五分钟学后端技术：如何学习后端工程师必学的消息队列

2022-04-26 02:38:13

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本文首发于微信公众号【程序员黄小斜】

本文作者：黄小斜

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本文思维导图

五分钟学后端技术：如何学习后端工程师必学的消息队列

什么是消息队列

“RabbitMQ？”“Kafka？”“RocketMQ？”...在日常学习与开发过程中，我们常常听到消息队列这个关键词，可能你是熟练使用消息队列的老手，又或者你是不懂消息队列的新手，不论你了不了解消息队列，本文都将带你搞懂消息队列的一些基本理论。如果你是老手，你可能从本文学到你之前不曾注意的一些关于消息队列的重要概念，如果你是新手，相信本文将是你打开消息队列大门的一板砖。

根据百度百科的说法，“消息队列”是在消息的传输过程中保存消息的容器。消息队列管理器在将消息从它的源中继到它的目标时充当中间人。队列的主要目的是提供路由并保证消息的传递；如果发送消息时接收者不可用，消息队列会保留消息，直到可以成功地传递它。`

为什么要使用消息队列

我觉得使用消息队列主要有两点好处：

1.通过异步处理提高系统性能（削峰、减少响应所需时间）;

2.降低系统耦合性。如果在面试的时候你被面试官问到这个问题的话，一般情况是你在你的简历上涉及到消息队列这方面的内容，这个时候推荐你结合你自己的项目来回答。

《大型网站技术架构》第四章和第七章均有提到消息队列对应用性能及扩展性的提升。

在我平时的日常工作中，用到消息队列的场景可不少，比如，我有一个定时任务需要在A应用每天7点开始调度，那么定时任务系统如何告诉这个A应用呢，一种办法是直接调用A应用的RPC服务，但是，定时任务系统不可能去记录那么多应用的RPC服务，所以如果换成消息，就大大降低了复杂度。

还有一种常见使用消息队列的场景，那就是把一些不需要及时处理的RPC调用改成消息，比如最典型的电商下单，一定是实时性要求很高的，但是，有一些消息会在用户下单后进行异步的发送，比如用户对商品的评价，用户的退款请求，这些请求不需要被实时地进行处理，完全可以异步化处理，这个时候使用消息队列就是再好不过的选择了，消息队列会帮你存储这些待处理的消息，并且等应用负载较低的时候再分发给应用处理，或者是等待应用主动向消息队列获取消息。

常用的消息队列

我们可以把消息队列比作是一个存放消息的容器，当我们需要使用消息的时候可以取出消息供自己使用。消息队列是分布式系统中重要的组件，使用消息队列主要是为了通过异步处理提高系统性能和削峰、降低系统耦合性。目前使用较多的消息队列有ActiveMQ，RabbitMQ，Kafka，RocketMQ。

当然，在我们公司内部用的大多都是自研的消息队列产品，一方面是因为需要适配金融级分布式场景，另一方面自研的中间件有专门的的团队维护，出了什么问题才能及时处理和修复。

下面我们就一起来看看这些开源的消息队列是怎么设计的，各有什么优缺点呢。

RabbitMQ

RabbitMQ 2007年发布，是一个在AMQP(高级消息队列协议)基础上完成的，可复用的企业消息系统，是当前最主流的消息中间件之一。

主要特性：

  1. 可靠性: 提供了多种技术可以让你在性能和可靠性之间进行权衡。这些技术包括持久性机制、投递确认、发布者证实和高可用性机制；
  2. 灵活的路由： 消息在到达队列前是通过交换机进行路由的。RabbitMQ为典型的路由逻辑提供了多种内置交换机类型。如果你有更复杂的路由需求，可以将这些交换机组合起来使用，你甚至可以实现自己的交换机类型，并且当做RabbitMQ的插件来使用；
  3. 消息集群：在相同局域网中的多个RabbitMQ服务器可以聚合在一起，作为一个独立的逻辑代理来使用；
  4. 队列高可用：队列可以在集群中的机器上进行镜像，以确保在硬件问题下还保证消息安全；
  5. 多种协议的支持：支持多种消息队列协议；
  6. 服务器端用Erlang语言编写，支持只要是你能想到的所有编程语言；
  7. 管理界面: RabbitMQ有一个易用的用户界面，使得用户可以监控和管理消息Broker的许多方面；
  8. 跟踪机制：如果消息异常，RabbitMQ提供消息跟踪机制，使用者可以找出发生了什么；
  9. 插件机制：提供了许多插件，来从多方面进行扩展，也可以编写自己的插件；

优点：

  1. 由于erlang语言的特性，mq 性能较好，高并发；
  2. 健壮、稳定、易用、跨平台、支持多种语言、文档齐全；
  3. 有消息确认机制和持久化机制，可靠性高；
  4. 高度可定制的路由；
  5. 管理界面较丰富，在互联网公司也有较大规模的应用；
  6. 社区活跃度高；

缺点：

  1. 尽管结合erlang语言本身的并发优势，性能较好，但是不利于做二次开发和维护；
  2. 实现了代理架构，意味着消息在发送到客户端之前可以在*节点上排队。此特性使得RabbitMQ易于使用和部署，但是使得其运行速度较慢，因为*节点增加了延迟，消息封装后也比较大；
  3. 需要学习比较复杂的接口和协议，学习和维护成本较高；

ActiveMQ

ActiveMQ是由Apache出品，ActiveMQ 是一个完全支持JMS1.1和J2EE 1.4规范的 JMS Provider实现。它非常快速，支持多种语言的客户端和协议，而且可以非常容易的嵌入到企业的应用环境中，并有许多高级功能。

主要特性：

  1. 服从JMS 规范：JMS 规范提供了良好的标准和保证，包括：同步或异步的消息分发，一次和仅一次的消息分发，消息接收和订阅等等。遵从 JMS 规范的好处在于，不论使用什么 JMS 实现提供者，这些基础特性都是可用的；
  2. 连接性：ActiveMQ 提供了广泛的连接选项，支持的协议有：HTTP/S，IP 多播，SSL，STOMP，TCP，UDP，XMPP等等。对众多协议的支持让 ActiveMQ 拥有了很好的灵活性。
  3. 支持的协议种类多：OpenWire、STOMP、REST、XMPP、AMQP ；
  4. 持久化插件和安全插件：ActiveMQ 提供了多种持久化选择。而且，ActiveMQ 的安全性也可以完全依据用户需求进行自定义鉴权和授权；
  5. 支持的客户端语言种类多：除了 Java 之外，还有：C/C++，.NET，Perl，PHP，Python，Ruby；
  6. 代理集群：多个 ActiveMQ 代理可以组成一个集群来提供服务；
  7. 异常简单的管理：ActiveMQ 是以开发者思维被设计的。所以，它并不需要专门的管理员，因为它提供了简单又使用的管理特性。有很多中方法可以监控 ActiveMQ 不同层面的数据，包括使用在 JConsole 或者 ActiveMQ 的Web Console 中使用 JMX，通过处理 JMX 的告警消息，通过使用命令行脚本，甚至可以通过监控各种类型的日志。

优点：

  1. 跨平台(JAVA编写与平台无关有，ActiveMQ几乎可以运行在任何的JVM上)
  2. 可以用JDBC：可以将数据持久化到数据库。虽然使用JDBC会降低ActiveMQ的性能，但是数据库一直都是开发人员最熟悉的存储介质。将消息存到数据库，看得见摸得着。而且公司有专门的DBA去对数据库进行调优，主从分离；
  3. 支持JMS ：支持JMS的统一接口;
  4. 支持自动重连；
  5. 有安全机制：支持基于shiro，jaas等多种安全配置机制，可以对Queue/Topic进行认证和授权。
  6. 监控完善：拥有完善的监控，包括Web Console，JMX，Shell命令行，Jolokia的REST API；
  7. 界面友善：提供的Web Console可以满足大部分情况，还有很多第三方的组件可以使用，如hawtio；

缺点：

  1. 区活跃度不及RabbitMQ高；
  2. 根据其他用户反馈，会出莫名其妙的问题，会丢失消息；
  3. 目前重心放到activemq6.0产品-apollo，对5.x的维护较少；
  4. 不适合用于上千个队列的应用场景；

RocketMQ

RocketMQ出自 阿里公司的开源产品，用 Java 语言实现，在设计时参考了 Kafka，并做出了自己的一些改进，消息可靠性上比 Kafka 更好。RocketMQ在阿里集团被广泛应用在订单，交易，充值，流计算，消息推送，日志流式处理，binglog分发等场景。

主要特性：

  1. 是一个队列模型的消息中间件，具有高性能、高可靠、高实时、分布式特点；
  2. Producer、Consumer、队列都可以分布式；
  3. Producer向一些队列轮流发送消息，队列集合称为Topic，Consumer如果做广播消费，则一个consumer实例消费这个Topic对应的所有队列，如果做集群消费，则多个Consumer实例平均消费这个topic对应的队列集合；
  4. 能够保证严格的消息顺序；
  5. 提供丰富的消息拉取模式；
  6. 高效的订阅者水平扩展能力；
  7. 实时的消息订阅机制；
  8. 亿级消息堆积能力；
  9. 较少的依赖；

优点：

  1. 单机支持 1 万以上持久化队列
  2. 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。

  1. 模型简单，接口易用（JMS 的接口很多场合并不太实用）；
  2. 性能非常好，可以大量堆积消息在broker中；
  3. 支持多种消费，包括集群消费、广播消费等。
  4. 各个环节分布式扩展设计，主从HA；
  5. 开发度较活跃，版本更新很快。

缺点：

支持的客户端语言不多，目前是java及c++，其中c++不成熟；

RocketMQ社区关注度及成熟度也不及前两者；

没有web管理界面，提供了一个CLI(命令行界面)管理工具带来查询、管理和诊断各种问题；

没有在 mq 核心中去实现JMS等接口；

Kafka

Apache Kafka是一个分布式消息发布订阅系统。它最初由LinkedIn公司基于独特的设计实现为一个分布式的提交日志系统( a distributed commit log)，，之后成为Apache项目的一部分。Kafka系统快速、可扩展并且可持久化。它的分区特性，可复制和可容错都是其不错的特性。

主要特性：

  1. 快速持久化，可以在O(1)的系统开销下进行消息持久化；
  2. 高吞吐，在一台普通的服务器上既可以达到10W/s的吞吐速率；
  3. .完全的分布式系统，Broker、Producer、Consumer都原生自动支持分布式，自动实现负载均衡；
  4. 支持同步和异步复制两种HA；
  5. 支持数据批量发送和拉取；
  6. zero-copy：减少IO操作步骤；
  7. 数据迁移、扩容对用户透明；
  8. 无需停机即可扩展机器；
  9. 其他特性：严格的消息顺序、丰富的消息拉取模型、高效订阅者水平扩展、实时的消息订阅、亿级的消息堆积能力、定期删除机制；

优点：

  1. 客户端语言丰富，支持java、.net、php、ruby、python、go等多种语言；
  2. 性能卓越，单机写入TPS约在百万条/秒，消息大小10个字节；
  3. 提供完全分布式架构, 并有replica机制, 拥有较高的可用性和可靠性, 理论上支持消息无限堆积；
  4. 支持批量操作；
  5. 消费者采用Pull方式获取消息, 消息有序, 通过控制能够保证所有消息被消费且仅被消费一次;
  6. 有优秀的第三方Kafka Web管理界面Kafka-Manager；
  7. 在日志领域比较成熟，被多家公司和多个开源项目使用；

缺点：

  1. Kafka单机超过64个队列/分区，Load会发生明显的飙高现象，队列越多，load越高，发送消息响应时间变长
  2. 使用短轮询方式，实时性取决于轮询间隔时间；
  3. 消费失败不支持重试；
  4. 支持消息顺序，但是一台代理宕机后，就会产生消息乱序；
  5. 社区更新较慢；

五分钟学后端技术：如何学习后端工程师必学的消息队列

消息队列的pull和push

这么多的消息队列，有一个区别很重要，那就是模式，到底是pull好还是push好，下面就让我们来一探究竟吧

Push

Push即服务端主动发送数据给客户端。在服务端收到消息之后立即推送给客户端。

Push模型最大的好处就是实时性。因为服务端可以做到只要有消息就立即推送，所以消息的消费没有“额外”的延迟。

但是Push模式在消息中间件的场景中会面临以下一些问题：

  • 在Broker端需要维护Consumer的状态，不利于Broker去支持大量的Consumer的场景
  • Consumer的消费速度是不一致的，由Broker进行推送难以处理不同的Consumer的状况
  • Broker难以处理Consumer无法消费消息的情况（Broker无法确定Consumer的故障是短暂的还是永久的）
  • 大量的推送消息会加重Consumer的负载或者冲垮Consumer

Pull模式可以很好的应对以上的这些场景。

Pull

Pull模式由Consumer主动从Broker获取消息。

这样带来了一些好处：

  • Broker不再需要维护Consumer的状态（每一次pull都包含了其实偏移量等必要的信息）
  • 状态维护在Consumer，所以Consumer可以很容易的根据自身的负载等状态来决定从Broker获取消息的频率

Pull模式还有一个好处是可以聚合消息。

因为Broker无法预测写一条消息产生的时间，所以在收到消息之后只能立即推送给Consumer，所以无法对消息聚合后再推送给Consumer。 而Pull模式由Consumer主动来获取消息，每一次Pull时都尽可能多的获取已近在Broker上的消息。

但是，和Push模式正好相反，Pull就面临了实时性的问题。

因为由Consumer主动来Pull消息，所以实时性和Pull的周期相关，这里就产生了“额外”延迟。如果为了降低延迟来提升Pull的执行频率，可能在没有消息的时候产生大量的Pull请求（消息中间件是完全解耦的，Broker和Consumer无法预测下一条消息在什么时候产生）；如果频率低了，那延迟自然就大了。

另外，Pull模式状态维护在Consumer，所以多个Consumer之间需要相互协调，这里就需要引入ZK或者自己实现NameServer之类的服务来完成Consumer之间的协调。

有没有一种方式，能结合Push和Pull的优势，同时变各自的缺陷呢？答案是肯定的。

Long-Polling

使用long-polling模式，Consumer主动发起请求到Broker，正常情况下Broker响应消息给Consumer；在没有消息或者其他一些特殊场景下，可以将请求阻塞在服务端延迟返回。

long-polling不是一种Push模式，而是Pull的一个变种。

那么：

  • 在Broker一直有可读消息的情况下，long-polling就等价于执行间隔为0的pull模式（每次收到Pull结果就发起下一次Pull请求）。
  • 在Broker没有可读消息的情况下，请求阻塞在了Broker，在产生下一条消息或者请求“超时之前”响应请求给Consumer。

以上两点避免了多余的Pull请求，同时也解决Pull请求的执行频率导致的“额外”的延迟。

注意上面有一个概念：“超时之前”。每一个请求都有超时时间，Pull请求也是。“超时之前”的含义是在Consumer的“Pull”请求超时之前。

基于long-polling的模型，Broker需要保证在请求超时之前返回一个结果给Consumer，无论这个结果是读取到了消息或者没有可读消息。

因为Consumer和Broker之间的时间是有偏差的，且请求从Consumer发送到Broker也是需要时间的，所以如果一个请求的超时时间是5秒，而这个请求在Broker端阻塞了5秒才返回，那么Consumer在收到Broker响应之前就会判定请求超时。所以Broker需要保证在Consumer判定请求超时之前返回一个结果。

通常的做法时在Broker端可以阻塞请求的时间总是小于long-polling请求的超时时间。比如long-polling请求的超时时间为30秒，那么Broker在收到请求后最迟在25s之后一定会返回一个结果。中间5s的差值来应对Broker和Consumer的始终存在偏差和网络存在延迟的情况。 （可见Long-Polling模式的前提是Broker和Consumer之间的时间偏差没有“很大”）

Long-Polling还存在什么问题吗，还能改进吗？

Dynamic Push/Pull

“在Broker一直有可读消息的情况下，long-polling就等价于执行间隔为0的pull模式（每次收到Pull结果就发起下一次Pull请求）。”

这是上面long-polling在服务端一直有可消费消息的处理情况。在这个情况下，一条消息如果在long-polling请求返回时到达服务端，那么它被Consumer消费到的延迟是：

假设Broker和Consumer之间的一次网络开销时间为R毫秒，
那么这条消息需要经历3R才能到达Consumer

第一个R：消息已经到达Broker，但是long-polling请求已经读完数据准备返回Consumer，从Broker到Consumer消耗了R
第二个R：Consumer收到了Broker的响应，发起下一次long-polling，这个请求到达Broker需要一个R
的时间
第三个R：Broker收到请求读取了这条数据，那么返回到Consumer需要一个R的时间

所以总共需要3R（不考虑读取的开销，只考虑网络开销）

另外，在这种情况下Broker和Consumer之间一直在进行请求和响应（long-polling变成了间隔为0的pull）。

五分钟学后端技术：如何学习后端工程师必学的消息队列

考虑这样一种方式，它有long-polling的优势，同时能减少在有消息可读的情况下由Broker主动push消息给Consumer，减少不必要的请求。

参考文章

http://www.luyixian.cn/news_show_261068.aspx

https://blog.51cto.com/caczjz/2141194?source=dra

https://www.jianshu.com/p/251b76643d47

https://www.jianshu.com/p/36a7775b04ec

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