MQ系列7：消息通信，追求极致性能

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MQ系列1：消息中间件执行原理
MQ系列2：消息中间件的技术选型
MQ系列3：RocketMQ 架构分析
MQ系列4：NameServer 原理解析
MQ系列5：RocketMQ消息的发送模式
MQ系列6：消息的消费

1 介绍

前面的章节我学习了 NameServer的原理，消息的生产发送，以及消息的消费的全过程。
我们来回顾一下：
RocketMQ 消息队列架构主要包括NameServe、Broker(Master/Slave)、Producer、Consumer 4个核心部件，基本执行流程如下：
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1. NameServer 优先启动。NameServer 是整个 RocketMQ 的“中央大脑” ，作为 RocketMQ 的服务注册中心，所以 RocketMQ 需要先启动 NameServer 再启动 Rocket 中的 Broker。
2. Broker 启动后，需要将自己注册至NameServer中，并 保持长连接，每 30s 发送一次发送心跳包，来确保Broker是否存活。并将 Broker 信息 ( IP+、端口等信息）以及Broker中存储的Topic信息上报。注册成功后，NameServer 集群中就有 Topic 跟 Broker 的映射关系。
3. NameServer 如果检测到Broker 宕机（因为使用心跳机制， 如果检测超120s（两分钟）无响应），则从路由注册表中将其移除。
4. 生产者在发送某个主题的消息之前先从 NamerServer 获取 Broker 服务器地址列表（Broker可能是Cluster模式），然后根据负载均衡算法从列表中选择1台Broker ，建立连接通道，进行消息发送。
5. 消费者在订阅某个topic的消息之前从 NamerServer 获取 Broker 服务器地址列表（Broker可能是Cluster模式），包括关联的全部Topic队列信息。进而获取当前订阅 Topic 存在哪些 Broker 上，然后直接跟 Broker 建立连接通道，开始消费数据。
6. 生产者和消费者默认每30s 从 NamerServer 获取 Broker 服务器地址列表，以及关联的所有Topic队列信息，更新到Client本地。
   2 ~ 4 步骤实际上是 Producer、Broker 以及NameServer 之间整个进行数据通信的过程，面对复杂的消息队列系统，一个性能优良，稳定性高的网络通信模块是非常重要的，它体现了RocketMQ集群消息的整体吞吐和负载能力。也是RocketMQ保证高性能、高稳定性的基石。

2 网络通信过程分析

2.1 通信类（rocketmq-remoting ）的结构解析

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通过上图可以看到，在整个RocketMQ队列系统中，rocketmq-remoting 这个module是专门用来负责网络通信职能的。
并且从模块依赖关系中可以看出 ，rocketmq-client（client）、rocketmq-broker（broker）、rocketmq-namesrv（namesrc 命名服务） 等模块均依赖了它。
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通信层是基于 Netty 进行扩展的，并自定义了通信协议，用于将消息传递给 Broker 进行存储。实现Client与Server之间高效的数据请求与接收。

2.2 协议结构设计

因为是基于Netty进行扩展的，所以自定义了RocketMQ的消息协议，在传输过程的数据进行结构制定、封装、编解码的过程。
在RocketMQ中，负责这个工作的就是RemotingCommand类，我们来看看这个类的几个重要属性：

字段	类型	Request维度	Response维度
code	int	请求操作码，依据不同的请求码做不同的业务处理	应答响应码：0成功，非0标识对应的错误
language	LanguageCode	枚举（JAVA、CPP、PYThON、GO等）：请求方实现的编码语言	应答方实现的编码语言
version	int	请求方程序的版本	应答方版本
opaque	int	类似请求ID：reqeustId，唯一识别码，区分每一个独立的请求	response的时候直接返回
flag	int	区分是普通还是oneway的RPC：RPC_ONEWAY = 1; RPC = 0。	区分是普通还是oneway RPC
remark	String	自定义备注信息	自定义备注信息
extFields	HashMap	Request自定义扩展的字段属性	Response自定义扩展的字段属性

2.3 消息内容的组成结构

传输的消息内容主要由一下几个部分组成：

组成部分	说明
消息长度	消息的总长度，int类型，四个字节存储
序列化类型+消息头length	int类型，字节1表示序列化类型，字节2~4表示消息头长度
消息头的数据	序列化后的消息头数据
消息主体数据	消息主体数据内容，二进制字节

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2.4 RocketMQ 消息通信流程

在RocketMQ消息队列中支持通信的模式主要有

• sync 同步发送模式
• async 异步发送模式
• oneway 单向模式，无需关注Response

2.4.1 通信流程说明

下图从 NettyRemotingClient 初始化，NettyRemotingServer 初始化，基于 NettyRemotingClient 的消息发送，以及Handler 处理过程来说明。
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• Broker 和 NameServer 启动时同步调用 NettyRemotingServer.start() 方法， 初始化 Netty 服务器
  • 配置 BossGroup/WorkerGroup NioEventLoopGroup 线程组
  • 配置 Channel
  • 添加 NettyServerHandler
  • 调用 serverBootstrap.bind() 监听端口，等待client的connection
• Producer 和 Consumer 同样需要启动 Netty 的客户端，通过调用NettyRemotingClient.start() 初始化 Netty 客户端
  • 配置客户端 NioEventLoopGroup 线程组
  • 配置 Channel
  • 添加 NettyClientHandler
• 发送同步消息时，调用 NettyRemoteClient.invokeSync()，从 channelTables 缓存中获取或者创建用于通信的 Channel 通道。
• 创建完 Channel 后，生产者 Producer 调用 Channel.writeAndFlush() 发送数据
• NettyRemotingServer 服务端线程组 处理可读事件，调用 NettyServerHandler 处理数据。
• 下一步，NettyServerHandler 调用 processMessageReceived方法，接收并处理传送过来的数据。
• 根据请求码 RequestCode 区别不同的请求，来执行不同的 Processor。
  • 说明：Processor 在服务端初始化的时候，将 RequestCode 添加到 Processor 缓存中。消息的存、查、拉取都是不同的请求码。
• processMessageReceived 从ResponseTables（key 为 opaque） 缓存中取出 ResponseFuture，并将将返回结果设置到 ResponseFuture。同步模式下执行 responseFuture.putResponse()方法，异步调用执行回调方法。
• NettyRemotingClient 收到可读事件，调用 NettyClientHandler 读取并处理返回事件。

2.4.2 Reactor多线程设计

上面我们说过了，RocketMQ的通信是采用Netty组件作为底层通信库。同样的，它也遵循Reactor多线程模型，并在此基础上做了一些优化。
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上面图中四个图形可以大致说明NettyRemotingServer的Reactor 多线程模型，在RocketMQ中的存在形式。

• M：1个 Reactor 主线程：eventLoopGroupBoss，它的职能是负责监听 TCP网络连接请求，有连接请求过来时候，创建SocketChannel，并注册到selector上。
• S：RocketMQ的源码中会选择NIO或Epoll，来监听网络数据，当监听到网络数据过来时，读取数据并丢给Worker线程池：eventLoopGroupSelector，Rocket源码中默认设置线程数为3。
• M1：执行业务之前的各种杂事（SSL认证、空闲检查、网络连接检查、编解码、序列化反序列化 等等），交付给 这些工作交给defaultEventExecutorGroup 去处理，RocketMQ源码中默认线程数设置为8。
• M2：剩下处理业务的操作，就直接放在业务线程池中执行了。按照之前说的，依据RequestCode去processorTable 本地缓存中找到对应的 processor，并封装成task任务，在丢给对应的业务processor线程池来处理。

线程数标识	线程名	说明
1	NettyBoss	Reactor 主线程，默认1
N	NettyServerEPOLLSelector	Reactor 线程池，默认3
M1	NettyServerCodecThread	Worker 线程池，默认8
M2	RemotingExecutorThread	Processor线程池，处理业务逻辑

完整的可以参照官网的这张图：
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总结

上面介绍了 RocketMQ 消息通信的主要内容，我们用几句话总结下：

• 整个RocketMQ队列系统中，rocketmq-remoting Module是专门用来负责网络通信职能的。
• 网络通信模块基于Netty进行扩展的，所以自定义了RocketMQ的消息协议，在传输过程的数据进行结构制定、封装、编解码的过程。
• 理解 NettyRemotingServer/NettyRemotingClient 的初始化过程，以及调用 NettyServerHandler/NettyClienthandler 进行处理的执行流程。
• 同步异步：同步和异步消核心区别是 同步消息通过 Netty 发送请求后会执行 ResponseFuture.waitResponse() 阻塞等待，异步的请求则 SendCallback 相应的方法进行回调处理。
• 多线程模式下会通过1个Reactor 主线程（监听连接），以及Reactor 线程池（监听数据）、Worker 线程池（处理前置工作）、Processor线程池（处理业务逻辑） 来处理通信过程。