消息队列系列教程之--概念介绍

Posted 2021-04-26 JAVA开发技术栈

• 定义

• 使用场景

• 工作模式

• 常用消息中间件

• 技术选型

一、定义

消息队列，一般我们会简称它为MQ(Message Queue)，也就是一种用于存放消息对象的队列。

消息队列（Message Queue），是分布式系统中重要的组件，其通用的使用场景可以简单地描述为：当不需要立即获得结果，但是并发量又需要进行控制的时候，就是需要使用消息队列的时候。

二、使用场景

2.1 解耦

具体场景：应用解耦，在电商系统中，在用户下单后，订单系统需要通知库存系统修改库存。

2.1.1 传统做法 订单系统直接调用库存系统来修改库存。缺点是假如库存系统无法访问，则订单减库存将失败，从而导致订单失败，订单系统与库存系统耦合。

2.1.2 使用消息队列

订单系统：用户下单后，订单系统完成持久化处理，将消息写入消息队列，返回用户订单下单成功。

库存系统：订阅下单的消息，采用拉/推的方式，获取下单信息，库存系统根据下单信息，进行库存操作。

假如在下单时库存系统不能正常使用，也不影响正常下单。因为在下单后，订单系统把消息写入消息队列就不再关心其他的后续操作了。这就实现订单系统与库存系统的应用解耦。

2.2 异步

异步处理：多应用对消息队列中同一消息进行处理，应用间并发处理消息，相比串行处理，减少处理时间。

具体场景：用户为了使用某个应用而进行注册，系统需要发送注册邮件并验证短信。

2.2.1 串行方式：新注册信息生成后，先发送注册邮件，再发送验证短信；

2.2.2 并行处理：新注册信息写入后，由发短信和发邮件并行处理；

2.2.3 若使用消息队列：在写入消息队列后立即返回成功给客户端，则总的响应时间依赖于写入消息队列的时间，而写入消息队列的时间本身是可以很快的，基本可以忽略不计，因此总的处理时间相比串行提高了2倍，相比并行提高了一倍；

2.3 限流/削峰

限流削峰：广泛应用于秒杀或抢购活动中，避免流量过大导致应用系统挂掉的情况。

具体场景：秒杀活动，一般会因为流量过大，导致流量暴增，应用挂掉。为解决这个问题，一般需要在应用前端加入消息队列。

消息队列的作用：

（1）可以控制活动的人数

（2）可以缓解短时间内高流量压垮应用

用户的请求，服务器接收后，首先写入消息队列。假如消息队列长度超过最大数量，则直接抛弃用户请求或跳转到错误页面。

秒杀业务根据消息队列中的请求信息，再做后续处理。

2.3 日志处理

日志处理是指将消息队列用在日志处理中，比如Kafka的应用，解决大量日志传输的问题。

日志采集客户端，负责日志数据采集，定时写入Kafka队列。

Kafka消息队列，负责日志数据的接收，存储和转发。

日志处理应用：订阅并消费kafka队列中的日志数据。

2.4 消息通讯

消息通讯是指，消息队列一般都内置了高效的通信机制，因此也可以用在纯的消息通讯。比如实现点对点消息队列，或者聊天室等。

2.4.1 点对点通讯（客户端A和客户端B使用同一队列，进行消息通讯）

2.4.2 聊天时通讯（客户端A，客户端B，客户端N订阅同一主题，进行消息发布和接收。实现类似聊天室效果）

三、消息队列的两种工作模式

3.1 点对点模式

1）每个消息只有一个接收者（Consumer）(即一旦被消费，消息就不再在消息队列中)。

2）发送者和接收者间没有依赖性，发送者发送消息之后，不管有没有接收者在运行，都不会影响到发送者下次发送消息。

3）接收者在成功接收消息之后需向队列应答成功，以便消息队列删除当前接收的消息。

3.2 发布/订阅模式

1）每个消息可以有多个订阅者。

2）发布者和订阅者之间有时间上的依赖性。针对某个主题（Topic）的订阅者，它必须创建一个订阅者之后，才能消费发布者的消息。

3）为了消费消息，订阅者需要提前订阅该角色主题，并保持在线运行。

四、常用消息中间件介绍

4.1 ActiveMQ

ActiveMQ是由Apache出品，ActiveMQ是一个完全支持JMS1.1和JMS1.4规范的JMS Provider实现。它非常快速，只是多种语言的客户端和协议，而且可以非常容易的嵌入到企业的应用环境中，并有许多高级功能。

主要特性

• 服从JMS规范：JMS规范提供了良好的标准和保证，包括：同步或异步的消息分发，一次或仅一次的消息分发，消息接收和订阅等等。遵从JMS规范的好处在于，不论使用什么JMS实现提供者，这些基础特性都是可用的；

• 连接灵活性：ActiveMQ提供了广泛的连接协议，支持的协议有：HTTP/S，IP多播，SSL，TCP，UDP等等。对众多协议的支持让ActiveMQ拥有了很好的灵活性

• 支持的协议种类多：OpenWrite、STOMP、REST、XMMP、AMQP；

• 持久化插件和安全插件：ActiveMQ提供了多种持久化选择。而且，ActiveMQ的安全性也可以完全一句用户需求进行自定义鉴权和授权；

• 支持的客户端语言种类多：除了Java之外，还有C/C++，.NET，Perl，php，Python，Ruby；

• 代理集群：多个ActiveMQ代理可以组成一个集群来提供服务；

• 异常简单的管理：ActiveMQ是以开发者思维被设计的。所以，它并不需要专门的管理员，因为它提供了简单有实用的管理特性。又很多方法可以监控ActiveMQ不同层面的数据，包括实用在JConsole或者在ActiveMQ的Web console中使用JMXJMX。通过处理JMX的告警消息，通过使用命令行脚本，甚至可以通过监控各种类型的日志。

部署环境

ActiveMQ 可以运行在 Java 语言所支持的平台之上。使用 ActiveMQ 需要：

• Java JDK

• ActiveMQ 安装包

优点

• 跨平台 (JAVA 编写与平台无关，ActiveMQ 几乎可以运行在任何的 JVM 上)；

• 可以用 JDBC：可以将 数据持久化 到数据库。虽然使用 JDBC 会降低 ActiveMQ 的性能，但是数据库一直都是开发人员最熟悉的存储介质；

• 支持 JMS 规范：支持 JMS 规范提供的 统一接口;

• 支持 自动重连 和 错误重试机制；

• 有安全机制：支持基于 shiro，jaas 等多种 安全配置机制，可以对 Queue/Topic 进行 认证和授权；

• 监控完善：拥有完善的 监控，包括 Web Console，JMX，Shell 命令行，Jolokia 的 RESTful API；

• 界面友善：提供的 Web Console 可以满足大部分情况，还有很多 第三方的组件 可以使用，比如 hawtio；

缺点

• 社区活跃度不及 RabbitMQ 高；

• 根据其他用户反馈，会出莫名其妙的问题，会 丢失消息；

• 目前重心放到 activemq 6.0 产品 Apollo，对 5.x 的维护较少；

• 不适合用于 上千个队列 的应用场景；

4.2 RabbitMQ

RabbitMQ 于 2007 年发布，是一个在 AMQP (高级消息队列协议)基础上完成的，可复用的企业消息系统，是当前最主流的消息中间件之一。

主要特性

• 可靠性：提供了多种技术可以让你在 性能 和 可靠性 之间进行 权衡。这些技术包括 持久性机制、投递确认、发布者证实 和 高可用性机制；

• 灵活的路由：消息在到达队列前是通过 交换机 进行 路由 的。RabbitMQ 为典型的路由逻辑提供了 多种内置交换机 类型。如果你有更复杂的路由需求，可以将这些交换机组合起来使用，你甚至可以实现自己的交换机类型，并且当做 RabbitMQ 的 插件 来使用；

• 消息集群：在相同局域网中的多个 RabbitMQ 服务器可以 聚合 在一起，作为一个独立的逻辑代理来使用；

• 队列高可用：队列可以在集群中的机器上 进行镜像，以确保在硬件问题下还保证 消息安全；

• 支持多种协议：支持 多种消息队列协议；

• 支持多种语言：用 Erlang 语言编写，支持只要是你能想到的 所有编程语言；

• 管理界面：RabbitMQ 有一个易用的 用户界面，使得用户可以 监控 和 管理 消息 Broker 的许多方面；

• 跟踪机制：如果 消息异常，RabbitMQ 提供消息跟踪机制，使用者可以找出发生了什么；

• 插件机制：提供了许多 插件，来从多方面进行扩展，也可以编写自己的插件。

部署环境

RabbitMQ 可以运行在 Erlang 语言所支持的平台之上，包括 Solaris，BSD，Linux，MacOSX，TRU64，Windows 等。使用 RabbitMQ 需要：

• ErLang 语言包

• RabbitMQ 安装包

优点

• 由于 Erlang 语言的特性，消息队列性能较好，支持 高并发；

• 健壮、稳定、易用、跨平台、支持 多种语言、文档齐全；

• 有消息 确认机制 和 持久化机制，可靠性高；

• 高度可定制的 路由；

• 管理界面 较丰富，在互联网公司也有较大规模的应用，社区活跃度高。

缺点

• 尽管结合 Erlang 语言本身的并发优势，性能较好，但是不利于做 二次开发和维护；

• 实现了 代理架构，意味着消息在发送到客户端之前可以在 中央节点 上排队。此特性使得 RabbitMQ 易于使用和部署，但是使得其 运行速度较慢，因为中央节点 增加了延迟，消息封装后 也比较大；

• 需要学习比较复杂的接口协议，学习和维护成本较高。

4.3 RocketMQ

RocketMQ出自阿里的开源产品，用Java语言实现，在设计时参考了Kafka，并做出了自己的一些改进，消息可靠性上比Kafka更好。RocketMQ在阿里内部被广泛应用在订单，交易，充值，流计算，消息推送，日志流式处理，binglog分发等场景。

主要特性

• 基于队列模型：具有高性能、高可靠、高实时、分布式等特点；

• Producer、Consumer、队列都支持分布式；

• Producer向一些队列轮流发送消息，队列集合称为Topic。Consumer如果做广播消费，则一个Consumer实例消费这个Topic对应的所有队列；如果做集群消费，则多个Consumer实例平均消费这个Topic对应的队列集合；

• 能够保证严格的消息顺序；

• 提供丰富的消息拉取模式；

• 高效的订阅着水平扩展能力；

• 实时的消息订阅机制；

• 亿级消息堆积能力；

• 较少的外部依赖；

部署环境

RocketMQ可以运行在Java语言所支持的平台之上。使用RocketMQ需要：

• Java JDK

• 安装git、Maven

• RocketMQ安装包

优点

• 单机支持一万以上持久化队列；

• RocketMQ的所有消息都是持久化的，先写入系统PageCache，然后刷盘，可以保证内存与磁盘都有一份数据，而访问时，直接从内存读取。

• 模型简单，接口易用（JMS的接口很多场合并不实用）；

• 性能非常好，可以允许大量堆积消息在Broker中；

• 支持多种消费模式，包括集群消费、广播消费等；

• 各个环节分布式扩展设计，支持主从和高可用；

• 开发度比较活跃，版本更新更快；

缺点

• 支持的客户端语言不多，目前是Java及C++，其中C++还不成熟；

• RocketMQ社区关注度及成熟度也不及前两者；

• 没有Web管理界面，提供了一个CLI管理工具代理查询、管理和诊断各种问题；

• 没有在MQ核心里实现JMS等接口

4.4 Kafka

Apache Kafka 是一个 分布式消息发布订阅 系统。它最初由 LinkedIn 公司基于独特的设计实现为一个 分布式的日志提交系统 (a distributed commit log)，之后成为 Apache 项目的一部分。Kafka 性能高效、可扩展良好 并且 可持久化。它的 分区特性，可复制 和 可容错 都是其不错的特性。

主要特性

• 快速持久化：可以在 O(1) 的系统开销下进行 消息持久化；

• 高吞吐：在一台普通的服务器上既可以达到 10W/s 的 吞吐速率；

• 完全的分布式系统：Broker、Producer 和 Consumer 都原生自动支持 分布式，自动实现 负载均衡；

• 支持 同步 和 异步 复制两种 高可用机制；

• 支持 数据批量发送 和 拉取；

• 零拷贝技术(zero-copy)：减少 IO 操作步骤，提高 系统吞吐量；

• 数据迁移、扩容 对用户透明；

• 无需停机 即可扩展机器；

• 其他特性：丰富的 消息拉取模型、高效 订阅者水平扩展、实时的 消息订阅、亿级的 消息堆积能力、定期删除机制；

部署环境

使用 Kafka 需要：

• Java JDK

• Kafka 安装包

优点

• 客户端语言丰富：支持 Java、.Net、PHP、Ruby、Python、Go 等多种语言；

• 高性能：单机写入 TPS 约在 100 万条/秒，消息大小 10 个字节；

• 提供 完全分布式架构，并有 replica 机制，拥有较高的 可用性 和 可靠性，理论上支持 消息无限堆积；

• 支持批量操作；

• 消费者 采用 Pull 方式获取消息。消息有序，通过控制 能够保证所有消息被消费且仅被消费 一次；

• 有优秀的第三方 Kafka Web 管理界面 Kafka-Manager；

• 在 日志领域 比较成熟，被多家公司和多个开源项目使用。

缺点

• Kafka 单机超过 64 个 队列/分区 时，Load 时会发生明显的飙高现象。队列 越多，负载 越高，发送消息 响应时间变长；

• 使用 短轮询方式，实时性 取决于 轮询间隔时间；

• 消费失败 不支持重试；

• 支持 消息顺序，但是 一台代理宕机 后，就会产生 消息乱序；

• 社区更新较慢。

四、技术选型

Kafka在于分布式架构，RabbitMQ基于AMQP协议来实现，RocketMQ的思路来源于Kafka，改成了主从结构，在事务性和可靠性方面做成了优化。广泛来说，电商、金融等对事务一致性要求很高的，可以考虑RabbitMQ和RocketMQ，对性能要求高的可考虑Kafka。