JAVA前往高级开发架构方向随笔（第五天）
为什么使用Kafka、ActiveMQ、RabbitMQ、RocketMQ 消息队列？
1.面试题
- 为什么使用消息队列？
- 消息队列有什么优点和缺点？
- Kafka、ActiveMQ、RabbitMQ、RocketMQ 都有什么区别，以及适合哪些场景？
2.面试官心理分析
其实面试官主要是想看看：
- 第一，你知不知道你们系统里为什么要用消息队列这个东西？
- 不少候选人，说自己项目里用了 Redis、MQ，但是其实他并不知道自己为什么要用这个东西。其实说白了，就是为了用而用，或者是别人设计的架构，他从头到尾都没思考过。
- 没有对自己的架构问过为什么的人，一定是平时没有思考的人，面试官对这类候选人印象通常很不好。因为面试官担心你进了团队之后只会木头木脑的干呆活儿，不会自己思考。
- 第二，你既然用了消息队列这个东西，你知不知道用了有什么好处&坏处？
- 你要是没考虑过这个，那你盲目弄个 MQ 进系统里，后面出了问题你是不是就自己溜了给公司留坑？你要是没考虑过引入一个技术可能存在的弊端和风险，面试官把这类候选人招进来了，基本可能就是挖坑型选手。就怕你干 1 年挖一堆坑，自己跳槽了，给公司留下无穷后患。
- 第三，既然你用了 MQ，可能是某一种 MQ，那么你当时做没做过调研？
- 你别傻乎乎的自己拍脑袋看个人喜好就瞎用了一个 MQ，比如 Kafka，甚至都从没调研过业界流行的 MQ 到底有哪几种。每一个 MQ 的优点和缺点是什么。每一个 MQ 没有绝对的好坏，但是就是看用在哪个场景可以扬长避短，利用其优势，规避其劣势。
- 如果是一个不考虑技术选型的候选人招进了团队，leader 交给他一个任务，去设计个什么系统，他在里面用一些技术，可能都没考虑过选型，最后选的技术可能并不一定合适，一样是留坑。
3.面试题剖析
为什么使用消息队列
其实就是问问你消息队列都有哪些使用场景，然后你项目里具体是什么场景，说说你在这个场景里用消息队列是什么？面试官问你这个问题，期望的一个回答是说，你们公司有个什么业务场景，这个业务场景有个什么技术挑战，如果不用 MQ 可能会很麻烦，但是你现在用了 MQ 之后带给了你很多的好处。
先说一下消息队列常见的使用场景吧，其实场景有很多，但是比较核心的有 3 个：解耦、异步、削峰。
解耦
看这么个场景。A 系统发送数据到 BCD 三个系统，通过接口调用发送。如果 E 系统也要这个数据呢？那如果 C 系统现在不需要了呢？A 系统负责人几乎崩溃......
在这个场景中，A 系统跟其它各种乱七八糟的系统严重耦合，A 系统产生一条比较关键的数据，很多系统都需要 A 系统将这个数据发送过来。A 系统要时时刻刻考虑 BCDE 四个系统如果挂了该咋办？要不要重发，要不要把消息存起来？头发都白了啊！
如果使用 MQ，A 系统产生一条数据，发送到 MQ 里面去，哪个系统需要数据自己去 MQ 里面消费。如果新系统需要数据，直接从 MQ 里消费即可；如果某个系统不需要这条数据了，就取消对 MQ 消息的消费即可。这样下来，A 系统压根儿不需要去考虑要给谁发送数据，不需要维护这个代码，也不需要考虑人家是否调用成功、失败超时等情况。
总结：通过一个 MQ，Pub/Sub 发布订阅消息这么一个模型，A 系统就跟其它系统彻底解耦了。
面试技巧：你需要去考虑一下你负责的系统中是否有类似的场景，就是一个系统或者一个模块，调用了多个系统或者模块，互相之间的调用很复杂，维护起来很麻烦。但是其实这个调用是不需要直接同步调用接口的，如果用 MQ 给它异步化解耦，也是可以的，你就需要去考虑在你的项目里，是不是可以运用这个 MQ 去进行系统的解耦。在简历中体现出来这块东西，用 MQ 作解耦。
异步
再来看一个场景，A 系统接收一个请求，需要在自己本地写库，还需要在 BCD 三个系统写库，自己本地写库要 3ms，BCD 三个系统分别写库要 300ms、450ms、200ms。最终请求总延时是 3 + 300 + 450 + 200 = 953ms，接近 1s，用户感觉搞个什么东西，慢死了慢死了。用户通过浏览器发起请求，等待个 1s，这几乎是不可接受的。
一般互联网类的企业，对于用户直接的操作，一般要求是每个请求都必须在 200 ms 以内完成，对用户几乎是无感知的。
如果使用 MQ，那么 A 系统连续发送 3 条消息到 MQ 队列中，假如耗时 5ms，A 系统从接受一个请求到返回响应给用户，总时长是 3 + 5 = 8ms，对于用户而言，其实感觉上就是点个按钮，8ms 以后就直接返回了，爽！网站做得真好，真快！
削峰
每天 0:00 到 12:00，A 系统风平浪静，每秒并发请求数量就 50 个。结果每次一到 12:00 ~ 13:00 ，每秒并发请求数量突然会暴增到 5k+ 条。但是系统是直接基于 MySQL 的，大量的请求涌入 MySQL，每秒钟对 MySQL 执行约 5k 条 SQL。
一般的 MySQL，扛到每秒 2k 个请求就差不多了，如果每秒请求到 5k 的话，可能就直接把 MySQL 给打死了，导致系统崩溃，用户也就没法再使用系统了。
但是高峰期一过，到了下午的时候，就成了低峰期，可能也就 1w 的用户同时在网站上操作，每秒中的请求数量可能也就 50 个请求，对整个系统几乎没有任何的压力。
如果使用 MQ，每秒 5k 个请求写入 MQ，A 系统每秒钟最多处理 2k 个请求，因为 MySQL 每秒钟最多处理 2k 个。A 系统从 MQ 中慢慢拉取请求，每秒钟就拉取 2k 个请求，不要超过自己每秒能处理的最大请求数量就 ok，这样下来，哪怕是高峰期的时候，A 系统也绝对不会挂掉。而 MQ 每秒钟 5k 个请求进来，就 2k 个请求出去，结果就导致在中午高峰期（1 个小时），可能有几十万甚至几百万的请求积压在 MQ 中。
这个短暂的高峰期积压是 ok 的，因为高峰期过了之后，每秒钟就 50 个请求进 MQ，但是 A 系统依然会按照每秒 2k 个请求的速度在处理。所以说，只要高峰期一过，A 系统就会快速将积压的消息给解决掉。
消息队列有什么优缺点
优点上面已经说了，就是在特殊场景下有其对应的好处，解耦、异步、削峰。
缺点有以下几个：
- 系统可用性降低
- 系统引入的外部依赖越多，越容易挂掉。本来你就是 A 系统调用 BCD 三个系统的接口就好了，人 ABCD 四个系统好好的，没啥问题，你偏加个 MQ 进来，万一 MQ 挂了咋整，MQ 一挂，整套系统崩溃的，你不就完了？如何保证消息队列的高可用，可以点击这里查看。
- 系统复杂度提高
- 硬生生加个 MQ 进来，你怎么保证消息没有重复消费？怎么处理消息丢失的情况？怎么保证消息传递的顺序性？头大头大，问题一大堆，痛苦不已。
- 一致性问题
- A 系统处理完了直接返回成功了，人都以为你这个请求就成功了；但是问题是，要是 BCD 三个系统那里，BD 两个系统写库成功了，结果 C 系统写库失败了，咋整？你这数据就不一致了。
所以消息队列实际是一种非常复杂的架构，你引入它有很多好处，但是也得针对它带来的坏处做各种额外的技术方案和架构来规避掉，做好之后，你会发现，妈呀，系统复杂度提升了一个数量级，也许是复杂了 10 倍。但是关键时刻，用，还是得用的。
Kafka、ActiveMQ、RabbitMQ、RocketMQ 有什么优缺点？
综上，各种对比之后，有如下建议：
(1) 一般的业务系统要引入 MQ，最早大家都用 ActiveMQ，但是现在确实大家用的不多了，没经过大规模吞吐量场景的验证，社区也不是很活跃，所以大家还是算了吧，我个人不推荐用这个了；
(2) 后来大家开始用 RabbitMQ，但是确实 erlang 语言阻止了大量的 Java 工程师去深入研究和掌控它，对公司而言，几乎处于不可控的状态，但是确实人家是开源的，比较稳定的支持，活跃度也高；
(3) 不过现在确实越来越多的公司会去用 RocketMQ，确实很不错，毕竟是阿里出品，但社区可能有突然黄掉的风险（目前 RocketMQ 已捐给 Apache，但 GitHub 上的活跃度其实不算高）对自己公司技术实力有绝对自信的，推荐用 RocketMQ，否则回去老老实实用 RabbitMQ 吧，人家有活跃的开源社区，绝对不会黄。
所以中小型公司，技术实力较为一般，技术挑战不是特别高，用 RabbitMQ 是不错的选择；大型公司，基础架构研发实力较强，用 RocketMQ 是很好的选择。
请谈谈你对Sychronized关键字的理解？
面试官：sychronized关键字有哪些特性？
应聘者：
- 可以用来修饰方法;
- 可以用来修饰代码块;
- 可以用来修饰静态方法;
- 可以保证线程安全;
- 支持锁的重入;
- sychronized使用不当导致死锁;
了解sychronized之前,我们先来看一下几个常见的概念:内置锁、互斥锁、对象锁和类锁。
内置锁
在Java中每一个对象都可以作为同步的锁，那么这些锁就被称为内置锁。线程进入同步代码块或方法的时候会自动获得该锁，在退出同步代码块或方法时会释放该锁。获得内置锁的唯一途径就是进入这个锁的保护的同步代码块或方法。
互斥锁
内置锁同时也是一个互斥锁，这就是意味着最多只有一个线程能够获得该锁，当线程A尝试去获得线程B持有的内置锁时，线程A必须等待或者阻塞，直到线程B抛出异常或者正常执行完毕释放这个锁；如果B线程不释放这个锁，那么A线程将永远等待下去。
对象锁和类锁
对象锁和类锁在锁的概念上基本上和内置锁是一致的，但是，两个锁实际是有很大的区别的。
- 对象锁是用于对象实例方法；
- 类锁是用于类的静态方法或者一个类的class对象上的
一个对象无论有多少个同步方法区，它们共用一把锁，某一时刻某个线程已经进入到某个synchronzed方法，那么在该方法没有执行完毕前，其他线程无法访问该对象的任何synchronzied 方法的，但可以访问非synchronzied方法。
如果synchronized方法是static的，那么当线程访问该方法时，它锁的并不是synchronized方法所在的对象，而是synchronized方法所在对象的对应的Class对象，
因为java中无论一个类有多少个对象，这些对象会对应唯一一个Class对象，因此当线程分别访问同一个类的两个对象的static，synchronized方法时，他们的执行也是按顺序来的，也就是说一个线程先执行，一个线程后执行。
synchronized的用法：修饰方法和修饰代码块，下面分别分析这两种用法在对象锁和类锁上的效果。
对象锁的synchronized修饰方法和代码块
public class TestSynchronized {
public void test1() {
synchronized (this) {
int i = 5;
while (i-- > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
}
public synchronized void test2() {
int i = 5;
while (i-- > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
public static void main(String[] args) {
final TestSynchronized myt2 = new TestSynchronized();
Thread test1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
myt2.test1();
}
}, "test1");
Thread test2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
myt2.test2();
}
}, "test2");
test1.start();
test2.start();
}
}
打印结果如下：
test2 : 4
test2 : 3
test2 : 2
test2 : 1
test2 : 0
test1 : 4
test1 : 3
test1 : 2
test1 : 1
test1 : 0
上述的代码，第一个方法用了同步代码块的方式进行同步，传入的对象实例是this，表明是当前对象；第二个方法是修饰方法的方式进行同步。因为第一个同步代码块传入的this，所以两个同步代码所需要获得的对象锁都是同一个对象锁，下面main方法时分别开启两个线程，分别调用test1和test2方法，那么两个线程都需要获得该对象锁，另一个线程必须等待。上面也给出了运行的结果可以看到：直到test2线程执行完毕，释放掉锁，test1线程才开始执行。这里test2方法先抢到CPU资源，故它先执行，它获得了锁，它执行完毕后，test1才开始执行。
如果我们把test2方法的synchronized关键字去掉，执行结果会如何呢？
test1 : 4
test2 : 4
test2 : 3
test2 : 2
test2 : 1
test2 : 0
test1 : 3
test1 : 2
test1 : 1
test1 : 0
我们可以看到，结果输出是交替着进行输出的，这是因为，某个线程得到了对象锁，但是另一个线程还是可以访问没有进行同步的方法或者代码。进行了同步的方法（加锁方法）和没有进行同步的方法（普通方法）是互不影响的，一个线程进入了同步方法，得到了对象锁，其他线程还是可以访问那些没有同步的方法（普通方法）。
类锁的修饰（静态）方法和代码块
public class TestSynchronized {
public void test1() {
synchronized (TestSynchronized.class) {
int i = 5;
while (i-- > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
}
public static synchronized void test2() {
int i = 5;
while (i-- > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
public static void main(String[] args) {
final TestSynchronized myt2 = new TestSynchronized();
Thread test1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
myt2.test1();
}
}, "test1");
Thread test2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
TestSynchronized.test2();
}
}, "test2");
test1.start();
test2.start();
}
}
输出结果如下：
test1 : 4
test1 : 3
test1 : 2
test1 : 1
test1 : 0
test2 : 4
test2 : 3
test2 : 2
test2 : 1
test2 : 0
类锁修饰方法和代码块的效果和对象锁是一样的，因为类锁只是一个抽象出来的概念，只是为了区别静态方法的特点，因为静态方法是所有对象实例共用的，所以对应着synchronized修饰的静态方法的锁也是唯一的，所以抽象出来个类锁。其实这里的重点在下面这块代码，synchronized同时修饰静态和非静态方法
public class TestSynchronized {
public synchronized void test1() {
int i = 5;
while (i-- > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
public static synchronized void test2() {
int i = 5;
while (i-- > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
public static void main(String[] args) {
final TestSynchronized myt2 = new TestSynchronized();
Thread test1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
myt2.test1();
}
}, "test1");
Thread test2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
TestSynchronized.test2();
}
}, "test2");
test1.start();
test2.start();
}
}
输出结果如下：
test1 : 4
test2 : 4
test1 : 3
test2 : 3
test2 : 2
test1 : 2
test2 : 1
test1 : 1
test1 : 0
test2 : 0
上面代码synchronized同时修饰静态方法和实例方法，但是运行结果是交替进行的，这证明了类锁和对象锁是两个不一样的锁，控制着不同的区域，它们是互不干扰的。同样，线程获得对象锁的同时，也可以获得该类锁，即同时获得两个锁，这是允许的。
synchronized是如何保证线程安全的
如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。
我们通过一个案例，演示线程的安全问题：
我们来模拟一下火车站卖票过程，总共有100张票，总共有三个窗口卖票。
public class SellTicket {
public static void main(String[] args) {
// 创建票对象
Ticket ticket = new Ticket();
// 创建3个窗口
Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
// 模拟票
class Ticket implements Runnable {
// 共100票
int ticket = 100;
@Override
public void run() {
// 模拟卖票
while (true) {
if (ticket > 0) {
// 模拟选坐的操作
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:"
+ ticket--);
}
}
}
}
运行结果发现：上面程序出现了问题
- 票出现了重复的票
- 错误的票 0、-1
其实，线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。
那么出现了上述问题，我们应该如何解决呢？
线程同步（线程安全处理Synchronized）
java中提供了线程同步机制，它能够解决上述的线程安全问题。
线程同步的方式有两种：
- 方式1：同步代码块
- 方式2：同步方法
同步代码块
同步代码块: 在代码块声明上 加上synchronized
synchronized (锁对象) {
可能会产生线程安全问题的代码
}
同步代码块中的锁对象可以是任意的对象；但多个线程时，要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。
使用同步代码块，对火车站卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：
public class SellTicket {
public static void main(String[] args) {
// 创建票对象
Ticket ticket = new Ticket();
// 创建3个窗口
Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
// 模拟票
class Ticket implements Runnable {
// 共100票
int ticket = 100;
Object lock = new Object();
@Override
public void run() {
// 模拟卖票
while (true) {
// 同步代码块
synchronized (lock) {
if (ticket > 0) {
// 模拟选坐的操作
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ "正在卖票:" + ticket--);
}
}
}
}
}
当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了。
同步方法
同步方法：在方法声明上加上synchronized
public synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码
}
同步方法中的锁对象是 this
使用同步方法，对火车站卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：
public class SellTicket {
public static void main(String[] args) {
// 创建票对象
Ticket ticket = new Ticket();
// 创建3个窗口
Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
// 模拟票
class Ticket implements Runnable {
// 共100票
int ticket = 100;
Object lock = new Object();
@Override
public void run() {
// 模拟卖票
while (true) {
// 同步方法
method();
}
}
// 同步方法,锁对象this
public synchronized void method() {
if (ticket > 0) {
// 模拟选坐的操作
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:"
+ ticket--);
}
}
}
synchronized支持锁的重入吗？
我们先来看下面一段代码：
public class ReentrantLockDemo {
public synchronized void a() {
System.out.println("a");
b();
}
private synchronized void b() {
System.out.println("b");
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
ReentrantLockDemo d = new ReentrantLockDemo();
d.a();
}
}).start();
}
}
上述的代码，我们分析一下，两个方法，方法a和方法b都被synchronized关键字修饰，锁对象是当前对象实例，按照上文我们对synchronized的了解，如果调用方法a,在方法a还没有执行完之前，我们是不能执行方法b的，方法a必须先释放锁，方法b才能执行，方法b处于等待状态，那样不就形成死锁了吗？那么事实真的如分析一致吗？
运行结果发现：
a
b
代码很快就执行完了，实验结果与分析不一致，这就引入了另外一个概念：重入锁。在 java 内部，同一线程在调用自己类中其他 synchronized 方法/块或调用父类的 synchronized 方法/块都不会阻碍该线程的执行。就是说同一线程对同一个对象锁是可重入的，而且同一个线程可以获取同一把锁多次，也就是可以多次重入。在JDK1.5后对synchronized关键字做了相关优化。
synchronized死锁问题
同步锁使用的弊端：当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时，如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象：程序出现无限等待，这种现象我们称为死锁。这种情况能避免就避免掉。
synchronzied(A锁){
synchronized(B锁){
}
}
我们进行下死锁情况的代码演示：
public class DeadLock {
Object obj1 = new Object();
Object obj2 = new Object();
public void a() {
synchronized (obj1) {
synchronized (obj2) {
System.out.println("a");
}
}
}
public void b() {
synchronized (obj2) {
synchronized (obj1) {
System.out.println("b");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
DeadLock d = new DeadLock();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
d.a();
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
d.b();
}
}).start();
}
}
上述的代码，我们分析一下，两个方法，我们假设两个线程T1,T2，T1运行到方法a了，拿到了obj1这把锁，此时T2运行到方法b了，拿到了obj2这把锁，T1要往下执行，就必须等待T2释放了obj2这把锁，线程T2要往下面执行，就必须等待T1释放了持有的obj1这把锁，他们两个互相等待，就形成了死锁。
为了演示的更明白，需要让两个方法执行过程中睡眠10ms，要不然很难看到现象，因为计算机执行速度贼快
public class DeadLock {
Object obj1 = new Object();
Object obj2 = new Object();
public void a() {
synchronized (obj1) {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (obj2) {
System.out.println("a");
}
}
}
public void b() {
synchronized (obj2) {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (obj1) {
System.out.println("b");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
DeadLock d = new DeadLock();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
d.a();
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
d.b();
}
}).start();
}
}
感兴趣的童鞋，下去可以试一下，程序执行不完，永远处于等待状态。
总结
- sychronized是隐式锁，是JVM底层支持的关键字，由JVM来维护；
- 单体应用下，多线程并发操作时，使用sychronized关键字可以保证线程安全;
- sychronized可以用来修饰方法和代码块，此时锁是当前对象实例，修饰静态方法时，锁是对象的class字节码文件;
- 一个线程进入了sychronized修饰的同步方法，得到了对象锁，其他线程还是可以访问那些没有同步的方法（普通方法）;
- sychronized支持锁的重入;