ZeroMQ，史上最快的消息队列 —– ZMQ的学习和研究

　一、ZeroMQ 的背景介绍

　　引用官方的说法： “ZMQ (以下 ZeroMQ 简称 ZMQ)是一个简单好用的传输层，像框架一样的一个 socket library，他使得 Socket 编程更加简单、简洁和性能更高。是一个消息处理队列库，可在多个线程、内核和主机盒之间弹性伸缩。ZMQ 的明确目标是“成为标准网络协议栈的一部分，之后进入 Linux 内核”。现在还未看到它们的成功。但是，它无疑是极具前景的、并且是人们更加需要的“传统”BSD 套接字之上的一层封装。ZMQ 让编写高性能网络应用程序极为简单和有趣。”

　　近几年有关”Message Queue”的项目层出不穷，知名的就有十几种，这主要是因为后摩尔定律时代，分布式处理逐渐成为主流，业界需要一套标准来解决分布式计算环境中节点之间的消息通信。几年的竞争下来，Apache 基金会旗下的符合 AMQP/1.0标准的 RabbitMQ 已经得到了广泛的认可，成为领先的 MQ 项目。

　　与 RabbitMQ 相比，ZMQ 并不像是一个传统意义上的消息队列服务器，事实上，它也根本不是一个服务器，它更像是一个底层的网络通讯库，在 Socket API 之上做了一层封装，将网络通讯、进程通讯和线程通讯抽象为统一的 API 接口。

　　二、ZMQ 是什么？

　　阅读了 ZMQ 的 Guide 文档后，我的理解是，这是个类似于 Socket 的一系列接口，他跟 Socket 的区别是：普通的 socket 是端到端的（1:1的关系），而 ZMQ 却是可以N：M 的关系，人们对 BSD 套接字的了解较多的是点对点的连接，点对点连接需要显式地建立连接、销毁连接、选择协议（TCP/UDP）和处理错误等，而 ZMQ 屏蔽了这些细节，让你的网络编程更为简单。ZMQ 用于 node 与 node 间的通信，node 可以是主机或者是进程。

　　三、本文的目的

　　在集群对外提供服务的过程中，我们有很多的配置，需要根据需要随时更新，那么这个信息如果推动到各个节点？并且保证信息的一致性和可靠性？本文在介绍 ZMQ 基本理论的基础上，试图使用 ZMQ 实现一个配置分发中心。从一个节点，将信息无误的分发到各个服务器节点上，并保证信息正确性和一致性。

　　四、ZMQ 的三个基本模型

　　ZMQ 提供了三个基本的通信模型，分别是“Request-Reply “，”Publisher-Subscriber“，”Parallel Pipeline”,我们从这三种模式一窥 ZMQ 的究竟

　　ZMQ 的 hello world！

　　由 Client 发起请求，并等待 Server 回应请求。请求端发送一个简单的 hello，服务端则回应一个 world。请求端和服务端都可以是 1:N 的模型。通常把 1 认为是 Server ，N 认为是 Client 。ZMQ 可以很好的支持路由功能（实现路由功能的组件叫作 Device），把 1:N 扩展为N:M （只需要加入若干路由节点）。如图 1 所示：

　　图1：ZMQ 的 Request-Reply 通信

　　服务端的 php 程序如下：

/*
* Hello World server
* Binds REP socket to tcp://*:5555
* Expects "Hello" from client, replies with "World"
* @author Ian Barber <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com>
*/
$context = new ZMQContext (1);
// Socket to talk to clients
$responder = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_REP);
$responder->bind ("tcp://*:5555");
while(true) {
// Wait for next request from client
$request = $responder->recv ();
printf ("Received request: [%s]\n", $request);

// Do some 'work'
sleep (1);

// Send reply back to client
$responder->send ("World");
}

　　Client 程序如下：

/*

 *  Hello World client

 *  Connects REQ socket to tcp://localhost:5555

 *  Sends "Hello" to server, expects "World" back

 * @author Ian Barber <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com>

*/
$context = new ZMQContext ();

//  Socket to talk to server
 
echo "Connecting to hello world server...\n";

$requester = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_REQ);

$requester->connect ("tcp://localhost:5555");

for($request_nbr = 0; $request_nbr != 10; $request_nbr++) {

printf ("Sending request %d...\n", $request_nbr);

$requester->send ("Hello");

$reply = $requester->recv ();

printf ("Received reply %d: [%s]\n", $request_nbr, $reply);

}

　　从以上的过程，我们可以了解到使用 ZMQ 写基本的程序的方法，需要注意的是：

　　a) 服务端和客户端无论谁先启动，效果是相同的，这点不同于 Socket。

　　b) 在服务端收到信息以前，程序是阻塞的，会一直等待客户端连接上来。

　　c) 服务端收到信息以后，会 send 一个“World”给客户端。值得注意的是一定是 client 连接上来以后，send 消息给 Server，然后 Server 再 rev 然后响应 client，这种一问一答式的。如果 Server 先 send，client 先 rev 是会报错的。

　　d) ZMQ 通信通信单元是消息，他除了知道 Bytes 的大小，他并不关心的消息格式。因此，你可以使用任何你觉得好用的数据格式。Xml、Protocol Buffers、Thrift、json 等等。

　　e) 虽然可以使用 ZMQ 实现 HTTP 协议，但是，这绝不是他所擅长的。

　　ZMQ 的 Publish-subscribe 模式

　　我们可以想象一下天气预报的订阅模式，由一个节点提供信息源，由其他的节点，接受信息源的信息，如图 2 所示：

　　图2：ZMQ 的 Publish-subscribe

　　示例代码如下 ：

　　Publisher：

/*
* Weather update server
* Binds PUB socket to tcp://*:5556
* Publishes random weather updates
* @author Ian Barber <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com>
*/

// Prepare our context and publisher
$context = new ZMQContext ();
$publisher = $context->getSocket (ZMQ::SOCKET_PUB);
$publisher->bind ("tcp://*:5556");

while (true) {
// Get values that will fool the boss
$zipcode = mt_rand(0, 100000);
$temperature = mt_rand(-80, 135);
$relhumidity = mt_rand(10, 60);

// Send message to all subscribers
$update = sprintf ("%05d %d %d", $zipcode, $temperature, $relhumidity);
$publisher->send ($update);
}

Subscriber

<?php
/*
* Weather update client
* Connects SUB socket to tcp://localhost:5556
* Collects weather updates and finds avg temp in zipcode
* @author Ian Barber <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com>
*/

$context = new ZMQContext ();

// Socket to talk to server
echo "Collecting updates from weather server…", PHP_EOL;
$subscriber = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_SUB);
$subscriber->connect ("tcp://localhost:5556");

// Subscribe to zipcode, default is NYC, 10001
$filter = $_SERVER['argc'] > 1 ? $_SERVER['argv'][1] : "10001";
$subscriber->setSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_SUBSCRIBE, $filter);

// Process 100 updates
$total_temp = 0;
for ($update_nbr = 0; $update_nbr < 100; $update_nbr++) {
$string = $subscriber->recv ();
sscanf ($string, "%d %d %d", $zipcode, $temperature, $relhumidity);
$total_temp += $temperature;
}
printf ("Average temperature for zipcode '%s' was %dF\n",
$filter, (int) ($total_temp / $update_nbr));

　　这段代码讲的是，服务器端生成随机数 zipcode、temperature、relhumidity 分别代表城市代码、温度值和湿度值。然后不断的广播信息，而客户端通过设置过滤参数，接受特定城市代码的信息，收集完了以后，做一个平均值。

　　a) 与 Hello World 不同的是，Socket 的类型变成 SOCKET_PUB 和 SOCKET_SUB 类型。

　　b) 客户端需要$subscriber->setSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_SUBSCRIBE, $filter);设置一个过滤值，相当于设定一个订阅频道，否则什么信息也收不到。

　　c) 服务器端一直不断的广播中，如果中途有 Subscriber 端退出，并不影响他继续的广播，当 Subscriber 再连接上来的时候，收到的就是后来发送的新的信息了。这对比较晚加入的，或者是中途离开的订阅者，必然会丢失掉一部分信息，这是这个模式的一个问题，所谓的 Slow joiner。稍后，会解决这个问题。

　　d) 但是，如果 Publisher 中途离开，所有的 Subscriber 会 hold 住，等待 Publisher 再上线的时候，会继续接受信息。

　　ZMQ 的 PipeLine 模型

　　想象一下这样的场景，如果需要统计各个机器的日志，我们需要将统计任务分发到各个节点机器上，最后收集统计结果，做一个汇总。PipeLine 比较适合于这种场景，他的结构图，如图 3 所示。

　　图3：ZMQ 的 PipeLine 模型

　　Parallel task ventilator in PHP

/*
* Task ventilator
* Binds PUSH socket to tcp://localhost:5557
* Sends batch of tasks to workers via that socket
* @author Ian Barber <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com>
*/

$context = new ZMQContext ();

// Socket to send messages on
$sender = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PUSH);
$sender->bind ("tcp://*:5557");

echo "Press Enter when the workers are ready: ";
$fp = fopen('php://stdin', 'r');
$line = fgets($fp, 512);
fclose($fp);
echo "Sending tasks to workers…", PHP_EOL;

// The first message is "0" and signals start of batch
$sender->send (0);

// Send 100 tasks
$total_msec = 0; // Total expected cost in msecs
for ($task_nbr = 0; $task_nbr < 100; $task_nbr++) {
// Random workload from 1 to 100msecs
$workload = mt_rand(1, 100);
$total_msec += $workload;
$sender->send ($workload);

}
printf ("Total expected cost: %d msec\n", $total_msec);
sleep (1); // Give 0MQ time to deliver

　　Parallel task worker in PHP

/*
* Task worker
* Connects PULL socket to tcp://localhost:5557
* Collects workloads from ventilator via that socket
* Connects PUSH socket to tcp://localhost:5558
* Sends results to sink via that socket
* @author Ian Barber <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com>
*/

$context = new ZMQContext ();

// Socket to receive messages on
$receiver = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PULL);
$receiver->connect ("tcp://localhost:5557");

// Socket to send messages to
$sender = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PUSH);
$sender->connect ("tcp://localhost:5558");

// Process tasks forever
while (true) {
$string = $receiver->recv ();

// Simple progress indicator for the viewer
echo $string, PHP_EOL;

// Do the work
usleep($string * 1000);

// Send results to sink
$sender->send ("");
}

　　Parallel task sink in PHP

/*
* Task sink
* Binds PULL socket to tcp://localhost:5558
* Collects results from workers via that socket
* @author Ian Barber <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com>
*/

// Prepare our context and socket
$context = new ZMQContext ();
$receiver = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PULL);
$receiver->bind ("tcp://*:5558");

// Wait for start of batch
$string = $receiver->recv ();

// Start our clock now
$tstart = microtime(true);

// Process 100 confirmations
$total_msec = 0; // Total calculated cost in msecs
for ($task_nbr = 0; $task_nbr < 100; $task_nbr++) {
$string = $receiver->recv ();
if($task_nbr % 10 == 0) {
echo ":";
} else {
echo ".";
}
}

$tend = microtime(true);

$total_msec = ($tend - $tstart) * 1000;
echo PHP_EOL;
printf ("Total elapsed time: %d msec", $total_msec);
echo PHP_EOL;

　　从程序中，我们可以看到，task ventilator 使用的是 SOCKET_PUSH，将任务分发到 Worker 节点上。而 Worker 节点上，使用 SOCKET_PULL 从上游接受任务，并使用 SOCKET_PUSH 将结果汇集到 Slink。值得注意的是，任务的分发的时候也同样有一个负载均衡的路由功能，worker 可以随时自由加入，task ventilator 可以均衡将任务分发出去。

　　五、其他扩展模式

　　通常，一个节点，即可以作为 Server，同时也能作为 Client，通过 PipeLine 模型中的 Worker，他向上连接着任务分发，向下连接着结果搜集的 Sink 机器。因此，我们可以借助这种特性，丰富的扩展原有的三种模式。例如，一个代理 Publisher，作为一个内网的 Subscriber 接受信息，同时将信息，转发到外网，其结构图如图 4 所示。

　　图4：ZMQ 的扩展模式

　　六、多个服务器

　　ZMQ 和 Socket 的区别在于，前者支持N：M的连接，而后者则只是1：1的连接，那么一个 Client 连接多个 Server 的情况是怎样的呢，我们通过图 5 来说明。

　　图5：ZMQ 的N:1的连接情况

　　我们假设 Client 有 R1,R2,R3,R4四个任务，我们只需要一个 ZMQ 的 Socket，就可以连接四个服务，他能够自动均衡的分配任务。如图 5 所示，R1，R4自动分配到了节点A，R2到了B，R3到了C。如果我们是N:M的情况呢？这个扩展起来，也不难，如图 6 所示。

　　图6：N:M的连接

　　我们通过一个中间结点（Broker）来进行负载均衡的功能。我们通过代码了解，其中的 Client 和我们的 Hello World 的 Client 端是一样的，而 Server 端的不同是，他不需要监听端口，而是需要连接 Broker 的端口，接受需要处理的信息。所以，我们重点阅读 Broker 的代码：

/*
* Simple request-reply broker
* @author Ian Barber <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com>
*/

// Prepare our context and sockets
$context = new ZMQContext ();
$frontend = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_ROUTER);
$backend = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_DEALER);
$frontend->bind ("tcp://*:5559");
$backend->bind ("tcp://*:5560");

// Initialize poll set
$poll = new ZMQPoll ();
$poll->add ($frontend, ZMQ::POLL_IN);
$poll->add ($backend, ZMQ::POLL_IN);
$readable = $writeable = array();

// Switch messages between sockets
while(true) {
$events = $poll->poll ($readable, $writeable);

foreach($readable as $socket) {
if($socket === $frontend) {
// Process all parts of the message
while(true) {
$message = $socket->recv ();
// Multipart detection
$more = $socket->getSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_RCVMORE);
$backend->send ($message, $more ? ZMQ::MODE_SNDMORE : null);
if(!$more) {
break; // Last message part
}
}
}
else if($socket === $backend) {
$message = $socket->recv ();
// Multipart detection
$more = $socket->getSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_RCVMORE);
$frontend->send ($message, $more ? ZMQ::MODE_SNDMORE : null);
if(!$more) {
break; // Last message part
}
}
}
}

　　Broker 监听了两个端口，接受从多个 Client 端发送过来的数据，并将数据，转发给 Server。在 Broker 中，我们监听了两个端口，使用了两个 Socket，那么对于多个 Socket 的情况，我们是不需要通过轮询的方式去处理数据的，在之前，我们可以使用 libevent 实现，异步的信息处理和传输。而现在，我们只需要使用 ZMQ 的$poll->poll 以实现多个 Socket 的异步处理。

　　七、进程间的通信

　　ZMQ 不仅能通过 TCP 完成节点间的通信，也可以通过 Socket 文件完成进程间的通信。如图 7 所示，我们 fork 三个 PHP 进程，将进程 1 的数据，通过 Socket 文件发送到进程3。

图7：进程间的通信

function step1() {

$context = new ZMQContext ();

// Signal downstream to step 2
 
$sender = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PAIR);

$sender->connect ("ipc://step2.ipc");

$sender->send ("hello ,i am step1");

}

function step2() {

$pid = pcntl_fork ();

if($pid == 0) {

                step1();

exit();

        }

$context = new ZMQContext ();

//  Bind to ipc: endpoint, then start upstream thread
 
$receiver = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PAIR);

$receiver->bind ("ipc://step2.ipc");

// Wait for signal  
 
sleep(10);

$strings = $receiver->recv ();

echo "step2 receiver is $strings". PHP_EOL;

sleep(10);

// Signal downstream to step 3
 
$sender = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PAIR);

$sender->connect ("ipc://step3.ipc");

$sender->send ($strings);

}

// Start upstream thread then bind to icp: endpoint
 
$pid = pcntl_fork ();

if($pid == 0) {

        step2();

exit();

}

$context = new ZMQContext ();

$receiver = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PAIR);

$receiver->bind ("ipc://step3.ipc");

// Wait for signal
 
$sr = $receiver->recv ();

echo "the result is {$sr}".PHP_EOL;

　　在运行中，我们可以看到多了两个文件，如图 8 所示。

　　图8：运行过程中生成的文件

　　八、利用 ZeroMQ 实现一个配置推送中心

　　当我们将 WEB 代码部署到集群上的时候，如果需要实时的将最新的配置信息，主动的推送到各个机器节点。在此过程中，我们一定要保证，各个节点收到的信息的一致性和正确性，如果使用 HTTP，由于他的无状态性，我们无法保证信息的一致性，当然，你可以使用 HTTP 来实现，只是更复杂，为什么不用 ZMQ？他能让你更简单的实现这些功能。

　　我们使用 ZMQ 的信息订阅模式。在那个模式中，我们注意到，对于后来的加入节点，始终会丢失在他加入之前，已经发送的信息（Slow joiner）。我们可以开启另外一个 ZMQ 的通信通道，用于报告当前节点的情况（节点的身份、准备状态等），其结构如图 9 所示。

　　图9：扩展 ZMQ 的订阅者模式

　　我们通过$context->getSocket (ZMQ::SOCKET_REQ);设置一个新的 Request-Reply 连接，来用于 Subscriber 向 Publisher 报告自己的身份信息，而 Publisher 则等待所有的 Subscriber 都连接上的时候，再选择 Publish 自己的信息。

　　Subscriber 端的程序如下：

$hostname = $_SERVER['argc'] > 1 ? $_SERVER['argv'][1] : "s1";

$context = new ZMQContext (2);

$sub = new ZMQSocket ($context,ZMQ::SOCKET_SUB);

$sub->connect ("tcp://localhost:5561");

//$subscriber->setSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_IDENTITY, $hostname);
 
$sub->setSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_SUBSCRIBE,"");

$client = $context->getSocket (ZMQ::SOCKET_REQ);

$client->connect ("tcp://localhost:5562");

while(1) {

//$client->connect ("tcp://localhost:5562");
 
$client->send ($hostname);

$version = $client->recv ();

echo $version."\r\n";

if (!empty($version)) {

$recive = $sub->recv ();

$vars = json_decode ($recive);

var_dump($vars);

}

}

　　Publisher 端的程序如下：

$CONFIG["TAOKE_BTS"]["ENABLE"] = true;

$CONFIG["QP_BTS"]["ENABLE"] = true;

$CONFIG["QP_BTS"]["TK_TEST"] = 13;

$string = json_encode ($CONFIG);

$clients = array("s2","s1","s3");

$context = new ZMQContext (10);

//Socket talk to clients
 
$publisher = new ZMQSocket ($context,ZMQ::SOCKET_PUB);

$publisher->bind ("tcp://*:5561");

//Socket to publish message
 
$server = new ZMQSocket ($context,ZMQ::SOCKET_REP);

$server->bind ("tcp://*:5562");

while(count($clients)!=0) {

$client_name = $server->recv ();

echo "{$client_name} is connect!\r\n";

if (in_array($client_name, $clients)) { //coming one client
 
$key = array_search($client_name, $clients);

unset($clients[$key]);

echo "$client_name has come in!\r\n";

$server->send ("Version is 2.0");

} else {

$server->send ("You are a stranger!");

}

}

$publisher->send ($string);

?>

　　每个节点通过 5562 端口，使用 Rep 模式和 Publisher 连接，通过这个连接告之 Publisher 自己的机器名，而 Publisher 端通过白名单的方式，维护一个机器列表，当机器列表中所有的机器连接上来以后，通过 5561 端口，将最新的配置信息发送出去。

　　后续的处理，Subscriber 可以选择将配置信息写入到 APC 缓存，程序将始终从缓存中读取部分配置信息，Subscriber 并将更新后的状态信息，实时的通过 5562 报告给 Publisher。

　　虽然，在本示例中不会出现，但是，如果需要发布的信息量过大，在接受信息的过程中，Subscriber 端突然中断网络（或者是程序崩溃），那么当他在连接上来的时候，有部分信息就会丢失？ZMQ 考虑到这个问题，通过$subscriber->setSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_IDENTITY, $hostname);设置一个 id，当这个 id 的 Subscriber 重新连接上来的时候，他可以从上次中断的地方，继续接受信息，当然，节点的中断，不会影响其他的节点继续的接受信息。

　　那么 ZMQ 是怎么实现断线重连后，继续发送信息呢 ？他会将断开的 Subscriber 应该接受到的信息发到内存中，等待他重新上线后，将缓存的信息，继续发送给他。当然，内存必然是有限的，过多就会出现内存溢出。ZMQ 通过

　　SetSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_SWAP, 250000)设置 Swap 空间的大小，来防止 out of memory and crash。最终，我们的程序运行结果，如图 10 所示。

　　图 10：配置中心的运行结果

　　当然，这只是一个大体的思路，如果应用到实际的成产环境中，还需要考虑更多的问题，包含稳定性，容错等等。然而，ZMQ 由于高并发，以及稳定性和易用性，前景不错，他的目标是进入 Linux 内核，我们期待那一天的到来。

　　参考资料 ：

　　http://www.infoq.com/cn/news/2010/09/introduction-zero-mq Infoq 对 zeromq 的简介

　　http://zguide.zeromq.org/page:all ZeroMQ 的 guide 文档