基于kafka原理单机高性能微秒级别队列改造

场景：

线上业务需要一款拥有超低延迟(us)，支持多消费者，并且能够处理海量的消息积压的消息队列。

调研：

1. kafka是我们日常生活中比较常见的消息队列，非常适合做消息的离线处理。但是在一些实时性要求比较高的场景下，消息自带的延迟是不可忍受的，测试发现一条消息转发大概需要200ms的耗时，实际情况可能有所出入，但肯定是毫秒级别的。kafka从设计上就是倾向于面向大众，满足大部分需求。当然满足这些要求的成本就是通过牺牲了性能。所以说kafka适合做离线处理。而不是做一些非常实时的应用。
2. zeromq就是针对实时应用的一款消息队列，提供了各个拓扑结构的链接方式，性能不错，但不足的是当消息积压有可能会写满内存。

市面上目前的消息队列都与我们的设计目标不符。

设计：

要想拥有微秒级别的延迟，

1. 不能走网络，数据必须放本地。
2. 用磁盘以及顺序io来保证写入读取性能。生产者收到数据后将数据以换行符append的形式写入文件（顺序写），消费者getline一直到文件尾（顺序读），
3. 使用inotify等待新数据的产生。
4. 不适用get_line, fgets等库函数，减少数据拷贝，自己实现拆包逻辑。
5. 读取的buffer_size不能设置的过小，由于下游消费通常存在一定的耗时，我们尽量一次多读取一些，否则系统调用read的成本很高。
6. 当消息产生积压的情况，我们采用water_mark机制来自动调节每次数据读取的最大字节。

实现：

 

#include 
#include 
#include 

#define EVENT_SIZE (sizeof(struct inotify_event))
#define BUF_LEN (10 * (EVENT_SIZE + FILENAME_MAX + 1))

int wartermark = 1024 * 1024;
int max_buffer_size = wartermark  * 6;

char *line_ = new char[10240]; // 每行缓冲区
char *buffer_ = new char[max_buffer_size];  // 文件缓冲区
char *buffer2_ = new char[BUF_LEN]; // inotify事件缓冲区

// 注册监听文件变化
int ifd_ = inotify_init();
if (ifd_ < 0)
{
    return;
}
inotify_add_watch(ifd_, path_.c_str(), IN_MODIFY | IN_CREATE | IN_DELETE);
// 打开文件
int fd_ = open(path_.c_str(), O_RDONLY);
if (fd_ < 0)
{
   return;
}
// 读取文件
register long int buffer_size = wartermark;
register char *cs;
register int i = 0;
cs = line_;
bool ok_ = true;
while (ok_)
{
    while ((read_ = read(fd_, buffer_, buffer_size)) != 0)
    {
        for (; i < read_; i++)
        {
            if ((*cs++ = buffer_[i]) != '\n')
            {
                continue;
            }
            //remove last \n
            *(--cs) = '\0';
            cb_(line_);
            if (!ok_) break;
            cs = line_;
        }
        if (!ok_) break;
        if (read_ == wartermark) {
            buffer_size = max_buffer_size;
        } else {
            buffer_size = wartermark;
        }
        i = 0;
    }
    read(ifd_, buffer2_, BUF_LEN);
}

消费者只需要将自己业务入口注册为cb_，就可以实现消费。

总结：

实际测试发现从消息生产到cb_入口消息延迟大概在100个us以内。以上代码虽然实现起来很简单，但是正是由于其简单才保证了超高的性能。