消息队列

Posted 2022-12-02 Nireus_LOVE

1. 简介

消息队列已经逐渐成为企业IT系统内部通信的核心手段。它具有低耦合、可靠投递、广播、流量控制、最终一致性等一系列功能，成为异步RPC的主要手段之一。
当今市面上有很多主流的消息中间件，如老牌的ActiveMQ、RabbitMQ，炙手可热的Kafka，阿里巴巴自主开发的Notify、MetaQ、RocketMQ等。

2. 应用场景

2.1 解耦

所谓解耦，简单点讲就是一个事务，只关心核心的流程。而需要依赖其他系统但不那么重要的事情，有通知即可，无需等待结果。换句话说，基于消息的模型，关心的是“通知”，而非“处理”。

2.2 最终一致性

最终一致性指的是两个系统的状态保持一致，要么都成功，要么都失败。当然有个时间限制，理论上越快越好，但实际上在各种异常的情况下，可能会有一定延迟达到最终一致状态，但最后两个系统的状态是一样的。
业界有一些为“最终一致性”而生的消息队列，如Notify（阿里）、QMQ（去哪儿）等，其设计初衷，就是为了交易系统中的高可靠通知。

2.3 广播

消息队列的基本功能之一是进行广播。如果没有消息队列，每当一个新的业务方接入，我们都要联调一次新接口。有了消息队列，我们只需要关心消息是否送达了队列，至于谁希望订阅，是下游的事情，无疑极大地减少了开发和联调的工作量。

2.4 错峰与流控

试想上下游对于事情的处理能力是不同的。比如，Web前端每秒承受上千万的请求，并不是什么神奇的事情，只需要加多一点机器，再搭建一些LVS负载均衡设备和nginx等即可。但数据库的处理能力却十分有限，即使使用SSD加分库分表，单机的处理能力仍然在万级。由于成本的考虑，我们不能奢求数据库的机器数量追上前端。
利用中间系统转储两个系统的通信内容，并在下游系统有能力处理这些消息的时候，再处理这些消息，是一套相对较通用的方式。

2.5 总结

总而言之，消息队列不是万能的。对于需要强事务保证而且延迟敏感的，RPC是优于消息队列的。
对于一些无关痛痒，或者对于别人非常重要但是对于自己不是那么关心的事情，可以利用消息队列去做。
支持最终一致性的消息队列，能够用来处理延迟不那么敏感的“分布式事务”场景，而且相对于笨重的分布式事务，可能是更优的处理方式。
当上下游系统处理能力存在差距的时候，利用消息队列做一个通用的“漏斗”。在下游有能力处理的时候，再进行分发。
如果下游有很多系统关心你的系统发出的通知的时候，果断地使用消息队列吧。

3. 设计消息队列

3.1 概述

要设计一个消息队列，并且配备broker(消息队列服务端)，无外乎要做两件事情：
消息的转储，在更合适的时间点投递，或者通过一系列手段辅助消息最终能送达消费机。
规范一种范式和通用的模式，以满足解耦、最终一致性、错峰等需求。
最简单的消息队列可以做成一个消息转发器，把一次RPC做成两次RPC。发送者把消息投递到服务端（以下简称broker），服务端再将消息转发一手到接收端，就是这么简单。
一般来讲，设计消息队列的整体思路是先build一个整体的数据流,例如producer发送给broker,broker发送给consumer,consumer回复消费确认，broker删除/备份消息等。
利用RPC将数据流串起来。然后考虑RPC的高可用性，尽量做到无状态，方便水平扩展。
之后考虑如何承载消息堆积，然后在合适的时机投递消息，而处理堆积的最佳方式，就是存储，存储的选型需要综合考虑性能/可靠性和开发维护成本等诸多因素。
为了实现广播功能，我们必须要维护消费关系，可以利用zk/config server等保存消费关系。
在完成了上述几个功能后，消息队列基本就实现了。然后我们可以考虑一些高级特性，如可靠投递，事务特性，性能优化等。

3.2 实现队列基本功能

3.2.1 RPC通信协议

所谓消息队列，无外乎两次RPC加一次转储，当然需要消费端最终做消费确认的情况是三次RPC。简单来讲，服务端提供两个RPC服务，一个用来接收消息，一个用来确认消息收到。并且做到不管哪个server收到消息和确认消息，结果一致即可。

3.2.2 高可用

所有的高可用，是依赖于RPC和存储的高可用来做的。消息队列的高可用，只要保证broker接受消息和确认消息的接口是幂等的，并且consumer的几台机器处理消息是幂等的，这样就把消息队列的可用性，转交给RPC框架来处理了。那么怎么保证幂等呢？最简单的方式莫过于共享存储。broker多机器共享一个DB或者一个分布式文件/kv系统，则处理消息自然是幂等的。就算有单点故障，其他节点可以立刻顶上。

3.2.3 服务端承载消息堆积的能力

消息到达服务端如果不经过任何处理就到接收者了，broker就失去了它的意义。为了满足我们错峰/流控/最终可达等一系列需求，把消息存储下来，然后选择时机投递就显得是顺理成章的了。
只是这个存储可以做成很多方式。比如存储在内存里，存储在分布式KV里，存储在磁盘里，存储在数据库里等等。但归结起来，主要有持久化和非持久化两种。
持久化的形式能更大程度地保证消息的可靠性（如断电等不可抗外力），并且理论上能承载更大限度的消息堆积（外存的空间远大于内存）。
但并不是每种消息都需要持久化存储。很多消息对于投递性能的要求大于可靠性的要求，且数量极大（如日志）。这时候，消息不落地直接暂存内存，尝试几次failover，最终投递出去也未尝不可。
市面上的消息队列普遍两种形式都支持。当然具体的场景还要具体结合公司的业务来看。

3.2.4 消费关系解析

对于互联网的大部分应用来说，组间广播、组内单播是最常见的情形（消息需要通知到多个业务集群，而一个业务集群内有很多台机器，只要一台机器消费这个消息就可以了。）
一般比较通用的设计是支持组间广播，不同的组注册不同的订阅。组内的不同机器，如果注册一个相同的ID，则单播；如果注册不同的ID(如IP地址+端口)，则广播。
至于广播关系的维护，一般由于消息队列本身都是集群，所以都维护在公共存储上，如config server、zookeeper等。维护广播关系所要做的事情基本是一致的:
发送关系的维护。
发送关系变更时的通知。

3.3 队列高级特性设计

3.2.1 可靠投递（最终一致性）

每当要发生不可靠的事情（RPC等）之前，先将消息落地，然后发送。当失败或者不知道成功失败（比如超时）时，消息状态是待发送，定时任务不停轮询所有待发送消息，最终一定可以送达。
具体来说：
(1)producer往broker发送消息之前，需要做一次落地。
(2)请求到server后，server确保数据落地后再告诉客户端发送成功。
(3)支持广播的消息队列需要对每个待发送的endpoint，持久化一个发送状态，直到所有endpoint状态都OK才可删除消息。
对于各种不确定（超时、down机、消息没有送达、送达后数据没落地、数据落地了回复没收到），其实对于发送方来说，都是一件事情，就是消息没有送达。
重推消息所面临的问题就是消息重复。

3.2.2 消费确认

当broker把消息投递给消费者后，消费者可以立即响应我收到了这个消息。但收到了这个消息只是第一步，我能不能处理这个消息却不一定。或许因为消费能力的问题，系统的负荷已经不能处理这个消息；或者是刚才状态机里面提到的消息不是我想要接收的消息，主动要求重发。
把消息的送达和消息的处理分开，这样才真正的实现了消息队列的本质-解耦。所以，允许消费者主动进行消费确认是必要的。当然，对于没有特殊逻辑的消息，默认Auto Ack也是可以的，但一定要允许消费方主动ack。
消费能力不匹配的时候，直接拒绝，过一段时间重发，减少业务的负担。
但业务出错这件事情是只有业务方自己知道的，就像上文提到的状态机等等。这时应该允许业务方主动ack error，并可以与broker约定下次投递的时间。

3.2.3 重复消息和顺序消息

一般来讲，一个主流消息队列的设计范式里，应该是不丢消息的前提下，尽量减少重复消息，不保证消息的投递顺序。
每一个消息应该有它的唯一身份。不管是业务方自定义的，还是根据IP/PID/时间戳生成的MessageId，如果有地方记录这个MessageId，消息到来是能够进行比对就能完成重复的鉴定。数据库的唯一键/bloom filter/分布式KV中的key，都是不错的选择。
(1)版本号
每个消息自带一个版本号，下游对于每次消息的处理，同时维护一个版本号。每次只接受比当前版本号大的消息。参考TCP/IP协议，如果想让乱序的消息最后能够正确的被组织，那么就应该只接收比当前版本号大一的消息。并且在一个session周期内要一直保存各个消息的版本号。如果到来的顺序是21，则先把2存起来，待1到来后，先处理1，再处理2，这样重复性和顺序性要求就都达到了。
(2)状态机
业务方只需要自己维护一个状态机，定义各种状态的流转关系。例如，”下线”状态只允许接收”上线”消息，“上线”状态只能接收“下线消息”，如果上线收到上线消息，或者下线收到下线消息，在消息不丢失和上游业务正确的前提下。要么是消息发重了，要么是顺序到达反了。这时消费者只需要把“我不能处理这个消息”告诉投递者，要求投递者过一段时间重发即可。而且重发一定要有次数限制，比如5次，避免死循环，就解决了。
减少重复消息的关键步骤：
(1)broker记录MessageId，直到投递成功后清除，重复的ID到来不做处理，这样只要发送者在清除周期内能够感知到消息投递成功，就基本不会在server端产生重复消息。
(2)对于server投递到consumer的消息，由于不确定对端是在处理过程中还是消息发送丢失的情况下，有必要记录下投递的IP地址。决定重发之前询问这个IP，消息处理成功了吗？如果询问无果，再重发。