消息队列 NSQ 源码学习笔记

Posted 2021-04-26 搬砖程序员带你飞

NSQ 消息队列实现消息落地使用的是 FIFO 队列。实现为 diskqueue, 使用包 go-diskqueue ,本文主要对diskqueue的实现做介绍。

功能定位

• 在NSQ 中， diskqueue 是一个实例化的 BackendQueue, 用于保存在内存中放不下的消息。使用场景如Topic 队列中的消息，Channel 队列中的消息
  

• 实现的功能是一个FIFO的队列，实现如下功能:

• 支持消息的插入、清空、删除、关闭操作

• 可以返回队列的长度(写和读偏移的距离)

• 具有读写功能，FIFO 的队列

diskqueue 的实现

  BackendQueue 接口如下：

type BackendQueue interface {
    Put([]byte) error // 将一条消息插入到队列中
    ReadChan() chan []byte // 返回一个无缓冲的chan
    Close() error // 队列关闭
    Delete() error // 删除队列 （实际在实现时，数据仍保留）
    Depth() int64          // 返回读延迟的消息量
    Empty() error // 清空消息 （实际会删除所有的记录文件）
}

数据结构

        对于需要原子操作的64bit 的字段，需要放在struct 的最前面，原因请看学习总结第一条

数据结构中定义了 文件的读写位置、一些文件读写的控制变量，以及相关操作的channel.

// diskQueue implements a filesystem backed FIFO queue
type diskQueue struct {
    // 64bit atomic vars need to be first for proper alignment on 32bit platforms
    // run-time state (also persisted to disk)
    readPos int64               // 读的位置
    writePos int64               // 写的位置
    readFileNum int64               // 读文件的编号
    writeFileNum int64               // 写文件的编号
    depth int64               // 读写文件的距离 (用于标识队列的长度)
     sync.RWMutex

    // instantiation time metadata
    name string           // 标识队列名称，用于落地文件名的前缀
    dataPath string           // 落地文件的路径
    maxBytesPerFile int64            // 每个文件最大字节数
    minMsgSize int32            // 单条消息的最小大小
    maxMsgSize int32            // 单挑消息的最大大小
    syncEvery int64            // 每写多少次刷盘一次
    syncTimeout time.Duration // 至少多久会刷盘一次
    exitFlag int32            // 退出标识
    needSync bool             // 如果 needSync 为true， 则需要fsync刷新metadata 数据

    // keeps track of the position where we have read
    // (but not yet sent over readChan)
    nextReadPos int64            // 下一次读的位置
    nextReadFileNum int64            // 下一次读的文件number


    readFile *os.File // 读 fd
    writeFile *os.File // 写 fd
    reader *bufio.Reader // 读 buffer
    writeBuf bytes.Buffer // 写 buffer

    // exposed via ReadChan()
    readChan chan []byte             // 读channel

    // internal channels
    writeChan chan []byte    // 写 channel
    writeResponseChan chan error // 同步写完之后的 response
    emptyChan chan int       // 清空文件的channel
    emptyResponseChan chan error // 同步清空文件后的channel
    exitChan chan int       // 退出channel
    exitSyncChan chan int       // 退出命令同步等待channel


    logf AppLogFunc // 日志句柄
}

初始化一个队列

       初始化一个队列，需要定义前缀名， 数据路径，每个文件的最大字节数，消息最大最小限制，以及刷盘频次和最长刷盘时间，最后还有一个日志函数

func New(name string, dataPath string, maxBytesPerFile int64,
    minMsgSize int32, maxMsgSize int32,
    syncEvery int64, syncTimeout time.Duration, logf AppLogFunc) Interface {
    d := diskQueue{
        name: name,
        dataPath: dataPath,
        maxBytesPerFile: maxBytesPerFile,
        minMsgSize: minMsgSize,
        maxMsgSize: maxMsgSize,
        readChan: make(chan []byte),
        writeChan: make(chan []byte),
        writeResponseChan: make(chan error),
        emptyChan: make(chan int),
        emptyResponseChan: make(chan error),
        exitChan: make(chan int),
        exitSyncChan: make(chan int),
        syncEvery: syncEvery,
        syncTimeout: syncTimeout,
        logf: logf,
    }


    // no need to lock here, nothing else could possibly be touching this instance
    err := d.retrieveMetaData()
    if err != nil && !os.IsNotExist(err) {
        d.logf(ERROR, "DISKQUEUE(%s) failed to retrieveMetaData - %s", d.name, err)
    }


    go d.ioLoop()
    return &d
}

        可以看出, 队列中均使用不带cache 的chan，消息只能阻塞处理。d.retrieveMetaData() 是从文件中恢复元数据。d.ioLoop() 是队列的事件处理逻辑，后文详细解答

消息的读写

文件格式

文件名 `"name" + .diskqueue.%06d.dat` 其中， name 是 topic, 或者topic + channel 命名。数据采用二进制方式存储， 消息大小+ body 的形式存储。

消息读操作

• 如果readFile 文件描述符未初始化， 则需要先打开相应的文件，将偏移seek到相应位置，并初始化reader buffer

• 初始化后，首先读取文件的大小， 4个字节，然后通过文件大小获取相应的body 数据

• 更改相应的偏移。如果偏移达到文件最大值，则会关闭相应文件，读的文件编号 + 1

消息写操作

• 如果writeFile 文件描述符未初始化，则需要先打开相应的文件，将偏移seek到文件末尾。

• 验证消息的大小是否符合要求

• 将body 的大小和body 写入 buffer 中，并落地

• depth +1，

• 如果文件大小大于每个文件的最大大小，则关闭当前文件，并将写文件的编号 + 1

事件循环 ioLoop

ioLoop 函数，做所有时间处理的操作,包括：

• 消息读取

• 写操作

• 清空队列数据

• 定时刷新的事件

func (d *diskQueue) ioLoop() {
  var dataRead []byte
  var err error
  var count int64
  var r chan []byte
  // 定时器的设置
  syncTicker := time.NewTicker(d.syncTimeout)

  for {
    // 若到达刷盘频次，标记等待刷盘
    if count == d.syncEvery {
      d.needSync = true
    }


    if d.needSync {
      err = d.sync()
      if err != nil {
        d.logf(ERROR, "DISKQUEUE(%s) failed to sync - %s", d.name, err)
      }
      count = 0
    }

    // 有可读数据，并且当前读chan的数据已经被读走，则读取下一条数据
    if (d.readFileNum < d.writeFileNum) || (d.readPos < d.writePos) {
      if d.nextReadPos == d.readPos {
        dataRead, err = d.readOne()
        if err != nil {
          d.logf(ERROR, "DISKQUEUE(%s) reading at %d of %s - %s",
            d.name, d.readPos, d.fileName(d.readFileNum), err)
          d.handleReadError()
          continue
        }
      }
      r = d.readChan
    } else {
      // 如果无可读数据，那么设置 r 为nil, 防止将dataRead数据重复传入readChan中
      r = nil
    }

    select {
    // the Go channel spec dictates that nil channel operations (read or write)
    // in a select are skipped, we set r to d.readChan only when there is data to read
    case r <- dataRead:
      count++
      // moveForward sets needSync flag if a file is removed
      // 如果读chan 被写入成功，则会修改读的偏移
      d.moveForward()
    case <-d.emptyChan:
      // 清空所有文件，并返回empty的结果
      d.emptyResponseChan <- d.deleteAllFiles()
      count = 0
    case dataWrite := <-d.writeChan:
      // 写msg
      count++
      d.writeResponseChan <- d.writeOne(dataWrite)
    case <-syncTicker.C:
      // 到刷盘时间，则修改needSync = true
      if count == 0 {
        // avoid sync when there's no activity
        continue
      }
      d.needSync = true
    case <-d.exitChan:
      goto exit
    }
  }


exit:
  d.logf(INFO, "DISKQUEUE(%s): closing ... ioLoop", d.name)
  syncTicker.Stop()
  d.exitSyncChan <- 1
}

  
    
    
  

   
     
     
   
需要注意的点：
  
    
    
  

• 数据会预先读出来，当发送到readChan 里面，才会通过moveForward 操作更改读的偏移。
• queue 的Put 操作非操作，会等待写完成后，才会返回结果
• Empty 操作会清空所有数据
• 数据会定时或者按照设定的同步频次调用FSync 刷盘

metadata 元数据

metadata 文件格式

文件名：`"name" + .diskqueue.meta.dat` 其中， name 是 topic, 或者topic + channel 命名.

metadata 数据包含5个字段, 内容如下：

depth\nreadFileNum,readPos\nwriteFileNum,writePos

metadata 作用

当服务关闭后，metadata 数据将保存在文件中。当服务再次启动时，将从文件中将相关数据恢复到内存中。

学习总结

内存对齐与原子操作的问题

// 64bit atomic vars need to be first for proper alignment on 32bit platforms

• - 现象 nsq 在定义struct 的时候，很多会出现类似的注释

• - 原因 原因在golang 源码 sync/atomic/doc.go 中

// On ARM, x86-32, and 32-bit MIPS,
// it is the caller's responsibility to arrange for 64-bit
// alignment of 64-bit words accessed atomically. The first word in a
// variable or in an allocated struct, array, or slice can be relied upon to be
// 64-bit aligned.

• 解释 在arm, 32 x86系统，和 32位 MIPS 指令集中，调用者需要保证对64位变量做原子操作时是64位内存对齐的(而不是32位对齐)。而将64位的变量放在struct, array, slice 的最前面，可以保证64位对齐

• 结论 有64bit 原子操作的变量，会定义在struct 的最前面，可以使变量使64位对齐，保证程序在32位系统中正确执行

对象池的使用

• buffer_pool.go 文件中, 简单实现了 bytes.Buffer 的对象池，减少了gc 压力

• 使用场景，需要高频次做对象初始化和内存分配的情况，可使用sync.Pool 对象池减少gc 压力

如何将操作系统缓存中的数据主动刷新到硬盘中？

• fsync 函数 (在write 函数之后，需要使用fsync 才能确保数据落盘)

本文代码来自于github.com/nsqio/go-diskqueue

end