RocketMQ 的刷盘机制、主从复制、存储形式
文章目录
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- 同步刷盘和异步刷盘
- 同步复制和异步复制
- 存储机制
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- 流程分析
- 为何 CommitLog 文件要设计成固定大小的长度
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- page cache
- Mmap内存映射技术—MappedByteBuffer
- OS的PageCache机制
队列中的消息又是如何进行存储持久化的呢？
对于rocketMQ和kafka来说持久化方式分为：同步刷盘 和 异步刷盘
同步刷盘和异步刷盘
如上图所示，在同步刷盘中需要等待一个刷盘成功的 ACK ，同步刷盘对 MQ 消息可靠性来说是一种不错的保障，但是 性能上会有较大影响 ，一般地适用于金融等特定业务场景。
而异步刷盘往往是开启一个线程去异步地执行刷盘操作。消息刷盘采用后台异步线程提交的方式进行， 降低了读写延迟 ，提高了 MQ 的性能和吞吐量，一般适用于如发验证码等对于消息保证要求不太高的业务场景。
一般地，异步刷盘只有在 Broker 意外宕机的时候会丢失部分数据，你可以设置 Broker 的参数 FlushDiskType 来调整你的刷盘策略(ASYNC_FLUSH 或者 SYNC_FLUSH)。
同步复制和异步复制
上面的同步刷盘和异步刷盘是在单个结点层面的，而同步复制和异步复制主要是指的 Borker 主从模式下，主节点返回消息给客户端的时候是否需要同步从节点。
同步复制： 也叫 “同步双写”，也就是说，只有消息同步双写到主从节点上时才返回写入成功 。
异步复制： 消息写入主节点之后就直接返回写入成功 。
然而，很多事情是没有完美的方案的，就比如我们进行消息写入的节点越多就更能保证消息的可靠性，但是随之的性能也会下降，所以需要程序员根据特定业务场景去选择适应的主从复制方案。
那么，异步复制会不会也像异步刷盘那样影响消息的可靠性呢？
答案是不会的，因为两者就是不同的概念，对于消息可靠性是通过不同的刷盘策略保证的，而像异步同步复制策略仅仅是影响到了 可用性 。为什么呢？其主要原因是 RocketMQ 是不支持自动主从切换的，当主节点挂掉之后，生产者就不能再给这个主节点生产消息了。
比如这个时候采用异步复制的方式，在主节点还未发送完需要同步的消息的时候主节点挂掉了，这个时候从节点就少了一部分消息。但是此时生产者无法再给主节点生产消息了，消费者可以自动切换到从节点进行消费(仅仅是消费)，所以在主节点挂掉的时间只会产生主从结点短暂的消息不一致的情况，降低了可用性，而当主节点重启之后，从节点那部分未来得及复制的消息还会继续复制。
在单主从架构中，如果一个主节点挂掉了，那么也就意味着整个系统不能再生产了。那么这个可用性的问题能否解决呢？一个主从不行那就多个主从的呗，别忘了在我们最初的架构图中，每个 Topic 是分布在不同 Broker 中的。
但是这种复制方式同样也会带来一个问题，那就是无法保证 严格顺序 。在上文中我们提到了如何保证的消息顺序性是通过将一个语义的消息发送在同一个队列中，使用 Topic 下的队列来保证顺序性的。如果此时我们主节点A负责的是订单A的一系列语义消息，然后它挂了，这样其他节点是无法代替主节点A的，如果我们任意节点都可以存入任何消息，那就没有顺序性可言了。
而在 RocketMQ 中采用了 Dledger 解决这个问题。他要求在写入消息的时候，要求至少消息复制到半数以上的节点之后，才给客⼾端返回写⼊成功，并且它是⽀持通过选举来动态切换主节点的。这里我就不展开说明了，读者可以自己去了解。
也不是说 Dledger 是个完美的方案，至少在 Dledger 选举过程中是无法提供服务的，而且他必须要使用三个节点或以上，如果多数节点同时挂掉他也是无法保证可用性的，而且要求消息复制半数以上节点的效率和直接异步复制还是有一定的差距的。
存储机制
在 Topic 中的 队列是以什么样的形式存在的？队列中的消息又是如何进行存储持久化的呢？ 还未解决，其实这里涉及到了 RocketMQ 是如何设计它的存储结构了。我首先想大家介绍 RocketMQ 消息存储架构中的三大角色——CommitLog 、ConsumeQueue 和 IndexFile 。
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。
ConsumeQueue： 消息消费队列，引入的目的主要是提高消息消费的性能(我们再前面也讲了)，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（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。这里只做科普不做详细介绍。
总结来说，整个消息存储的结构，最主要的就是 CommitLoq 和 ConsumeQueue 。而 ConsumeQueue 你可以大概理解为 Topic 中的队列。
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来存储消息。有意思的是在同样高并发的 Kafka 中会为每个 Topic 分配一个存储文件。这就有点类似于我们有一大堆书需要装上书架，RockeMQ 是不分书的种类直接成批的塞上去的，而 Kafka 是将书本放入指定的分类区域的。
而 RocketMQ 为什么要这么做呢？原因是 提高数据的写入效率 ，不分 Topic 意味着我们有更大的几率获取 成批 的消息进行数据写入，但也会带来一个麻烦就是读取消息的时候需要遍历整个大文件，这是非常耗时的。
所以，在 RocketMQ 中又使用了 ConsumeQueue 作为每个队列的索引文件来 提升读取消息的效率。我们可以直接根据队列的消息序号，计算出索引的全局位置（索引序号*索引固定⻓度20），然后直接读取这条索引，再根据索引中记录的消息的全局位置，找到消息。
讲到这里，你可能对 RockeMQ 的存储架构还有些模糊，没事，我们结合着图来理解一下。
流程分析
首先，在最上面的那一块就是我刚刚讲的你现在可以直接 把 ConsumerQueue 理解为 Queue。
在图中最左边说明了红色方块代表被写入的消息，虚线方块代表等待被写入的。左边的生产者发送消息会指定 Topic 、QueueId 和具体消息内容，而在 Broker 中管你是哪门子消息，他直接 全部顺序存储到了 CommitLog。而根据生产者指定的 Topic 和 QueueId 将这条消息本身在 CommitLog 的偏移(offset)，消息本身大小，和tag的hash值存入对应的 ConsumeQueue 索引文件中。而在每个队列中都保存了 ConsumeOffset 即每个消费者组的消费位置，而消费者拉取消息进行消费的时候只需要根据 ConsumeOffset 获取下一个未被消费的消息就行了。
为何 CommitLog 文件要设计成固定大小的长度
直接先给出答案，这个和内存映射有关。
page cache
这里有必要先稍微简单地介绍下page cache的概念。系统的所有文件I/O请求，操作系统都是通过page cache机制实现的。对于操作系统来说，磁盘文件都是由一系列的数据块顺序组成，数据块的大小由操作系统本身而决定，x86的linux中一个标准页面大小是4KB。
操作系统内核在处理文件I/O请求时，首先到page cache中查找（page cache中的每一个数据块都设置了文件以及偏移量地址信息），如果未命中，则启动磁盘I/O，将磁盘文件中的数据块加载到page cache中的一个空闲块，然后再copy到用户缓冲区中。
page cache本身也会对数据文件进行预读取，对于每个文件的第一个读请求操作，系统在读入所请求页面的同时会读入紧随其后的少数几个页面。因此，想要提高page cache的命中率（尽量让访问的页在物理内存中），从硬件的角度来说肯定是物理内存越大越好。从操作系统层面来说，访问page cache时，即使只访问1k的消息，系统也会提前预读取更多的数据，在下次读取消息时, 就很可能可以命中内存。
Mmap内存映射技术—MappedByteBuffer
（a）Mmap内存映射技术的特点
Mmap内存映射和普通标准IO操作的本质区别在于它并不需要将文件中的数据先拷贝至OS的内核IO缓冲区，而是可以直接将用户进程私有地址空间中的一块区域与文件对象建立映射关系，这样程序就好像可以直接从内存中完成对文件读/写操作一样。只有当缺页中断发生时，直接将文件从磁盘拷贝至用户态的进程空间内，只进行了一次数据拷贝。对于容量较大的文件来说（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。
（b）JDK NIO的MappedByteBuffer简要分析
从JDK的源码来看，MappedByteBuffer继承自ByteBuffer，其内部维护了一个逻辑地址变量—address。在建立映射关系时，MappedByteBuffer利用了JDK NIO的FileChannel类提供的map()方法把文件对象映射到虚拟内存。仔细看源码中map()方法的实现，可以发现最终其通过调用native方法map0()完成文件对象的映射工作，同时使用Util.newMappedByteBuffer()方法初始化MappedByteBuffer实例，但最终返回的是DirectByteBuffer的实例。在Java程序中使用MappedByteBuffer的get()方法来获取内存数据是最终通过DirectByteBuffer.get()方法实现（底层通过unsafe.getByte()方法，以“地址 + 偏移量”的方式获取指定映射至内存中的数据）。
（c）使用Mmap的限制
a.Mmap映射的内存空间释放的问题；由于映射的内存空间本身就不属于JVM的堆内存区（Java Heap），因此其不受JVM GC的控制，卸载这部分内存空间需要通过系统调用 unmap()方法来实现。然而unmap()方法是FileChannelImpl类里实现的私有方法，无法直接显示调用。RocketMQ中的做法是，通过Java反射的方式调用“sun.misc”包下的Cleaner类的clean()方法来释放映射占用的内存空间；
b.MappedByteBuffer内存映射大小限制；因为其占用的是虚拟内存（非JVM的堆内存），大小不受JVM的-Xmx参数限制，但其大小也受到OS虚拟内存大小的限制。一般来说，一次只能映射1.5~2G 的文件至用户态的虚拟内存空间，这也是为何RocketMQ默认设置单个CommitLog日志数据文件为1G的原因了；
c.使用MappedByteBuffe的其他问题；会存在内存占用率较高和文件关闭不确定性的问题；
OS的PageCache机制
PageCache是OS对文件的缓存，用于加速对文件的读写。一般来说，程序对文件进行顺序读写的速度几乎接近于内存的读写访问，这里的主要原因就是在于OS使用PageCache机制对读写访问操作进行了性能优化，将一部分的内存用作PageCache。
（1）对于数据文件的读取，如果一次读取文件时出现未命中PageCache的情况，OS从物理磁盘上访问读取文件的同时，会顺序对其他相邻块的数据文件进行预读取（ps：顺序读入紧随其后的少数几个页面）。这样，只要下次访问的文件已经被加载至PageCache时，读取操作的速度基本等于访问内存。
（2）对于数据文件的写入，OS会先写入至Cache内，随后通过异步的方式由pdflush内核线程将Cache内的数据刷盘至物理磁盘上。
对于文件的顺序读写操作来说，读和写的区域都在OS的PageCache内，此时读写性能接近于内存。RocketMQ的大致做法是，将数据文件映射到OS的虚拟内存中（通过JDK NIO的MappedByteBuffer），写消息的时候首先写入PageCache，并通过异步刷盘的方式将消息批量的做持久化（同时也支持同步刷盘）；订阅消费消息时（对CommitLog操作是随机读取），由于PageCache的局部性热点原理且整体情况下还是从旧到新的有序读，因此大部分情况下消息还是可以直接从Page Cache中读取，不会产生太多的缺页（Page Fault）中断而从磁盘读取。
PageCache机制也不是完全无缺点的，当遇到OS进行脏页回写，内存回收，内存swap等情况时，就会引起较大的消息读写延迟。
对于这些情况，RocketMQ采用了多种优化技术，比如内存预分配，文件预热，mlock系统调用等，来保证在最大可能地发挥PageCache机制优点的同时，尽可能地减少其缺点带来的消息读写延迟。
在RocketMQ中，ConsumeQueue逻辑消费队列存储的数据较少，并且是顺序读取，在page cache机制的预读取作用下，Consume Queue的读性能会比较高近乎内存，即使在有消息堆积情况下也不会影响性能。而对于CommitLog消息存储的日志数据文件来说，读取消息内容时候会产生较多的随机访问读取，严重影响性能。如果选择合适的系统IO调度算法，比如设置调度算法为“Noop”（此时块存储采用SSD的话），随机读的性能也会有所提升。
另外，RocketMQ主要通过MappedByteBuffer对文件进行读写操作。其中，利用了NIO中的FileChannel模型直接将磁盘上的物理文件直接映射到用户态的内存地址中（这种Mmap的方式减少了传统IO将磁盘文件数据在操作系统内核地址空间的缓冲区和用户应用程序地址空间的缓冲区之间来回进行拷贝的性能开销），将对文件的操作转化为直接对内存地址进行操作，从而极大地提高了文件的读写效率（这里需要注意的是，采用MappedByteBuffer这种内存映射的方式有几个限制，其中之一是一次只能映射1.5~2G 的文件至用户态的虚拟内存，这也是为何RocketMQ默认设置单个CommitLog日志数据文件为1G的原因了）。