUibX39j7fakFPskvXusvfa0b4Q" crossorigin="anonymous"></script>
    <script src="https://maxcdn.bootstrapcdn.com/bootstrap/4.0.0/js/bootstrap.min.js" integrity="sha384-JZR6Spejh4U02d8jOt6vLEHfe/JQGiRRSQQxSfFWpi1MquVdAyjUar5+76PVCmYl" crossorigin="anonymous"></script>

    <script type="text/javascript">
        $(document).ready(function () {
            $.get("api/contador/", function (value) {
                console.log('GET contador=' + value);

                $('#countValor').html(value);
            });

            $('#btnIncrement').click(function () {
                $.post("api/contador/", function () {
                    $.get("api/contador/", function (value) {
                        console.log('GET contador=' + value);

                        $('#countValor').html(value);
                    });
                });
                return false;
            });
        });
    </script>
</body>
</html>

Pronto, a nossa aplicação está finalizada. Para testá-la, primeiro é necessário iniciar o Silo:

Em seguida a aplicação web:

No navegador teremos o resultado abaixo:

Ao clicar em “Incrementar“, veremos o valor do contador ser incrementado:

Conclusão

Este é um exemplo simples, porém funcional, que nos dá uma noção do poder do Orleans. Em artigos futuros mostrarei mais detalhes dele.

Caso queria executar a aplicação demostrada aqui no curso, você pode vê-la aqui no GitHub.

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Conhecendo o Microsoft Orleans

Quando a Microsoft anunciou que o .NET seria aberto à comunidade em 2015, ela abriu várias bibliotecas, entre elas há o Microsoft Orleans, que é o tema deste artigo.

Este é o primeiro artigo sobre este framework, onde conheceremos a sua estrutura. No próximo artigo o utilizaremos em uma aplicação.

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O que é o Microsoft Orleans?

O Orleans é um framework que permite a criação de aplicações distribuídas e escalares de forma simples e direta. Sem a necessidade de aprender ou se preocupar com as complexidades de concorrência ou escalabilidade.

Atualmente na versão 2.0, este framework é utilizado por várias equipes da Microsoft, mas principalmente na área de games, onde foi utilizado para implementar os recursos de cloud de jogos como Halo 4 e 5 e Guild Wars 2.

O problema camada intermediária

Aplicações, ou serviços “cloud”, são inerentemente paralelas e distribuídas. Elas também são interativas e dinâmicas; frequentemente requerendo interação em tempo real com outras entidades.

Caso esses aplicativos tenham uma grande demanda, a sua cria criação pode ser bem complexa. Criar uma aplicação com este comportamento de forma otimizada, demanda um grande nível de conhecimento dos programadores e várias interações entre as equipes de design e arquitetura.

Atualmente, a criação de uma aplicação escalável é feita como uma composição de camadas “stateless“, onde a lógica de negócio é centrada em uma camada intermediária:

Por mais que seja possível escalar esta camada intermediária, será necessário se preocupar com o banco de dados. Pois a aplicação terá que manter os dados da camada intermediária sincronizados. Caso acesse muito o banco de dados para fazer isso, a performance do banco pode ser um gargalo para a aplicação.

Caso mantenha muitos dados na memória, durante uma atualização, os dados em algumas instâncias desta camada podem ficar defasados. Além de adicionar possíveis problemas de cache.

Orleans na camada intermediária

Orleans procura resolver os problemas que vimos acima com os seus atores virtuais. Ele permite, de maneira intuitiva, a criação de várias entidades de domínio – atores virtuais, que aparentam ser objetos .NET de várias aplicações distribuídas e insoladas dentro de um cluster (silo):

Essas entidades de domínio são chamadas pelo Orleans de grãos (grains) e trata-se de classes .NET simples, que implementam um ou mais interfaces da biblioteca, que as definem como uma classe “grão”.

Grãos individuais são instâncias de classes “grãos” definidas pela aplicação, que são criadas automaticamente pelo Orleans em tempo de execução, conforme as solicitações. Esses grãos podem ser qualquer tipo de entidade, como: pessoa, pedido, cliente, etc; só é requerido que ele tenha um código de identificação, que pode ser definido, como: um e-mail, um código ou uma identificação do banco. O Orleans garante que cada grão será executado em uma thread separada, que o protegerá de problemas de concorrência ou conflito.

No mundo dos microservices, Orleans é utilizado como uma estrutura para implementar um microservice que pode ser implementado e gerenciado por uma solução de microservice escolhida pelo desenvolvedor.

Grãos e silos

Um grão pode persistir seu estado na memória ou no banco ou em uma combinação de ambos. Dentro do silo – que é o nome dado para o servidor criado pelo Orleans ao executar a aplicação – um grão pode chamar qualquer outro grão ou pode ser chamado pelo cliente (frontend) utilizando apenas o seu identificador, sem a necessidade de criar ou instanciá-lo.

Não importando onde esteja salvo o estado do grão, o framework fará parecer que ele esteve o tempo todo em memória. Mas na realidade, caso um grão fique muito tempo inativo, ele é removido da memória e seu estado é salvo no banco.

Todo este ciclo é transparente para o código, o que libera o programador de se preocupar com esses detalhes.

Outra vantagem deste comportamento é que o Orleans consegue lidar com uma falha de forma automática. Ao notar que um nó falou, ele reinstala nos demais nós os dados presentes no nó que falhou.

Todos esses detalhes podem parecer complexos em um primeiro momento. No próximo artigo, quando codificaremos uma aplicação simples, eles ficarão mais claros.

Até lá.

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