分模块详解 RocketMQ 架构原理

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最近更新：2022年5月14日

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RocketMQ 总体架构

上图里的虚线表示数据同步过程，目的是保证数据的最终一致性。

从上图可以看出，RabbitMQ使用了一个注册中心作为发现与注册服务器，Producer向Broker发送消息，Consumer从Broker处接收消息，Broker使用主从结构来进行消息的存储（为了方便理解，我画了最经典的一主三从结构）。

接下来，我们将对每一个部分做更详细的拆解分析。

注册中心

在RocketMQ里，注册中心使用的是nameserver，原因是它具有稳定性高的特点，集群部署时单台nameserver挂掉并不会影响其它的，即使全部nameserver挂掉，也可以使用最近一次的注册信息来提供服务，不影响整体业务。

nameserver不会有频繁的读写，所以性能开销很少，稳定性也高。

在RocketMQ里，注册中心每隔10s会扫描一次所有的Broker，如果发现某个Broker已经连续2min没有发送心跳过来了，就认为其挂了，断开连接。此时注册中心会更新Topic与队列的对应关系，但不会通知Producer和Consumer。

Broker 架构

Broker通常以集群的形式运行，存储Producer发来的消息。

与注册中心的交互：

1. 每个Broker和所有的注册中心保持长连接
2. 每30s向注册中心发送心跳，心跳里面有自身的Topic信息

负载均衡设计：

1. Broker和Topic是多对多的关系，一个Topic会分布在多个Broker上，一个Broker里也会有多个Topic
2. 如果某个Topic收到的消息很多，则应该给它配置多个队列，并让这些队列尽量平均分在多个Broker上

高可用设计：
RocketMQ采用主从结构来保证高可用，Master负责消息的写入，多个Slave负责消息的读取，Slave定期从Master处同步数据，保证最终一致性，如果Master挂了，可以由Slave继续提供度服务，并重新投票选举出新的Master。

这里有两个关键细节需要注意：

1. 一旦Broker挂了，由于RocketMQ的心跳机制实现细节，Producer和Consumer最多30s才能够发现，在这一段时间里，发往这个Broker的消息都会发送失败，并且也没有办法消费消息
2. RocketMQ保证的是最终一致性，所以会出现有一部分数据没来得及同步给Slave，Master就挂了的情况，但一旦Master回复之后，就又可以重新同步不一致的数据

高可靠设计：

1. 所有收到的消息都会有同步和异步的刷盘机制，也就是将数据保存在硬盘上，可靠性很高
2. 同步刷盘时，只有写入成功了才会返回成功
3. 异步刷盘时，只有服务器宕机了才会丢失数据，这个概率是非常小的

读写性能：

1. 使用了Linux系统的特性：以文件内存映射方式操作文件，避免read/write用户态和核心态的多次切换，性能很高
2. 使用了顺序写IO，也会提高效率
3. 读写分离，极大程度的缓解写锁和读锁的争用

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除此之外，RocketMQ还提供了其他的功能及特性。

消息清理：

1. 清理时机：默认是每天凌晨4点，或者磁盘空间不足时清理
2. 磁盘空间阈值：默认阈值是85%，也就是当磁盘空间被占了超过85%之后会触发清理过程
3. 消息写入磁盘文件后默认保存时间是72h

对此，我们也可以总结一下RocketMQ对服务器的硬件要求：

1. 内存占用高
2. 属于IO密集型应用，这种应用的特点是CPU附在高但使用率较低，大部分时间是在等待IO操作
3. 硬盘要求高，这样数据持久化就会很快

消费者架构

与注册中心的交互：

1. 一个Consumer与注册中心的一台服务器保持长连接，并且会定时查询MQ的Topic配置信息，如果当前注册中心的服务器宕机，Consumer会自动与下一台服务器连接
2. 在保持长连接的情况下，Consumer每30s获取一次配置中心的所有Topic配置信息，如果某个Broker宕机，Consumer最多需要30s可以从配置中心感知到（如果读消息多次失败也可以感知到）

与Broker的交互：

1. Consumer及与之关联的Broker之间保持长连接
2. Consumer默认每隔30s向与之关联的Broker发送心跳；Broker每10s扫描所有的长连接，如果某个连接2min内没有发送心跳数据，则关闭连接，并且通知消费者组里的其他消费者重新按照策略分配队列消费

负载均衡设计：

1. 一个Consumer集群里的每个Consumer只消费一个队列，如果某个Consumer挂了，则他的任务会被同组内Consumer接替

消费消息过程：

1. RocketMQ采用拉模型，Consumer不断拉取消息到本地来消费。拉取消息和消费消息是一个异步操作，所以就需要一个数据结构来存储拉下来的消息，这就是本地队列
2. 默认每隔5s，RocketMQ就会将各个队列的消息消费进度存储到对应的Broker上
3. 消费者拉取队列里的消息时，会将消息拉取任务放在本地的线程执行队列里逐次执行，执行完毕后再将任务放到队尾，依次循环

生产者架构

与注册中心的交互：

1. 一个Producer与注册中心的一台服务器保持长连接，并且会定时查询MQ的Topic配置信息，如果当前注册中心的服务器宕机，Producer会自动与下一台服务器连接
2. 在保持长连接的情况下，Producer每30s获取一次配置中心的所有Topic的最新队列情况，如果某个Broker宕机，Producer最多需要30s可以从配置中心感知到（如果写入消息多次失败也可以感知到）

与Broker的交互：

1. Producer及与之关联的Broker之间保持长连接
2. Producer默认每隔30s向与之关联的Broker发送心跳；Broker每10s扫描所有的长连接，如果某个连接2min内没有发送心跳数据，则关闭连接