RocketMQ核心知识原理

RocketMQ使用场景

• 应用解耦
• 流量削峰
• 数据分发

RocketMQ架构

• 架构图

  • 技术架构

• RocketMQ架构上主要分为四部分

  • Producer：消息发布的角色，支持分布式集群方式部署。Producer通过MQ的负载均衡模块选择相应的Broker集群队列进行消息投递，投递的过程支持快速失败并且低延迟。

  • Consumer：消息消费的角色，支持分布式集群方式部署。支持以push推，pull拉两种模式对消息进行消费。同时也支持集群方式和广播方式的消费，它提供实时消息订阅机制，可以满足大多数用户的需求

  • NameServer：NameServer是一个非常简单的Topic路由注册中心，其角色类似Dubbo中的zookeeper，支持Broker的动态注册与发现。主要包括两个功能：Broker管理，NameServer接受Broker集群的注册信息并且保存下来作为路由信息的基本数据。然后提供心跳检测机制，检查Broker是否还存活；路由信息管理，每个NameServer将保存关于Broker集群的整个路由信息和用于客户端查询的队列信息。然后Producer和Conumser通过NameServer就可以知道整个Broker集群的路由信息，从而进行消息的投递和消费。NameServer通常也是集群的方式部署，各实例间相互不进行信息通讯。Broker是向每一台NameServer注册自己的路由信息，所以每一个NameServer实例上面都保存一份完整的路由信息。当某个NameServer因某种原因下线了，Broker仍然可以向其它NameServer同步其路由信息，Producer和Consumer仍然可以动态感知Broker的路由的信息

  • BrokerServer：Broker主要负责消息的存储、投递和查询以及服务高可用保证，为了实现这些功能，Broker包含了以下几个重要子模块。

    1. Remoting Module：整个Broker的实体，负责处理来自Client端的请求。

    2. Client Manager：负责管理客户端(Producer/Consumer)和维护Consumer的Topic订阅信息。

    3. Store Service：提供方便简单的API接口处理消息存储到物理硬盘和查询功能。

    4. HA Service：高可用服务，提供Master Broker 和 Slave Broker之间的数据同步功能。

    5. Index Service：根据特定的Message key对投递到Broker的消息进行索引服务，以提供消息的快速查询。

    

• 架构部署

- **RocketMQ 网络部署特点**
  - NameServer是一个几乎无状态节点，可集群部署，节点之间无任何信息同步
  - Broker部署相对复杂，Broker分为Master与Slave，一个Master可以对应多个Slave，但是一个Slave只能对应一个Master，Master与Slave 的对应关系通过指定相同的BrokerName，不同的BrokerId 来定义，BrokerId为0表示Master，非0表示Slave。Master也可以部署多个。每个Broker与NameServer集群中的所有节点建立长连接，定时注册Topic信息到所有NameServer。 注意：当前RocketMQ版本在部署架构上支持一Master多Slave，但只有BrokerId=1的从服务器才会参与消息的读负载
  - Producer与NameServer集群中的其中一个节点（随机选择）建立长连接，定期从NameServer获取Topic路由信息，并向提供Topic 服务的Master建立长连接，且定时向Master发送心跳。Producer完全无状态，可集群部署
  - Consumer与NameServer集群中的其中一个节点（随机选择）建立长连接，定期从NameServer获取Topic路由信息，并向提供Topic服务的Master、Slave建立长连接，且定时向Master、Slave发送心跳。Consumer既可以从Master订阅消息，也可以从Slave订阅消息，消费者在向Master拉取消息时，Master服务器会根据拉取偏移量与最大偏移量的距离（判断是否读老消息，产生读I/O），以及从服务器是否可读等因素建议下一次是从Master还是Slave拉取
- **集群工作流程**
  - 启动NameServer，NameServer起来后监听端口，等待Broker、Producer、Consumer连上来，相当于一个路由控制中心
  - Broker启动，跟所有的NameServer保持长连接，定时发送心跳包。心跳包中包含当前Broker信息(IP+端口等)以及存储所有Topic信息。注册成功后，NameServer集群中就有Topic跟Broker的映射关系
  - 收发消息前，先创建Topic，创建Topic时需要指定该Topic要存储在哪些Broker上，也可以在发送消息时自动创建Topic
  - Producer发送消息，启动时先跟NameServer集群中的其中一台建立长连接，并从NameServer中获取当前发送的Topic存在哪些Broker上，轮询从队列列表中选择一个队列，然后与队列所在的Broker建立长连接从而向Broker发消息
  - Consumer跟Producer类似，跟其中一台NameServer建立长连接，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，开始消费消息

• 角色介绍

  • 消息模型（Message Model）
    • RocketMQ主要由 Producer、Broker、Consumer 三部分组成，其中Producer 负责生产消息，Consumer 负责消费消息，Broker 负责存储消息。Broker 在实际部署过程中对应一台服务器，每个 Broker 可以存储多个Topic的消息，每个Topic的消息也可以分片存储于不同的 Broker。Message Queue 用于存储消息的物理地址，每个Topic中的消息地址存储于多个 Message Queue 中。ConsumerGroup 由多个Consumer 实例构成
  • 消息生产者（Producer）
    • 负责生产消息，一般由业务系统负责生产消息。一个消息生产者会把业务应用系统里产生的消息发送到broker服务器。RocketMQ提供多种发送方式，同步发送、异步发送、顺序发送、单向发送。同步和异步方式均需要Broker返回确认信息，单向发送不需要
  • 消息消费者（Consumer）
    • 负责消费消息，一般是后台系统负责异步消费。一个消息消费者会从Broker服务器拉取消息、并将其提供给应用程序。从用户应用的角度而言提供了两种消费形式：拉取式消费、推动式消费
  • 主题（Topic）
    • 表示一类消息的集合，每个主题包含若干条消息，每条消息只能属于一个主题，是RocketMQ进行消息订阅的基本单位
  • 代理服务器（Broker Server）
    • 消息中转角色，负责存储消息、转发消息。代理服务器在RocketMQ系统中负责接收从生产者发送来的消息并存储、同时为消费者的拉取请求作准备。代理服务器也存储消息相关的元数据，包括消费者组、消费进度偏移和主题和队列消息等
  • 名字服务（Name Server）
    • 名称服务充当路由消息的提供者。生产者或消费者能够通过名字服务查找各主题相应的Broker IP列表。多个Namesrv实例组成集群，但相互独立，没有信息交换
  • 拉取式消费（Pull Consumer）
    • Consumer消费的一种类型，应用通常主动调用Consumer的拉消息方法从Broker服务器拉消息、主动权由应用控制。一旦获取了批量消息，应用就会启动消费过程
  • 推动式消费（Push Consumer）
    • Consumer消费的一种类型，该模式下Broker收到数据后会主动推送给消费端，该消费模式一般实时性较高
  • 生产者组（Producer Group）
    • 同一类Producer的集合，这类Producer发送同一类消息且发送逻辑一致。如果发送的是事务消息且原始生产者在发送之后崩溃，则Broker服务器会联系同一生产者组的其他生产者实例以提交或回溯消费
  • 消费者组（Consumer Group）
    • 同一类Consumer的集合，这类Consumer通常消费同一类消息且消费逻辑一致。消费者组使得在消息消费方面，实现负载均衡和容错的目标变得非常容易。要注意的是，消费者组的消费者实例必须订阅完全相同的Topic。RocketMQ 支持两种消息模式：集群消费（Clustering）和广播消费（Broadcasting）
  • 集群消费（Clustering）
    • 集群消费模式下,相同Consumer Group的每个Consumer实例平均分摊消息
  • 广播消费（Broadcasting）
    • 广播消费模式下，相同Consumer Group的每个Consumer实例都接收全量的消息
  • 普通顺序消息（Normal Ordered Message）
    • 普通顺序消费模式下，消费者通过同一个消息队列（ Topic 分区，称作 Message Queue） 收到的消息是有顺序的，不同消息队列收到的消息则可能是无顺序的
  • 严格顺序消息（Strictly Ordered Message）
    • 严格顺序消息模式下，消费者收到的所有消息均是有顺序的
  • 消息（Message）
    • 消息系统所传输信息的物理载体，生产和消费数据的最小单位，每条消息必须属于一个主题。RocketMQ中每个消息拥有唯一的Message ID，且可以携带具有业务标识的Key。系统提供了通过Message ID和Key查询消息的功能
  • 标签（Tag）
    • 为消息设置的标志，用于同一主题下区分不同类型的消息。来自同一业务单元的消息，可以根据不同业务目的在同一主题下设置不同标签。标签能够有效地保持代码的清晰度和连贯性，并优化RocketMQ提供的查询系统。消费者可以根据Tag实现对不同子主题的不同消费逻辑，实现更好的扩展性

RocketMQ核心消息存储原理

• 消息存储

  

• 息存储整体架构

  • CommitLog

    • CommitLog：消息主体以及元数据的存储主体，存储Producer端写入的消息主体内容,消息内容不是定长的。单个文件大小默认1G, 文件名长度为20位，左边补零，剩余为起始偏移量，比如00000000000000000000代表了第一个文件，起始偏移量为0，文件大小为1G=1073741824；当第一个文件写满了，第二个文件为00000000001073741824，起始偏移量为1073741824，以此类推。消息主要是顺序写入日志文件，当文件满了，写入下一个文件；注意每次文件会先申请1G得存储生成文件，借助磁盘的优势顺序写提高性能,保证了消息顺序存储的速度。文件大小一般需要限制在1.5~2G以下），采用Mmap的方式其读/写的效率和性能都非常高，

  • ConsumeQueue

    • ConsumeQueue：消息消费队列，引入的目的主要是提高消息消费的性能，由于RocketMQ是基于主题topic的订阅模式，消息消费是针对主题进行的，如果要遍历commitlog文件中根据topic检索消息是非常低效的。Consumer即可根据ConsumeQueue来查找待消费的消息。其中，ConsumeQueue（逻辑消费队列）作为消费消息的索引，保存了指定Topic下的队列消息在CommitLog中的起始物理偏移量offset，消息大小size和消息Tag的HashCode值。consumequeue文件可以看成是基于topic的commitlog索引文件，故consumequeue文件夹的组织方式如下：topic/queue/file三层组织结构，具体存储路径为：$HOME/store/consumequeue/{topic}/{queueId}/{fileName}。同样consumequeue文件采取定长设计，每一个条目共20个字节，分别为8字节的commitlog物理偏移量、4字节的消息长度、8字节tag hashcode，单个文件由30W个条目组成，可以像数组一样随机访问每一个条目，每个ConsumeQueue文件大小约5.72M；

  • IndexFile

    • IndexFile：IndexFile（索引文件）提供了一种可以通过key或时间区间来查询消息的方法。Index文件的存储位置是：$HOME \store\index${fileName}，文件名fileName是以创建时的时间戳命名的，固定的单个IndexFile文件大小约为400M，一个IndexFile可以保存 2000W个索引，IndexFile的底层存储设计为在文件系统中实现HashMap结构，故rocketmq的索引文件其底层实现为hash索引
    • RocketMQ采用的是混合型的存储结构，即为Broker单个实例下所有的队列共用一个日志数据文件（即为CommitLog）来存储。RocketMQ的混合型存储结构(多个Topic的消息实体内容都存储于一个CommitLog中)针对Producer和Consumer分别采用了数据和索引部分相分离的存储结构，Producer发送消息至Broker端，然后Broker端使用同步或者异步的方式对消息刷盘持久化，保存至CommitLog中。只要消息被刷盘持久化至磁盘文件CommitLog中，那么Producer发送的消息就不会丢失。正因为如此，Consumer也就肯定有机会去消费这条消息。当无法拉取到消息后，可以等下一次消息拉取，同时服务端也支持长轮询模式，如果一个消息拉取请求未拉取到消息，Broker允许等待30s的时间，只要这段时间内有新消息到达，将直接返回给消费端。这里，RocketMQ的具体做法是，使用Broker端的后台服务线程—ReputMessageService不停地分发请求并异步构建ConsumeQueue（逻辑消费队列）和IndexFile（索引文件）数据。

  • 过期文件删除机制

    CommitLog、ConsumerQueue文件是基于内存映射机制并在启动的时候回加
    载CommitLog、ConsumerQueue目录下的所有文件，为了避免内存与磁盘的浪费，不可能将消息永
    久存储在消息服务器上，所以要引入一种机制来删除已过期的文件。RocketMQ顺序写CommitLog、
    ConsumerQueue文件，所有写操作全部落在最后一个CommitLog或者ConsumerQueue文件上，之前
    的文件在下一个文件创建后将不会再被更新。RocketMQ清除过期文件的方法时：如果当前文件在在一
    定时间间隔内没有再次被消费，则认为是过期文件，可以被删除，RocketMQ不会关注这个文件上的消
    息是否全部被消费。默认每个文件的过期时间为72小时，通过在Broker配置文件中设置
    fileReservedTime来改变过期时间，单位为小时。

• 页缓存与内存映射

  • 零拷贝(mmap)

    • mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。
      它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式，进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。
      而Posix或System V的共享内存IPC则纯粹用于共享目的，当然mmap()实现共享内存也是其主要应用之一

      mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。
      文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清
      零。mmap在用户空间映射调用系统中作用很大，mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存

      普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存（ByteByffer）一样对文件进行访问，通
      过put和get进行访问不必再调用read()，write（）等操作

• PageCache

  • 由内存中的物理page组成，其内容对应磁盘上的block
  • page cache的大小是动态变化的
  • backing store: cache缓存的存储设备
  • 一个page通常包含多个block, 而block不一定是连续的

• 读Cache

- 当内核发起一个读请求时, 先会检查请求的数据是否缓存到了page cache中
  - 如果有，那么直接从内存中读取，不需要访问磁盘, 此即 cache hit(缓存命中)
  - 如果没有, 就必须从磁盘中读取数据, 然后内核将读取的数据再缓存到cache中, 如此
    后续的读请求就可以命中缓存了
- page可以只缓存一个文件的部分内容, 而不需要把整个文件都缓存进来

• 写Cache

  • 当内核发起一个写请求时, 也是直接往cache中写入, 后备存储中的内容不会直接更新
  • 内核会将被写入的page标记为dirty, 并将其加入到dirty list中
  • 内核会周期性地将dirty list中的page写回到磁盘上, 从而使磁盘上的数据和内存中缓存的数据
    一致

• cache回收

  • Page cache的另一个重要工作是释放page, 从而释放内存空间
  • cache回收的任务是选择合适的page释放
    • 如果page是dirty的, 需要将page写回到磁盘中再释放

• cache和buffer的区别

• Cache：缓存区，是高速缓存，是位于CPU和主内存之间的容量较小但速度很快的存储器，因
  为CPU的速度远远高于主内存的速度，CPU从内存中读取数据需等待很长的时间，而 Cache
  保存着CPU刚用过的数据或循环使用的部分数据，这时从Cache中读取数据会更快，减少了
  CPU等待的时间，提高了系统的性能

  • Cache并不是缓存文件的，而是缓存块的(块是I/O读写最小的单元)；Cache一般会用在I/O请求上，
    如果多个进程要访问某个文件，可以把此文件读入Cache中，这样下一个进程获取CPU控制权并访问此
    文件直接从Cache读取，提高系统性能

• Buffer：缓冲区，用于存储速度不同步的设备或优先级不同的设备之间传输数据；通过buffer
  可以减少进程间通信需要等待的时间，当存储速度快的设备与存储速度慢的设备进行通信时，
  存储慢的数据先把数据存放到buffer，达到一定程度存储快的设备再读取buffer的数据，在此
  期间存储快的设备CPU可以干其他的事情。

  • Buffer：一般是用在写入磁盘的，例如：某个进程要求多个字段被读入，当所有要求的字段被读入
    之前已经读入的字段会先放到buffer中

• HeapByteBuffer和DirectByteBuffer

  • HeapByteBuffer，是在jvm堆上面一个buffer，底层的本质是一个数组，用类封装维护了很多的
    索引（limit/position/capacity等）
  • DirectByteBuffer，底层的数据是维护在操作系统的内存中，而不是jvm里，DirectByteBuffer里维
    护了一个引用address指向数据，进而操作数据
  • HeapByteBuffer优点：内容维护在jvm里，把内容写进buffer里速度快；更容易回收

RocketMQ同步异步复制

• 同步复制
  • 同步复制方式是等Master和Slave均写 成功后才反馈给客户端写成功状态；
    在同步复制方式下，如果Master出故障，Slave上有全部的备份数据，容易恢复，但是同步复制会
    增大数据写入延迟，降低系统吞吐量。
• 异步复制
  • 异步复制方式是只要Master写成功 即可反馈给客户端写成功状态。
    在异步复制方式下，系统拥有较低的延迟和较高的吞吐量，但是如果Master出了故障，有些数据因
    为没有被写 入Slave，有可能会丢失；
• 实际应用中要结合业务场景，合理设置刷盘方式和主从复制方式， 尤其是SYNC_FLUSH方式，由于
  频繁地触发磁盘写动作，会明显降低性能。通常情况下，应该把Master和Save配置成ASYNC_FLUSH的
  刷盘 方式，主从之间配置成SYNC_MASTER的复制方式，这样即使有一台机器出故障，仍然能保证数据
  不丢，是个不错的选择。

RocketMQ高可用机制

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• RocketMQ分布式集群是通过Master和Slave的配合达到高可用性的。
• Master和Slave的区别
  • 在Broker的配置文件中，参数brokerId的值为0表明这个Broker是Master
  • 大于0表明这个Broker是Slave
  • brokerRole参数也说明这个Broker是Master还是Slave。
    (SYNC_MASTER/ASYNC_MASTER/SALVE)
  • Master角色的Broker支持读和写，Slave角色的Broker仅支持读
  • Consumer可以连接Master角色的Broker，也可以连接Slave角色的Broker来读取消息
• 消息消费高可用
  • 在Consumer的配置文件中，并不需要设置是从Master读还是从Slave 读，当Master不可用或者繁
    忙的时候，Consumer会被自动切换到从Slave 读。
    有了自动切换Consumer这种机制，当一个Master角色的机器出现故障后，Consumer仍然可以从
    Slave读取消息，不影响Consumer程序。
    这就达到了消费端的高可用性
• 消息发送高可用
  • 在创建Topic的时候，把Topic的多个Message Queue创建在多个Broker组上（相同Broker名称，
    不同brokerId的机器组成一个Broker组），这样既可以在性能方面具有扩展性，也可以降低主节点故障
    对整体上带来的影响，而且当一个Broker组的Master不可用后，其他组的Master仍然可用，Producer
    仍然可以发送消息的。

RocketMQ刷盘机制

RocketMQ 的所有消息都是持久化的，先写入系统 PageCache，然后刷盘，可以保证内存与磁盘
都有一份数据， 访问时，直接从内存读取。消息在通过Producer写入RocketMQ的时候，有两种写磁
盘方式，分布式同步刷盘和异步刷盘。

• 同步刷盘

• 同步刷盘与异步刷盘的唯一区别是异步刷盘写完 PageCache直接返回，而同步刷盘需要等待刷盘
  完成才返回， 同步刷盘流程如下

  • 写入 PageCache后，线程等待，通知刷盘线程刷盘
  • 刷盘线程刷盘后，唤醒前端等待线程，可能是一批线程
  • 前端等待线程向用户返回成功

• 异步刷盘