[SPARK-2468] Netty based block server / client module

This is a rewrite of the original Netty module that was added about 1.5 years ago. The old code was turned off by default and didn't really work because it lacked a frame decoder (only worked with very very small blocks).

For this pull request, I tried to make the changes non-instrusive to the rest of Spark. I only added an init and shutdown to BlockManager/DiskBlockManager, and a bunch of comments to help me understand the existing code base.

Compared with the old Netty module, this one features:
- It appears to work :)
- SPARK-2941: option to specicy nio vs oio vs epoll for channel/transport. By default nio is used. (Not using Epoll yet because I have found some bugs with its implementation)
- SPARK-2943: options to specify send buf and receive buf for users who want to do hyper tuning
- SPARK-2942: io errors are reported from server to client (the protocol uses negative length to indicate error)
- SPARK-2940: fetching multiple blocks in a single request to reduce syscalls
- SPARK-2959: clients share a single thread pool
- SPARK-2990: use PooledByteBufAllocator to reduce GC (basically a Netty managed pool of buffers with jmalloc)
- SPARK-2625: added fetchWaitTime metric and fixed thread-safety issue in metrics update.
- SPARK-2367: bump Netty version to 4.0.21.Final to address an Epoll bug (https://groups.google.com/forum/#!topic/netty/O7m-HxCJpCA)

Compared with the existing communication manager, this one features:
- IMO it is substantially easier to understand
- zero-copy send for the server for on-disk blocks
- one-copy receive (due to a frame decoder)
- don't quote me on this, but I think a lot less sys calls
- SPARK-2990: use PooledByteBufAllocator to reduce GC (basically a Netty managed pool of buffers with jmalloc)
- SPARK-2941: option to specicy nio vs oio vs epoll for channel/transport. By default nio is used. (Not using Epoll yet because I have found some bugs with its implementation)
- SPARK-2943: options to specify send buf and receive buf for users who want to do hyper tuning

TODOs before it can fully replace the existing ConnectionManager, if that ever happens (most of them should probably be done in separate PRs since this needs to be turned on explicitly)
- [x] Basic test cases
- [ ] More unit/integration tests for failures
- [ ] Performance analysis
- [ ] Support client connection reuse so we don't need to keep opening new connections (not sure how useful this would be)
- [ ] Support putting blocks in addition to fetching blocks (i.e. two way transfer)
- [x] Support serving non-disk blocks
- [ ] Support SASL authentication

For a more comprehensive list, see https://issues.apache.org/jira/browse/SPARK-2468

Thanks to @coderplay for peer coding with me on a Sunday.

Author: Reynold Xin <rxin@apache.org>

Closes #1907 from rxin/netty and squashes the following commits:

f921421 [Reynold Xin] Upgrade Netty to 4.0.22.Final to fix another Epoll bug.
4b174ca [Reynold Xin] Shivaram's code review comment.
4a3dfe7 [Reynold Xin] Switched to nio for default (instead of epoll on Linux).
56bfb9d [Reynold Xin] Bump Netty version to 4.0.21.Final for some bug fixes.
b443a4b [Reynold Xin] Added debug message to help debug Jenkins failures.
57fc4d7 [Reynold Xin] Added test cases for BlockHeaderEncoder and BlockFetchingClientHandlerSuite.
22623e9 [Reynold Xin] Added exception handling and test case for BlockServerHandler and BlockFetchingClientHandler.
6550dd7 [Reynold Xin] Fixed block mgr init bug.
60c2edf [Reynold Xin] Beefed up server/client integration tests.
38d88d5 [Reynold Xin] Added missing test files.
6ce3f3c [Reynold Xin] Added some basic test cases.
47f7ce0 [Reynold Xin] Created server and client packages and moved files there.
b16f412 [Reynold Xin] Added commit count.
f13022d [Reynold Xin] Remove unused clone() in BlockFetcherIterator.
c57d68c [Reynold Xin] Added back missing files.
842dfa7 [Reynold Xin] Made everything work with proper reference counting.
3fae001 [Reynold Xin] Connected the new netty network module with rest of Spark.
1a8f6d4 [Reynold Xin] Completed protocol documentation.
2951478 [Reynold Xin] New Netty implementation.
cc7843d [Reynold Xin] Basic skeleton.

5 files changed, 1789 insertions, 0 deletions

diff --git a/core/src/test/resources/netty-test-file.txt b/core/src/test/resources/netty-test-file.txt
new file mode 100644
index 0000000000..f59f293ee0
--- /dev/null
+++ b/core/src/test/resources/netty-test-file.txt
@@ -0,0 +1,1379 @@
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diff --git a/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/ServerClientIntegrationSuite.scala b/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/ServerClientIntegrationSuite.scala
new file mode 100644
index 0000000000..ef3478a41e
--- /dev/null
+++ b/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/ServerClientIntegrationSuite.scala
@@ -0,0 +1,158 @@
+/*
+ * Licensed to the Apache Software Foundation (ASF) under one or more
+ * contributor license agreements.  See the NOTICE file distributed with
+ * this work for additional information regarding copyright ownership.
+ * The ASF licenses this file to You under the Apache License, Version 2.0
+ * (the "License"); you may not use this file except in compliance with
+ * the License.  You may obtain a copy of the License at
+ *
+ *    http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
+ *
+ * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
+ * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
+ * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
+ * See the License for the specific language governing permissions and
+ * limitations under the License.
+ */
+
+package org.apache.spark.network.netty
+
+import java.io.{RandomAccessFile, File}
+import java.nio.ByteBuffer
+import java.util.{Collections, HashSet}
+import java.util.concurrent.{TimeUnit, Semaphore}
+
+import scala.collection.JavaConversions._
+
+import io.netty.buffer.{ByteBufUtil, Unpooled}
+
+import org.scalatest.{BeforeAndAfterAll, FunSuite}
+
+import org.apache.spark.SparkConf
+import org.apache.spark.network.netty.client.{ReferenceCountedBuffer, BlockFetchingClientFactory}
+import org.apache.spark.network.netty.server.BlockServer
+import org.apache.spark.storage.{FileSegment, BlockDataProvider}
+
+
+/**
+ * Test suite that makes sure the server and the client implementations share the same protocol.
+ */
+class ServerClientIntegrationSuite extends FunSuite with BeforeAndAfterAll {
+
+  val bufSize = 100000
+  var buf: ByteBuffer = _
+  var testFile: File = _
+  var server: BlockServer = _
+  var clientFactory: BlockFetchingClientFactory = _
+
+  val bufferBlockId = "buffer_block"
+  val fileBlockId = "file_block"
+
+  val fileContent = new Array[Byte](1024)
+  scala.util.Random.nextBytes(fileContent)
+
+  override def beforeAll() = {
+    buf = ByteBuffer.allocate(bufSize)
+    for (i <- 1 to bufSize) {
+      buf.put(i.toByte)
+    }
+    buf.flip()
+
+    testFile = File.createTempFile("netty-test-file", "txt")
+    val fp = new RandomAccessFile(testFile, "rw")
+    fp.write(fileContent)
+    fp.close()
+
+    server = new BlockServer(new SparkConf, new BlockDataProvider {
+      override def getBlockData(blockId: String): Either[FileSegment, ByteBuffer] = {
+        if (blockId == bufferBlockId) {
+          Right(buf)
+        } else if (blockId == fileBlockId) {
+          Left(new FileSegment(testFile, 10, testFile.length - 25))
+        } else {
+          throw new Exception("Unknown block id " + blockId)
+        }
+      }
+    })
+
+    clientFactory = new BlockFetchingClientFactory(new SparkConf)
+  }
+
+  override def afterAll() = {
+    server.stop()
+    clientFactory.stop()
+  }
+
+  /** A ByteBuf for buffer_block */
+  lazy val byteBufferBlockReference = Unpooled.wrappedBuffer(buf)
+
+  /** A ByteBuf for file_block */
+  lazy val fileBlockReference = Unpooled.wrappedBuffer(fileContent, 10, fileContent.length - 25)
+
+  def fetchBlocks(blockIds: Seq[String]): (Set[String], Set[ReferenceCountedBuffer], Set[String]) =
+  {
+    val client = clientFactory.createClient(server.hostName, server.port)
+    val sem = new Semaphore(0)
+    val receivedBlockIds = Collections.synchronizedSet(new HashSet[String])
+    val errorBlockIds = Collections.synchronizedSet(new HashSet[String])
+    val receivedBuffers = Collections.synchronizedSet(new HashSet[ReferenceCountedBuffer])
+
+    client.fetchBlocks(
+      blockIds,
+      (blockId, buf) => {
+        receivedBlockIds.add(blockId)
+        buf.retain()
+        receivedBuffers.add(buf)
+        sem.release()
+      },
+      (blockId, errorMsg) => {
+        errorBlockIds.add(blockId)
+        sem.release()
+      }
+    )
+    if (!sem.tryAcquire(blockIds.size, 30, TimeUnit.SECONDS)) {
+      fail("Timeout getting response from the server")
+    }
+    client.close()
+    (receivedBlockIds.toSet, receivedBuffers.toSet, errorBlockIds.toSet)
+  }
+
+  test("fetch a ByteBuffer block") {
+    val (blockIds, buffers, failBlockIds) = fetchBlocks(Seq(bufferBlockId))
+    assert(blockIds === Set(bufferBlockId))
+    assert(buffers.map(_.underlying) === Set(byteBufferBlockReference))
+    assert(failBlockIds.isEmpty)
+    buffers.foreach(_.release())
+  }
+
+  test("fetch a FileSegment block via zero-copy send") {
+    val (blockIds, buffers, failBlockIds) = fetchBlocks(Seq(fileBlockId))
+    assert(blockIds === Set(fileBlockId))
+    assert(buffers.map(_.underlying) === Set(fileBlockReference))
+    assert(failBlockIds.isEmpty)
+    buffers.foreach(_.release())
+  }
+
+  test("fetch a non-existent block") {
+    val (blockIds, buffers, failBlockIds) = fetchBlocks(Seq("random-block"))
+    assert(blockIds.isEmpty)
+    assert(buffers.isEmpty)
+    assert(failBlockIds === Set("random-block"))
+  }
+
+  test("fetch both ByteBuffer block and FileSegment block") {
+    val (blockIds, buffers, failBlockIds) = fetchBlocks(Seq(bufferBlockId, fileBlockId))
+    assert(blockIds === Set(bufferBlockId, fileBlockId))
+    assert(buffers.map(_.underlying) === Set(byteBufferBlockReference, fileBlockReference))
+    assert(failBlockIds.isEmpty)
+    buffers.foreach(_.release())
+  }
+
+  test("fetch both ByteBuffer block and a non-existent block") {
+    val (blockIds, buffers, failBlockIds) = fetchBlocks(Seq(bufferBlockId, "random-block"))
+    assert(blockIds === Set(bufferBlockId))
+    assert(buffers.map(_.underlying) === Set(byteBufferBlockReference))
+    assert(failBlockIds === Set("random-block"))
+    buffers.foreach(_.release())
+  }
+}
diff --git a/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/client/BlockFetchingClientHandlerSuite.scala b/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/client/BlockFetchingClientHandlerSuite.scala
new file mode 100644
index 0000000000..9afdad63b6
--- /dev/null
+++ b/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/client/BlockFetchingClientHandlerSuite.scala
@@ -0,0 +1,87 @@
+/*
+ * Licensed to the Apache Software Foundation (ASF) under one or more
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+ * the License.  You may obtain a copy of the License at
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+ *
+ * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
+ * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
+ * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
+ * See the License for the specific language governing permissions and
+ * limitations under the License.
+ */
+
+package org.apache.spark.network.netty.client
+
+import java.nio.ByteBuffer
+
+import io.netty.buffer.Unpooled
+import io.netty.channel.embedded.EmbeddedChannel
+
+import org.scalatest.FunSuite
+
+
+class BlockFetchingClientHandlerSuite extends FunSuite {
+
+  test("handling block data (successful fetch)") {
+    val blockId = "test_block"
+    val blockData = "blahblahblahblahblah"
+    val totalLength = 4 + blockId.length + blockData.length
+
+    var parsedBlockId: String = ""
+    var parsedBlockData: String = ""
+    val handler = new BlockFetchingClientHandler
+    handler.blockFetchSuccessCallback = (bid, refCntBuf) => {
+      parsedBlockId = bid
+      val bytes = new Array[Byte](refCntBuf.byteBuffer().remaining)
+      refCntBuf.byteBuffer().get(bytes)
+      parsedBlockData = new String(bytes)
+    }
+
+    val channel = new EmbeddedChannel(handler)
+    val buf = ByteBuffer.allocate(totalLength + 4)  // 4 bytes for the length field itself
+    buf.putInt(totalLength)
+    buf.putInt(blockId.length)
+    buf.put(blockId.getBytes)
+    buf.put(blockData.getBytes)
+    buf.flip()
+
+    channel.writeInbound(Unpooled.wrappedBuffer(buf))
+    assert(parsedBlockId === blockId)
+    assert(parsedBlockData === blockData)
+
+    channel.close()
+  }
+
+  test("handling error message (failed fetch)") {
+    val blockId = "test_block"
+    val errorMsg = "error erro5r error err4or error3 error6 error erro1r"
+    val totalLength = 4 + blockId.length + errorMsg.length
+
+    var parsedBlockId: String = ""
+    var parsedErrorMsg: String = ""
+    val handler = new BlockFetchingClientHandler
+    handler.blockFetchFailureCallback = (bid, msg) => {
+      parsedBlockId = bid
+      parsedErrorMsg = msg
+    }
+
+    val channel = new EmbeddedChannel(handler)
+    val buf = ByteBuffer.allocate(totalLength + 4)  // 4 bytes for the length field itself
+    buf.putInt(totalLength)
+    buf.putInt(-blockId.length)
+    buf.put(blockId.getBytes)
+    buf.put(errorMsg.getBytes)
+    buf.flip()
+
+    channel.writeInbound(Unpooled.wrappedBuffer(buf))
+    assert(parsedBlockId === blockId)
+    assert(parsedErrorMsg === errorMsg)
+
+    channel.close()
+  }
+}
diff --git a/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/server/BlockHeaderEncoderSuite.scala b/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/server/BlockHeaderEncoderSuite.scala
new file mode 100644
index 0000000000..3ee281cb13
--- /dev/null
+++ b/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/server/BlockHeaderEncoderSuite.scala
@@ -0,0 +1,64 @@
+/*
+ * Licensed to the Apache Software Foundation (ASF) under one or more
+ * contributor license agreements.  See the NOTICE file distributed with
+ * this work for additional information regarding copyright ownership.
+ * The ASF licenses this file to You under the Apache License, Version 2.0
+ * (the "License"); you may not use this file except in compliance with
+ * the License.  You may obtain a copy of the License at
+ *
+ *    http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
+ *
+ * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
+ * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
+ * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
+ * See the License for the specific language governing permissions and
+ * limitations under the License.
+ */
+
+package org.apache.spark.network.netty.server
+
+import io.netty.buffer.ByteBuf
+import io.netty.channel.embedded.EmbeddedChannel
+
+import org.scalatest.FunSuite
+
+
+class BlockHeaderEncoderSuite extends FunSuite {
+
+  test("encode normal block data") {
+    val blockId = "test_block"
+    val channel = new EmbeddedChannel(new BlockHeaderEncoder)
+    channel.writeOutbound(new BlockHeader(17, blockId, None))
+    val out = channel.readOutbound().asInstanceOf[ByteBuf]
+    assert(out.readInt() === 4 + blockId.length + 17)
+    assert(out.readInt() === blockId.length)
+
+    val blockIdBytes = new Array[Byte](blockId.length)
+    out.readBytes(blockIdBytes)
+    assert(new String(blockIdBytes) === blockId)
+    assert(out.readableBytes() === 0)
+
+    channel.close()
+  }
+
+  test("encode error message") {
+    val blockId = "error_block"
+    val errorMsg = "error encountered"
+    val channel = new EmbeddedChannel(new BlockHeaderEncoder)
+    channel.writeOutbound(new BlockHeader(17, blockId, Some(errorMsg)))
+    val out = channel.readOutbound().asInstanceOf[ByteBuf]
+    assert(out.readInt() === 4 + blockId.length + errorMsg.length)
+    assert(out.readInt() === -blockId.length)
+
+    val blockIdBytes = new Array[Byte](blockId.length)
+    out.readBytes(blockIdBytes)
+    assert(new String(blockIdBytes) === blockId)
+
+    val errorMsgBytes = new Array[Byte](errorMsg.length)
+    out.readBytes(errorMsgBytes)
+    assert(new String(errorMsgBytes) === errorMsg)
+    assert(out.readableBytes() === 0)
+
+    channel.close()
+  }
+}
diff --git a/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/server/BlockServerHandlerSuite.scala b/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/server/BlockServerHandlerSuite.scala
new file mode 100644
index 0000000000..12f6d87616
--- /dev/null
+++ b/core/src/test/scala/org/apache/spark/network/netty/server/BlockServerHandlerSuite.scala
@@ -0,0 +1,101 @@
+/*
+ * Licensed to the Apache Software Foundation (ASF) under one or more
+ * contributor license agreements.  See the NOTICE file distributed with
+ * this work for additional information regarding copyright ownership.
+ * The ASF licenses this file to You under the Apache License, Version 2.0
+ * (the "License"); you may not use this file except in compliance with
+ * the License.  You may obtain a copy of the License at
+ *
+ *    http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
+ *
+ * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
+ * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
+ * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
+ * See the License for the specific language governing permissions and
+ * limitations under the License.
+ */
+
+package org.apache.spark.network.netty.server
+
+import java.io.File
+import java.nio.ByteBuffer
+
+import io.netty.buffer.{Unpooled, ByteBuf}
+import io.netty.channel.{ChannelHandlerContext, SimpleChannelInboundHandler, DefaultFileRegion}
+import io.netty.channel.embedded.EmbeddedChannel
+
+import org.scalatest.FunSuite
+
+import org.apache.spark.storage.{BlockDataProvider, FileSegment}
+
+
+class BlockServerHandlerSuite extends FunSuite {
+
+  test("ByteBuffer block") {
+    val expectedBlockId = "test_bytebuffer_block"
+    val buf = ByteBuffer.allocate(10000)
+    for (i <- 1 to 10000) {
+      buf.put(i.toByte)
+    }
+    buf.flip()
+
+    val channel = new EmbeddedChannel(new BlockServerHandler(new BlockDataProvider {
+      override def getBlockData(blockId: String): Either[FileSegment, ByteBuffer] = Right(buf)
+    }))
+
+    channel.writeInbound(expectedBlockId)
+    assert(channel.outboundMessages().size === 2)
+
+    val out1 = channel.readOutbound().asInstanceOf[BlockHeader]
+    val out2 = channel.readOutbound().asInstanceOf[ByteBuf]
+
+    assert(out1.blockId === expectedBlockId)
+    assert(out1.blockSize === buf.remaining)
+    assert(out1.error === None)
+
+    assert(out2.equals(Unpooled.wrappedBuffer(buf)))
+
+    channel.close()
+  }
+
+  test("FileSegment block via zero-copy") {
+    val expectedBlockId = "test_file_block"
+    val url = Thread.currentThread.getContextClassLoader.getResource("netty-test-file.txt")
+    val testFile = new File(url.toURI)
+
+    val channel = new EmbeddedChannel(new BlockServerHandler(new BlockDataProvider {
+      override def getBlockData(blockId: String): Either[FileSegment, ByteBuffer] = {
+        Left(new FileSegment(testFile, 15, testFile.length - 25))
+      }
+    }))
+
+    channel.writeInbound(expectedBlockId)
+    assert(channel.outboundMessages().size === 2)
+
+    val out1 = channel.readOutbound().asInstanceOf[BlockHeader]
+    val out2 = channel.readOutbound().asInstanceOf[DefaultFileRegion]
+
+    assert(out1.blockId === expectedBlockId)
+    assert(out1.blockSize === testFile.length - 25)
+    assert(out1.error === None)
+
+    assert(out2.count === testFile.length - 25)
+    assert(out2.position === 15)
+  }
+
+  test("pipeline exception propagation") {
+    val blockServerHandler = new BlockServerHandler(new BlockDataProvider {
+      override def getBlockData(blockId: String): Either[FileSegment, ByteBuffer] = ???
+    })
+    val exceptionHandler = new SimpleChannelInboundHandler[String]() {
+      override def channelRead0(ctx: ChannelHandlerContext, msg: String): Unit = {
+        throw new Exception("this is an error")
+      }
+    }
+
+    val channel = new EmbeddedChannel(exceptionHandler, blockServerHandler)
+    assert(channel.isOpen)
+    channel.writeInbound("a message to trigger the error")
+    assert(!channel.isOpen)
+  }
+}