中间件复习之-消息队列

消息队列在分布式架构的作用

消息队列：在消息的传输过程中保存消息的容器，生产者和消费者不直接通讯，依靠队列保证消息的可靠性，避免了系统间的相互影响。
主要作用：

• 业务解耦
• 异步调用
• 流量削峰

业务解耦

将模块间的 RPC调用改为通过消息队列中转，解除系统间的耦合。

• 提升系统稳定性（自身模块不受其他模块影响）
• 通过广播消息避免多次调用（调用下游多次改为下游自己订阅，自己只发一次消息通知）
• 提高编码效率（不用关注下游代码更改）
  

异步调用

对于无需关注调用结果的场景，可以通过消息队列异步处理。
下单链路的通知卖家以及数据记录都可以改为异步流程，不影响主流程。
下单处理原逻辑：风控拦截->扣减库存->通知卖家->记录数据
下单优化后流程：风控拦截->扣减库存->消息异步通知卖家->消息异步记录数据

流量削峰

系统的吞吐量往往取决于底层存储服务的处理能力，数据访问层可以调整消费速度缓解存储服务压力，避免短暂的高峰将系统压垮。

主流消息队列选型对比

• Kafka：系统间的数据流通道
• RocketMQ：高性能可靠消息传输
• RabbitMQ：可靠消息传输
  
  
  

RocketMQ深入剖析

RocketMQ功能特性

• 支持事务型消息
• 支持延时消息
• 支持消息重发
• 支持consumer端tag过滤
• 支持消息回放

RocketMQ拓扑图

• NameServer： 类似注册中心的定位。他们之间完全独立，互相没有交互。所有的broker把自己的信息注册到所有的NameServer上（IP、key-cluser-value-[brokers]、key-broker-value-主从节点、key-topic-value-[brokers]，可以后面把这个结构debug一下放到这里todo）。
• Broker：用于消息存储
• Producer：生产者，投递消息到broker上。从NameServer做服务发现。
• Consumer：消费者，从broker上消费消息。从NameServer做服务发现。
  

RocketMQ架构

• Broker主从部署，自身注册信息在NameServer中
• Client（Producer、Consumer）从NameServer中获取Broker信息
• NameServer节点相对独立，无数据交互
  

RocketMQ消息存储

• CommitLog：存储消息主体
  • 所有topic的消息都写在CommitLog文件中
  • 顺序写、随机读，当某几个topic的消费速度比较快的时候数据就相对比较离散，怎么去优化？
• ConsumeQueue：消息消费队列
  • dispatch线程将CommitLog里的消息按主题-topic分发到ConsumeQueue队列里（ConsumeQueue也是物理文件，一个topic可能对应多个ConsumeQueue队列，注1:这里的负载均衡是Producer做的，每个消息都会带上要存储的队列序号。注2：这里只存储commitLog的偏移量-commitLogOffset和大小msgSize，实际消费时还是去CommitLog里拿）
  • maxOffset：下次消息往这里写。
  • cusomerOffset：消费者当前消费到的位置。
  • minOffset：rocketMQ使用这个字段保证消息不丢。consumer消费每次会拉一批数据，拉完之后就会更新cusomerOffset，但是minOffset到cusomerOffset之间还存在没消费完的。当consumer成功把所有拉去的数据消费完之后，会给broker发一个ack，此时minOffset才会移动到上次拉走数据的位置。这样能保证拉走的数据都能成功消费完。比如consumer拉了10条数据，但是只消费了9条，然后cosumer端服务挂了重启之后就会从minOffset再去拉数据。
• IndexFile：消息索引文件

优化手段

RocketMQ应对CommitLog随机读顺序写的性能优化

• CommitLog切分，默认1G
• MMap提升文件访问性能
• 磁盘升级SSD

消息存储流程

broker消息接收入口

• 获取主题信息
• 获取队列信息
• 延时消息，事务消息处理
  

CommitLog写入

• 获取CommitLog文件
  • 判断CommitLog是不是满了，满了就获取一个新的CommitLog（对应代码mapedFile）
• 追加写入
  • 写入不成功则创建新文件
• 刷盘
• 复制
  

Dispatch消息分发

• 获取消息类型，如延时消息、事务消息
• 普通消息则获取消息信息
  • topic、队列id、大小等
• 通过主题和队列id找到队列
• 往队列里写值
  

特性分析

• 可靠性分析
• 可用性分析
• 生产、消费方式
• 负载均衡

可靠性分析

可靠性的问题主要是存的数据会不会丢？ 按需配置

单机情况下的优化

• 同步刷盘
  • 性能低，可靠性高
• 异步刷盘
  • 性能高，可靠性低
    

集群下的优化

这里主要是主从之间的数据同步

• 异步复制
  • 生产者发送消息至master后，master就会反馈给生产者消息发送成功。master会单独开启一个线程，将数据copy到slave中。这样造成的风险就是如果master挂了，而数据还没有copy到slave节点，就会造成数据的丢失。
• 同步双写
  • 生产者发送消息至master节点后，master节点copy数据到slave节点。当copy成功时，master节点才会告诉生产者，消息发送成功。这样保证了数据的备份，但是会影响性能。为了高可用，还是要选择这种模式，因为选用异步模式，根本没解决多master模式所造成的问题。

最可靠的方式就是 同步刷盘+同步双写。一般情况下用异步刷盘、异步复制就够了。

可用性分析

这里需要引入RocketMQ集群架构。
公司目前使用rocketMQ，raft协议Dledger搭建集群。
RocketMQ Dledger高可用集群的Leader消息写入是同步刷盘的方式。在Dledger中，当Leader节点收到消息后，会首先将消息写入本地磁盘并进行同步刷盘，以保证数据的可靠性和一致性。只有当消息被成功写入本地磁盘后，Leader节点才会将消息发送给Follower节点进行复制。
而在Dledger中，Leader和Follower之间的同步是异步复制的方式。当Leader节点将消息写入本地磁盘并进行同步刷盘后，会异步地将消息发送给Follower节点进行复制。这样可以提高消息发送的性能和吞吐量。

普通集群：

• Master
  • 主节点，可以进行读和写操作。
• Slave
  • 从节点，只可以读，不进行写操作。

也就是 Producer 只能和 Master 角色的 Broker 连接写入消息；Consumer 可以连接 Master 角色的 Broker，也可以连接 Slave 角色的 Broker 来读取消息。

Master 和 Slave 的区别：在 Broker 的配置文件中，参数 brokerId 的值为 0 表明这个 Broker 是 Master，大于 0 表明这个 Broker 是 Slave，同时 brokerRole 参数也会说明这个 Broker 是 Master 还是 Slave。

• 主从模式Master宕机
  • Broker可读不可写
• 集群搭建方式
  • 单Master模式（线上一般不考虑）
  • 多Master模式
    • 优点:多master集群，一个topic在每个master中都有，相当于对topic进行了横向扩展。当有很多生产者往topic中发送消息时，可以负载到多个master节点上，提高写入数据的效率。
    • 缺点:如果某个master宕机，则这个master上的数据将不可用。根本原因还是没有对master上的数据进行主从备份的原因。多个master节点各自存着自己的数据，不会相互备份。如当主1挂了、主2还在时，主2还可以投递，但是主1没消费完的消息就丢失了，直到主1恢复以后才能继续消费。
• 多Master模式多Slave模式-异步复制
• 多Master模式多Slave模式-同步双写

RcoketMQ普通集群与Dledger高可用集群

普通集群：
这种集群模式下会给每个节点分配一个固定的角色，master负责响应客户端的请求，并存储消息。slave则只负责对master的消息进行同步保存，并响应部分客户端的读请求。消息同步方式分为同步同步和异步同步。这种集群模式下各个节点的角色无法进行切换，也就是说，master节点挂了，这一组Broker就不可用了。

Dledger高可用集群：
Dledger是RocketMQ自4.5版本引入的实现高可用集群的一项技术。这个模式下的集群会随机选出一个节点作为master，而当master节点挂了后，会从slave中自动选出一个节点升级成为master。Dledger技术做的事情：

1. 接管Broker的CommitLog消息存储，普通集群是由broker自己去写CommitLog消息存储，现在是由Dledger去写CommitLog消息存盘
2. 从集群中选举出master节点，Dledger最主要的功能
3. 完成master节点往slave节点的消息同步

Dledger是怎样进行leader选举的呢？
在探究这个问题之前，我们先要明确一件事情，Dledger使RocketMQ集群的每个节点都有三个状态:

1. **Leader 主节点：**主要用于接收客户端请求
2. **Follower 从节点 ：**主要用于Leader节点的数据备份，当有客户端请求到Follower时，Follower节点会把请求转到Leader节点
3. **Candidate 候选者节点：**只有Candidate状态的节点才会参与主节点的选举。

原文链接：https://blog.csdn.net/qq_45076180/article/details/113775278

生产方式

• 同步(sync)
  • 投递完后等待MQ回ACK 生产者一般都用同步的方式去发消息
• 异步(async)
  • 投递过去后不关注结果
• 单向(oneway)
  • 投递过去MQ不用回包

消息消费

消息消费一般分Pull和Push的两种消费方式，两种方式都有各自的特点，同时也会带来不同的影响。

• PUSH
  • 消息队列主动地将消息推送给消费者。
  • 优点：消息实时性高。
  • 缺点：没有考虑到客户端的消费能力，导致客户端消息堆积。
• PULL
  • 由消费者客户端主动向消息队列拉取消息。
  • 优点：客户端按消费能力拉取消息。
  • 缺点：消息实时性低，可能造成大量无效请求。

RocketMQ消费模式

RocketMQ的消费方式基于拉模式，但是使用了一种长轮询机制，来平衡上面Push/Pull模型的各自缺点。

• LongPoll
  • Consumer发送拉取消息
  • Broker hold住请求，直到有新消息再返回（类似一个push的动作）
  • 请求超时，Consumer再次发起请求
  • 请求超时时间默认30s

消息消费方式

• 集群消费
  • 集群内竞争消费，单条消息只消费一次
• 广播消费
  • 各集群消费全量消息，单条消息在每个集群都会被消费一次
  • 集群内广播消费
    • 集群内每个消费者消费一次消息
  • 大部分场景下都是集群内竞争，集群间广播

负载均衡

• Producer端负载均衡
• Consumer端负载均衡

Producer端负载均衡

• 定时获取Queue信息
  • 从NameServer定时获取队列信息
• 负载均衡算法：随机递增取模（轮询）
  • 按照队列数量轮询分发
• 容错机制：故障延迟
  • eg.500ms发送超时，下次发送到这个队列的延迟改为1s。

Consumer端负载均衡

• 客户端定时上报数据
  • 服务端知道有多少的客户端
• 定时Rebalance 20S
  • 获取队列信息
  • 获取消费者信息
  • 排序平均分配（按照获得的信息平均分配）
  • 与上次结果对比（左边是本次计算出的队列，entity1、entity2是上次负载均衡计算的结果，需要去除。entity3、entity4是上次就在的，entity5、entity6是本次新分配的）

消息消费失败

消费失败策略

• 默认重试16次
  • 失败后消息重新投递到重试队列
• 重试时间间隔递增
• 失败进入死信队列
  实现原理
• 自动创建失败消息主题
• 客户端默认订阅
• 结合延时消息实现重试间隔 支持18种延时，先进入延时队列，再进入重试队列。默认的一个topic重试队列只有一个，导致只有一个consumer能消费。

RocketMQ高级功能

• 事务消息
• 延时消息

事务消息

业务场景分析：

• 用户下单
  • 创建订单 + 减库存
• 发布或更新商品信息
  • 写商品库 + 更新外置索引

分布式事务

• 强一致
• 柔性事务
• 事务消息

强一致性协议

• 一致性协议

  • 两阶段提交 2PC

    • 事务协调者：程序
    • 事务参与者A：数据库A
    • 事务参与者B：数据库B
    • 缺陷：第一阶段没问题，第二阶段假如只commit了事务参与者A，发完后事务协调者挂了，则B未提交。

  • 三阶段提交 3PC

    • 将第二阶段拆成两段，第二阶段对齐事务状态，所有事务参与者在此刻都知道事务可以提交了。
    • 第三阶段参与者等待事务协调者触发，若事务协调者挂了未执行触发。则指定一个超时时间，超过超时时间未触发则事务参与者自动提交。
• 落地规范
  • XA规范（很少使用，性能衰减严重）
    • 资源管理器 - 事务参与者
      • 写入加锁
    • 事务管理器 - 事务协调者
      • 本地记录事务执行状态

柔性事务（最终一致性方案）

• TCC （Try-Confirm-Cancel）

  • 尝试执行业务，预留资源
  • 确认执行业务，使用Try阶段资源
  • 取消执行业务，释放Try阶段预留的资源
  • TCC成功处理流程
  • TCC失败处理流程
  • 缺点：逻辑全部由开发处理。非常复杂

• SAGA 模型

  • 一个分布式事务拆分为多个本地事务；
  • 本地事务都有相应的执行模块（commit事务）和补偿模块（对补偿模块做逆操作）；
  • 事务管理器负责在事务失败时调度执行补偿逻辑；

事务消息

• 简化了分布式事务模型
  • 两次RPC调用 -> 一次RPC + 一次事务消息。只保证落DB + 消息发送的事务。
• 对业务友好

RocketMQ事务消息机制

两阶段提交：

• 发送半消息
  • 投递到MQ里不会被消费，发送完后MQ返回半消息发送成功通知。
• 执行本地事务
  • 写db等操作
• 发送Commit/Rollback
• 提供回查接口（业务侧提供，缺点就是侵入业务）
  • 如果MQ-server很久都没有接收到业务系统发送commit或者rollback的消息的话，MQ-Server就会做半消息的回查，查业务系统来获取这个Message是该提交还是该Rollback。
    

RocketMQ事务消息原理

半消息主题（Topic）

• HALF消息：RMQ_SYS_TRANS_HALF_TOPIC（临时存放消息信息）
  • MQ会有一个HALF消息的topic：RMQ_SYS_TRANS_HALF_TOPIC（临时存放消息信息）
  • 在发送消息的时候用半消息的主题替换原主题去做投递，保存原主题和队列信息（数据投递到半消息队列中）
  • 半消息对Consumer不可见，不会被投递
• OP消息：RMQ_SYS_TRANS_OP_HALF_TOPIC（记录二阶段操作）
  • Rollback：只做记录
  • Commit：根据备份信息重新构造消息并投递
• 回查
• 对比HALF消息和OP消息进行回查
  

延时消息

延迟需求：由业务场景或现实情况决定，需要在当前时候之后某一时间触发指定的业务逻辑或操作。
业务场景分析

• 即时通讯消息重发
  • IM系统为了确保消息触达接收方，消息发出几秒后没有收到ack,需要重发 消息。
• 订单状态流转
  • 取消规定时间内未付款的订单。商家发货后，长时间未确认的订单自动确认收货。

RocketMQ延时消息

RocketMQ支持18个级别的延时等级，默认值为“1s5s10s30s1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m20m30m1h2h”，生产者发消息时通过设置delayLevel选择

客户端调用

• 消息体里设置延时属性，值为延时的级别

public void setDelayTimeLevel(intlevel{this.putProperty(MessageConst.PROPERTY_DELAY_TIME_LEVEL,String.valueOf(level));
}

实现原理

• 缓存缓存消息
  • 替换主题SCHEDULE_TOPIC_XXX，根据延时级别放入对应的队列
• 18个Queue对应18个延时级别
• 每个队列创建定时任务进行调度
• 恢复到期消息重新投递到真实的Topic（Delay queue投递到CommitLog）
  

代码分析

• 替换主题代码
  • 替换主题
  • 根据延时级别放到对应的延时队列中去
    

特点

• 不支持任意时间延时
• Broker配置中指定，只支持18个level
• 不灵活、配置调整需要重启

消息队列拓展功能实现

RocketMQ可扩展功能：

• 事务消息
  • 业务侵入大
• 延时消息
  • 支持场景有限

事务消息

• 通过客户端实现
• 事务消息表记录发消息事件
  • 数据库每个实例里面都创建一个事务消息表
• 本地事务保证业务数据与写消息表原子性
• 事务管理器维护事务消息表
  • 扫库发送、清理
    
    5 - 消息投递成功了，删除消息记录

客户使用示例

• 本地数据库写入
• 事务消息客户端发送消息（把落db和发送消息都封装起来）
• con.getAutoCommit代表本次有没有开启事务。
  

MybatisransactionMsgClient类设计

• 获取数据库连接
• 调用sendMsg
  

事务消息客户端实现

• 消息内容落库

  • con.getAutoCommit代表本次有没有开启事务

• 发送消息（消息放到队列）
  

• 后台发送队列设计

  • 发送失败将消息放到优先级队列里
    

• 发送消息后台任务

  • 因为事务还没处理完队列里就已经有消息了
    

• 若事务还没提交，则可以将消息放到重试队列。

• 若消息发送成功，修改数据库状态
  

• 后台优先队列维护

  • 从队列中取出数据，判断是否到期，到期则重新放入待发送队列
    

• 事务消息表设计

  • status 是否已投递出去
    

延时消息

时间轮算法

时间轮算法：可以用于高效的执行大量的定时任务，实现简单并且有非常高的精度。

• 基本概念
  • 事件：可以认为是一个个定时任务，比如下单未支付事件。
  • 桶：每个数组元素可以认为是一个桶，桶内的链表为一个个事件（桶里的事件的特点是同一时刻到期、触发）
  • 游标：指到哪个桶，那这个桶里的事件就要触发了
  • 时间精度：游标移动的速度，1s移动一次，表示支持秒级别的触发。1分钟移动一次，表示支持分钟级别的触发。
  • 循环数组
• 数据结构
  • 数组+链表
    

长时间跨度问题

如果要支持高精度调度，15天的长度，那数组空间的占用就会非常大！

• 使用文件+内存的方式处理
  磁盘文件的内容按时间倒序，每个文件存储半小时。若过来一个请求，在当前半小时内的，直接将半小时内的这条数据落在redis，如果在半小时之外的，则落到磁盘文件中。然后每经过半小时时间（提前个5分钟），将文件中的内容读取到redis内存中。
  

延时消息服务端设计

• Dispatch改造
• 延时消息存储
  • 使用内存+文件替代RocketMQ原来的18个队列
• 内存索引（时间轮）
• 延时消息投递
  

Dispatch改造

• 拓展消息类型
• 根据类型标记判断延时消息
• 根据时间分发到ScheduleLog或内存时间轮
  

延时消息存储设计（ScheduleLog）

存放延时消息的一组文件，将延时消息按到期时间划分，以半小时为一个区间，存放到指定的ScheduleLog文件中。

• 文件命名：时间 + 偏移量（将文件切分，因为每个时间周期内的ScheduleLog文件大小太不固定了，因此按128M将文件做多个切分，该时段内的时间都一样，偏移量按文件顺序排序）
  • 202002171430（时间）+ 000000000
• 文件大小：默认128M
• 存储内容
  • 消息体 OR 消息索引（offset + length）

存储内容是按消息体存还是消息索引存？？

• 消息索引
  • 优点：节省空间
  • 缺点：
    • 随机读
    • CommitLog里的历史文件（15天前）无法删除，而且这15天前的commitLog还得加载到内存里。
      
• 消息体
  • 消息存两份
  • 避免随机读
    

结论：空间目前不是瓶颈，性能是瓶颈，因此按消息体存储。

ScheduleLog文件管理

• 大文件切分
  • 一对多
• 文件命名规则
  • 时间 + 偏移量
    
    一个逻辑上的ScheduleLog文件由多个小文件组成。
    

代码实现

• DelayLogManager
  • Key：所代表时间；Value：ScheduleLog
    
• DelayLog
  • 管理一个区间内所有文件
• mapedFIles（Key：启始偏移量；Value：文件内容）
  • 文件名到内存文件映射
    
• ScheduleLog文件写入
  • 判读是否需要新建文件
    • 根据要写的数据长度来判断
    • 按照DelayLog整体文件维度偏移量与128M大小(mapedFileSize)取余得到当前偏移量
    • 当前偏移量 + 数据大小 + 结束标识长度是否大于mapedFileSize
  • 定位要写入的文件
  • 数据写入
    
    

内存时间轮

TimeWheel： 内存时间轮，其中保存的是30分钟内到期的延时消息索引

• TimeWheel类

  • 使用Map（Key 消息到期时间，Value 相同时间的消息队列） + Queue
  • addToWheel(DelayMsgIndex delayMsgIndex)
    • 从ScheduleLog中装载数据进时间轮
  • getQueue(long delayEndSecond)
    • 拿到当前到期的队列
  • remove(long delayEndSecond)
    • 投递完之后清空队列
      

• 时间轮写入

• 数据装载（非实时写入）

  • 获取当前ScheduleLog
    • 根据时间从delayLog中取出下一个要到期的文件
  • 逐条装载消息索引信息
    • 迭代器逐条读取信息生成索引信息
  • 将索引信息装载到时间轮内
    

• 实时写入

  • 在当前时段内的消息需要同时写入时间轮
    

• 到期投递

  • 获取当前ScheduleLog
  • 逐条装载消息索引信息