搞懂分布式技术26：消息队列设计精要总结之基础篇
消息队列设计精要总结之基础篇
消息队列概述
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。
本文不会一一介绍这些消息队列的所有特性，而是探讨一下自主开发设计一个消息队列时，你需要思考和设计的重要方面。过程中我们会参考这些成熟消息队列的很多重要思想。
本文首先会阐述什么时候你需要一个消息队列，然后以Push模型为主，从零开始分析设计一个消息队列时需要考虑到的问题，如RPC、高可用、顺序和重复消息、可靠投递、消费关系解析等。
也会分析以Kafka为代表的pull模型所具备的优点。最后是一些高级主题，如用批量/异步提高性能、pull模型的系统设计理念、存储子系统的设计、流量控制的设计、公平调度的实现等。其中最后四个方面会放在下篇讲解。
何时需要消息队列
当你需要使用消息队列时，首先需要考虑它的必要性。可以使用mq的场景有很多，最常用的几种，是做业务解耦/最终一致性/广播/错峰流控等。反之，如果需要强一致性，关注业务逻辑的处理结果，则RPC显得更为合适。
解耦
解耦是消息队列要解决的最本质问题。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”。
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。
最终一致性不是消息队列的必备特性，但确实可以依靠消息队列来做最终一致性的事情。另外，所有不保证100%不丢消息的消息队列，理论上无法实现最终一致性。好吧，应该说理论上的100%，排除系统严重故障和bug。
像Kafka一类的设计，在设计层面上就有丢消息的可能（比如定时刷盘，如果掉电就会丢消息）。哪怕只丢千分之一的消息，业务也必须用其他的手段来保证结果正确。
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。
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。
这种问题同样存在于系统和系统之间，如短信系统可能由于短板效应，速度卡在网关上（每秒几百次请求），跟前端的并发量不是一个数量级。
总而言之
所以，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。
1 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。
2 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。
3 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。
4 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。
5 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。
如何设计一个消息队列
综述
我们现在明确了消息队列的使用场景，下一步就是如何设计实现一个消息队列了。
基于消息的系统模型，不一定需要broker(消息队列服务端)。市面上的的Akka（actor模型）、ZeroMQ等，其实都是基于消息的系统设计范式，但是没有broker。
我们之所以要设计一个消息队列，并且配备broker，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。
掰开了揉碎了看，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。
整体思路
1 建立数据流：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。
2 无状态RPC：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。
3 消息存储：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。
4 维护消费关系：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。
下面我们会以设计消息队列时重点考虑的模块为主线，穿插灌输一些消息队列的特性实现方法，来具体分析设计实现一个消息队列时的方方面面。
实现队列基本功能
RPC通信协议
刚才讲到，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。既然是RPC，就必然牵扯出一系列话题，什么负载均衡啊、服务发现啊、通信协议啊、序列化协议啊，等等。
在这一块，我的强烈建议是不要重复造轮子。利用公司现有的RPC框架：Thrift也好，Dubbo也好，或者是其他自定义的框架也好。因为消息队列的RPC，和普通的RPC没有本质区别。
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。
高可用（依赖于rpc和存储高可用，mq提供幂等接口即可）
1 其实所有的高可用，是依赖于RPC和存储的高可用来做的。先来看RPC的高可用，美团的基于MTThrift的RPC框架，阿里的Dubbo等，其本身就具有服务自动发现，负载均衡等功能。
2 而消息队列的高可用，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。（因为多个broker共享一个存储，当一个消息到达时写入存储，之后收到相同消息就不会再存储，若是一条消息被消费，则从存储上删除，也不会再被消费）
就算有单点故障，其他节点可以立刻顶上。另外failover可以依赖定时任务的补偿(不太明白），这是消息队列本身天然就可以支持的功能。存储系统本身的可用性我们不需要操太多心，放心大胆的交给DBA们吧！
对于不共享存储的队列，如Kafka使用分区加主备模式，就略微麻烦一些。需要保证每一个分区内的高可用性，也就是每一个分区至少要有一个主备且需要做数据的同步，关于这块HA的细节，可以参考下篇pull模型消息系统设计。
（kafka使用多个broker的主备部署，一个broker作为master接收读写请求，其他broker作为slave存储master中的部分partition。主节点挂了就通过zk重新选主，然后得到全部partition。）
服务端承载消息堆积的能力（持久化或者非持久化）
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。
1 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）。
2 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（比如某个节点宕机，导致消息投递或者消费失败，则会自动故障切换，然后进行重新投递或者重新消费），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。
存储子系统的选择
我们来看看如果需要数据落地的情况下各种存储子系统的选择。
理论上，从速度来看，文件系统>分布式KV（持久化）>分布式文件系统>数据库，而可靠性却截然相反。
1 还是要从支持的业务场景出发作出最合理的选择，如果你们的消息队列是用来支持支付/交易等对可靠性要求非常高，但对性能和量的要求没有这么高，而且没有时间精力专门做文件存储系统的研究，DB是最好的选择。
2 但是DB受制于IOPS，如果要求单broker 5位数以上的QPS性能，基于文件的存储是比较好的解决方案。整体上可以采用数据文件+索引文件的方式处理，具体这块的设计比较复杂，可以参考下篇的存储子系统设计。
3 分布式KV（如MongoDB，HBase）等，或者持久化的Redis，由于其编程接口较友好，性能也比较可观，如果在可靠性要求不是那么高的场景，也不失为一个不错的选择。
消费关系解析
现在我们的消息队列初步具备了转储消息的能力。下面一个重要的事情就是解析发送接收关系，进行正确的消息投递了。
市面上的消息队列定义了一堆让人晕头转向的名词，如JMS 规范中的Topic/Queue，Kafka里面的Topic/Partition/ConsumerGroup，RabbitMQ里面的Exchange等等。
1 本质：抛开现象看本质，无外乎是单播与广播的区别。所谓单播，就是点到点；而广播，是一点对多点。当然，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。
2 常见消费关系：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。
当然这不是绝对的，很多时候组内的广播也是有适用场景的，如本地缓存的更新等等。另外，消费关系除了组内组间，可能会有多级树状关系。这种情况太过于复杂，一般不列入考虑范围。
3 消费者组订阅消息方式：所以，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。
4 广播关系维护：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。
微信公众号
个人公众号：程序员黄小斜
微信公众号【程序员黄小斜】新生代青年聚集地，程序员成长充电站。作者黄小斜，职业是阿里程序员，身份是斜杠青年，希望和更多的程序员交朋友，一起进步和成长！专注于分享技术、面试、职场等成长干货，这一次，我们一起出发。
关注公众号后回复“2019”领取我这两年整理的学习资料，涵盖自学编程、求职面试、算法刷题、Java技术学习、计算机基础和考研等8000G资料合集。
技术公众号：Java技术江湖
微信公众号【Java技术江湖】一位阿里 Java 工程师的技术小站，专注于 Java 相关技术：SSM、SpringBoot、MySQL、分布式、中间件、集群、Linux、网络、多线程，偶尔讲点Docker、ELK，同时也分享技术干货和学习经验，致力于Java全栈开发！
关注公众号后回复“PDF”即可领取200+页的《Java工程师面试指南》强烈推荐，几乎涵盖所有Java工程师必知必会的知识点。
