RocketMQ原理

此篇幅将从以下几个方面来分析RocketMQ其中运作原理：

消息的生产
消息的存储
indexFile（客户端指定key）
消息的消费
订阅关系的一致性
offset管理
消费幂等
消息堆积与消费延迟
消息的清理
一、消息的生产

Producer可以将消息写入到某Broker中的某Queue中，其经历了如下过程：

Producer发送消息之前，会先向NameServer发出获取消息Topic的路由信息的请求
NameServer返回该Topic的路由表及Broker列表
Producer根据代码中指定的Queue选择策略，从Queue列表中选出一个队列，用于后续存储消息
Produer对消息做一些特殊处理，例如，消息本身超过4M，则会对其进行压缩
Producer向选择出的Queue所在的Broker发出RPC请求，将消息发送到选择出的Queue
二、消息的存储

RocketMQ中的消息存储在本地文件系统中，这些相关文件默认在当前用户主目录下的store目录中。

abort：该文件在Broker启动后会自动创建，正常关闭Broker，该文件会自动消失。若在没有启动Broker的情况下，发现这个文件是存在的，则说明之前Broker的关闭是非正常关闭

checkpoint：其中存储着commitlog、consumequeue、index文件的最后刷盘时间戳

commitlog：其中存放着commitlog文件，而消息是写在commitlog文件中的

conæg：存放着Broker运行期间的一些配置数据

consumequeue：其中存放着consumequeue文件，队列就存放在这个目录中

index：其中存放着消息索引文件indexFile

lock：运行期间使用到的全局资源锁

1、commitlog文件

commitlog目录中存放着很多的mappedFile文件（源码真实命名），当前Broker中的所有消息都是落盘到这些mappedFile文件中的。mappedFile文件大小为1G（小于等于1G），文件名由20位十进制数构成，表示当前文件的第一条消息的起始位移偏移量。 需要注意的是，一个Broker中仅包含一个commitlog目录，所有的mappedFile文件都是存放在该目录中的。即无论当前Broker中存放着多少Topic的消息，这些消息都是被顺序写入到了mappedFile文件中的。也就是说，这些消息在Broker中存放时并没有被按照Topic进行分类存放。

消息单元

mappedFile文件内容由一个个的消息单元构成。每个消息单元中包含消息总长度MsgLen、消息的物理位置physicalOffset、消息体内容Body、消息体长度BodyLength、消息主题Topic、Topic长度
TopicLength、消息生产者BornHost、消息发送时间戳BornTimestamp、消息所在的队列QueueId、消息在Queue中存储的偏移量QueueOffset等近20余项消息相关属性。

2、consumequeue

为了提高效率，会为每个Topic在~/store/consumequeue中创建一个目录，目录名为Topic名称。在该Topic目录下，会再为每个该Topic的Queue建立一个目录，目录名为queueId。每个目录中存放着若干consumequeue文件，consumequeue文件是commitlog的索引文件，可以根据consumequeue定位到具体的消息。

consumequeue文件名也由20位数字构成，表示当前文件的第一个索引条目的起始位移偏移量。与mappedFile文件名不同的是，其后续文件名是固定的。因为consumequeue文件大小是固定不变的。

每个consumequeue文件可以包含30w个索引条目，每个索引条目包含了三个消息重要属性：消息在mappedFile文件中的偏移量CommitLog Offset、消息长度、消息Tag的hashcode值。这三个属性占20个字节，所以每个文件的大小是固定的30w * 20字节。

3、对文件的读写

消息写入

一条消息进入到Broker后经历了以下几个过程才最终被持久化。

Broker根据queueId，获取到该消息对应索引条目要在consumequeue目录中的写入偏移量，即QueueOffset
将queueId、queueOffset等数据，与消息一起封装为消息单元
将消息单元写入到commitlog
同时，形成消息索引条目
将消息索引条目分发到相应的consumequeue

消息拉取

当Consumer来拉取消息时会经历以下几个步骤：

Consumer获取到其要消费消息所在Queue的消费偏移量offset，计算出其要消费消息的消息offset
Consumer向Broker发送拉取请求，其中会包含其要拉取消息的Queue、消息offset及消息Tag

Broker计算在该consumequeue中的queueOffset

从该queueOffset处开始向后查找第一个指定Tag的索引条目

解析该索引条目的前8个字节，即可定位到该消息在commitlog中的commitlog offset

从对应commitlog offset中读取消息单元，并发送给Consumer

三、indexFile

除了通过通常的指定Topic进行消息消费外，RocketMQ还提供了根据key进行消息查询的功能。该查询是通过store目录中的index子目录中的indexFile进行索引实现的快速查询。当然，这个indexFile中的索引数据是在包含了key的消息被发送到Broker时写入的。如果消息中没有包含key，则不会写入。

1、索引目录结构

每个Broker中会包含一组indexFile，每个indexFile都是以一个时间戳命名的（这个indexFile被创建时的时间戳）。每个indexFile文件由三部分构成：indexHeader，slots槽位，indexes索引数据。每个indexFile文件中包含500w个slot槽。而每个slot槽又可能会挂载很多的index索引单元。

indexHeader固定40个字节，其中存放着如下数据：

beginTimestamp：该indexFile中第一条消息的存储时间
endTimestamp：该indexFile中最后一条消息存储时间
beginPhyoffset：该indexFile中第一条消息在commitlog中的偏移量commitlog offset
endPhyoffset：该indexFile中最后一条消息在commitlog中的偏移量commitlog offset
hashSlotCount：已经填充有index的slot数量（并不是每个slot槽下都挂载有index索引单元，这里统计的是所有挂载了index索引单元的slot槽的数量）

indexCount：该indexFile中包含的索引单元个数（统计出当前indexFile中所有slot槽下挂载的所有index索引单元的数量之和）

indexFile中最复杂的是Slots与Indexes间的关系。在实际存储时，Indexes是在Slots后面的，但为了便于理解，将它们的关系展示为如下形式：

key的hash值 % 500w的结果即为slot槽位，然后将该slot值修改为该index索引单元的indexNo，根据这个indexNo可以计算出该index单元在indexFile中的位置。不过，该取模结果的重复率是很高的，为了解决该问题，在每个index索引单元中增加了preIndexNo，用于指定该slot中当前index索引单元的前一个index索引单元。而slot中始终存放的是其下最新的index索引单元的indexNo，这样的话，只要找到了slot就可以找到其最新的index索引单元，而通过这个index索引单元就可以找到其之前的所有index索引单元。

index索引单元默写20个字节，其中存放着以下四个属性：

keyHash：消息中指定的业务key的hash值

phyOffset：当前key对应的消息在commitlog中的偏移量commitlog offset

timeDiff：当前key对应消息的存储时间与当前indexFile创建时间的时间差

preIndexNo：当前slot下当前index索引单元的前一个index索引单元的indexNo

2、indexFile的创建

indexFile的文件名为当前文件被创建时的时间戳。 根据业务key进行查询时，查询条件除了key之外，还需要指定一个要查询的时间戳，表示要查询不大于该时间戳的最新的消息，即查询指定时间戳之前存储的最新消息。这个时间戳文件名可以简化查询，提高查询效率。

indexFile文件是何时创建的？其创建的条件（时机）有两个：

当第一条带key的消息发送来后，系统发现没有indexFile，此时会创建第一个indexFile文件。

当一个indexFile中挂载的index索引单元数量超出2000w个时，会创建新的indexFile。当带key的消息发送到来后，系统会找到最新的indexFile，并从其indexHeader的最后4字节中读取到indexCount。若indexCount >= 2000w时，会创建新的indexFile。

3、查询流程

当消费者通过业务key来查询相应的消息时，其需要经过一个相对较复杂的查询流程。不过，在分析查询流程之前，首先要清楚几个定位计算式子：

计算指定消息key的slot槽位序号：
slot槽位序号 = key的hash % 500w

计算槽位序号为n的slot在indexFile中的起始位置：
slot(n)位置 = 40 + (n - 1) * 4

计算indexNo为m的index在indexFile中的位置：
index(m)位置 = 40 + 500w * 4 + (m - 1) * 20

四、消息的消费

消费者从Broker中获取消息的方式有两种：pull拉取方式和push推动方式。消费者组对于消息消费的模式又分为两种：集群消费Clustering和广播消费Broadcasting。

1、获取消费类型

拉取式消费

Consumer主动从Broker中拉取消息，主动权由Consumer控制。一旦获取了批量消息，就会启动消费过程。不过，该方式的实时性较弱，即Broker中有了新的消息时消费者并不能及时发现并消费。

推送式消费

该模式下Broker收到数据后会主动推送给Consumer。该获取方式一般实时性较高。该获取方式是典型的发布-订阅模式，即Consumer向其关联的Queue注册了监听器，一旦发现有新的消息到来就会触发回调的执行，回调方法是Consumer去Queue中拉取消息。而这些都是基于Consumer与Broker间的长连接的。长连接的维护是需要消耗系统资源的。

2、消费模式

广播消费模式

广播消费模式下，相同Consumer Group的每个Consumer实例都接收同一个Topic的全量消息。即每条消息都会被发送到Consumer Group中的每个Consumer。

集群消费模式

集群消费模式下，相同Consumer Group的每个Consumer实例平均分摊同一个Topic的消息。即每条消息只会被发送到Consumer Group中的某个Consumer。

3、消费进度保存
广播模式：消费进度保存在consumer端
集群模式：消费进度保存在broker端
4、Rebalance机制

Rebalance产生的前提条件是集群消费，产生的本意是为了提升消息的并行消费能力。

Rebalance限制：

由于⼀个队列最多分配给⼀个消费者，因此当某个消费者组下的消费者实例数量大于队列的数量时，多余的消费者实例将分配不到任何队列。

Rebalance危害：

消费暂停、消费重复、消费突刺

Rebalance产生的原因：

消费者所订阅Topic的Queue数量发生变化
消费者组中消费者的数量发生变化

Rebalance过程：

在Broker中维护着多个Map集合，这些集合中动态存放着当前Topic中Queue的信息、Consumer Group中Consumer实例的信息。一旦发现消费者所订阅的Queue数量发生变化，或消费者组中消费者的数量发生变化，立即向Consumer Group中的每个实例发出Rebalance通知。

TopicConågManager：key是topic名称，value是TopicConåg。TopicConåg中维护着该Topic中所有Queue的数据。

ConsumerManager：key是Consumser Group Id，value是ConsumerGroupInfo。ConsumerGroupInfo中维护着该Group中所有Consumer实例数据。

ConsumerOffsetManager：key为 Topic与订阅该Topic的Group的组合,即topic@group，value是一个内层Map。内层Map的key为QueueId，内层Map的value为该Queue的消费进度offset。

Consumer实例在接收到通知后会采用Queue分配算法自己获取到相应的Queue，即由Consumer实例自主进行Rebalance。

5、Queue分配模式
平均分配策略：根据avg = QueueCount / ConsumerCount 的计算结果进行分配的。如果能够整除，则按顺序将avg个Queue逐个分配Consumer；如果不能整除，则将多余出的Queue按照Consumer顺序逐个分配
环形分配策略： 根据消费者的顺序，依次在由queue队列组成的环形图中逐个分配
一致性hash策略： 将consumer的hash值作为Node节点存放到hash环上，然后将queue的hash值也放到hash环上，通过顺时针方向，距离queue最近的那个consumer就是该queue要分配的consumer
同机房策略： 根据queue的部署机房位置和consumer的位置，过滤出当前consumer相同机房的queue。然后按照平均分配策略或环形平均策略对同机房queue进行分配。如果没有同机房queue，则按照平均分配策略或环形平均策略对所有queue进行分配

6、至少一次原则

RocketMQ有一个原则：每条消息必须要被成功消费一次。Consumer在消费完消息后会向其消费进度记录器提交其消费消息的offset，offset被成功记录到记录器中，那么这条消费就被成功消费了。

五、订阅关系的一致性

订阅关系的一致性指的是，同一个消费者组（Group ID相同）下所有Consumer实例所订阅的Topic与Tag及对消息的处理逻辑必须完全一致。否则，消息消费的逻辑就会混乱，甚至导致消息丢失。

六、offset管理

消费进度offset是用来记录每个Queue的不同消费组的消费进度的。根据消费进度记录器的不同，可以分为两种模式：本地模式和远程模式。

1、offset本地管理模式

当消费模式为广播消费时，offset使用本地模式存储。因为每条消息会被所有的消费者消费，每个消费者管理自己的消费进度，各个消费者之间不存在消费进度的交集。

Consumer在广播消费模式下offset相关数据以json的形式持久化到Consumer本地磁盘文件中，默认文件路径为当前用户主目录下的.rocketmq_offsets/${clientId}/${group}/Offsets.json 。其中${clientId}为当前消费者id，默认为ip@DEFAULT；${group}为消费者组名称。

2、offset远程管理模式

当消费模式为集群消费时，offset使用远程模式管理。因为所有Cosnumer实例对消息采用的是均衡消费，所有Consumer共享Queue的消费进度。

Consumer在集群消费模式下offset相关数据以json的形式持久化到Broker磁盘文件中，文件路径为当前用户主目录下的store/config/consumerOffset.json。

Broker启动时会加载这个文件，并写入到一个双层Map（ConsumerOffsetManager）。外层map的key为topic@group，value为内层map。内层map的key为queueId，value为offset。当发生Rebalance时，新的Consumer会从该Map中获取到相应的数据来继续消费。

集群模式下offset采用远程管理模式，主要是为了保证Rebalance机制。

3、offset用途

消费者是如何从最开始持续消费消息的？消费者要消费的第一条消息的起始位置是用户自己通过consumer.setConsumeFromWhere()方法指定的。

当消费完一批消息后，Consumer会提交其消费进度offset给Broker，Broker在收到消费进度后会将其更新到那个双层Map（ConsumerOffsetManager）及consumerOffset.json文件中，然后向该Consumer进行ACK，而ACK内容中包含三项数据：当前消费队列的最小offset（minOffset）、最大offset（maxOffset）、及下次消费的起始offset（nextBeginOffset）。

4、重试队列

当rocketMQ对消息的消费出现异常时，会将发生异常的消息的offset提交到Broker中的重试队列。系统在发生消息消费异常时会为当前的topic@group创建一个重试队列，该队列以%RETRY%开头，到达重试时间后进行消费重试。

5、offset的同步提交与异步提交

同步提交：消费者在消费完一批消息后会向broker提交这些消息的offset，然后等待broker的成功响应。若在等待超时之前收到了成功响应，则继续读取下一批消息进行消费（从ACK中获取nextBeginOffset）。若没有收到响应，则会重新提交，直到获取到响应。而在这个等待过程中，消费者是阻塞的。其严重影响了消费者的吞吐量。

异步提交：消费者在消费完一批消息后向broker提交offset，但无需等待Broker的成功响应，可以继续读取并消费下一批消息。这种方式增加了消费者的吞吐量。但需要注意，broker在收到提交的offset后，还是会向消费者进行响应的。可能还没有收到ACK，此时Consumer会从Broker中直接获取nextBeginOffset。

七、消费幂等

幂等：若某操作执行多次与执行一次对系统产生的影响是相同的，则称该操作是幂等的。

1、消息重复的场景分析
发送时消息重复
消费时消息重复
Rebalance时消息重复
2、通用解决方案

两要素

幂等解决方案的设计中涉及到两项要素：幂等令牌，与唯一性处理。只要充分利用好这两要素，就可以设计出好的幂等解决方案。

幂等令牌：是生产者和消费者两者中的既定协议，通常指具备唯⼀业务标识的字符串。例如，订单号、流水号。一般由Producer随着消息一同发送来的。

唯一性处理：服务端通过采用⼀定的算法策略，保证同⼀个业务逻辑不会被重复执行成功多次。例如，对同一笔订单的多次支付操作，只会成功一次。

解决方案

对于常见的系统，幂等性操作的通用性解决方案是：

首先通过缓存去重。在缓存中如果已经存在了某幂等令牌，则说明本次操作是重复性操作；若缓存没有命中，则进入下一步。
在唯一性处理之前，先在数据库中查询幂等令牌作为索引的数据是否存在。若存在，则说明本次操作为重复性操作；若不存在，则进入下一步。
在同一事务中完成三项操作：唯一性处理后，将幂等令牌写入到缓存，并将幂等令牌作为唯一索引的数据写入到DB中。
八、消息堆积与消费延迟

消息处理流程中，如果Consumer的消费速度跟不上Producer的发送速度，MQ中未处理的消息会越来越多（进的多出的少），这部分消息就被称为堆积消息。消息出现堆积进而会造成消息的消费延迟。

1、产生原因分析

消息拉取：

Consumer通过长轮询Pull模式批量拉取的方式从服务端获取消息，将拉取到的消息缓存到本地缓冲队列中。对于拉取式消费，在内网环境下会有很高的吞吐量，所以这一阶段一般不会成为消息堆积的瓶颈。

消息消费：

Consumer将本地缓存的消息提交到消费线程中，使用业务消费逻辑对消息进行处理，处理完毕后获取到一个结果。这是真正的消息消费过程。此时Consumer的消费能力就完全依赖于消息的消费耗时和消
费并发度了。如果由于业务处理逻辑复杂等原因，导致处理单条消息的耗时较长，则整体的消息吞吐量肯定不会高，此时就会导致Consumer本地缓冲队列达到上限，停止从服务端拉取消息。

结论： 消息堆积的主要瓶颈在于客户端的消费能力，而消费能力由消费耗时和消费并发度决定

2、消费耗时

影响消息处理时长的主要因素是代码逻辑。而代码逻辑中可能会影响处理时长代码主要有两种类型：CPU内部计算型代码和外部I/O操作型代码

3、消费并发度

一般情况下，消费者端的消费并发度由单节点线程数和节点数量共同决定，其值为单节点线程数*节点数量。不过，通常需要优先调整单节点的线程数，若单机硬件资源达到了上限，则需要通过横向扩展来提高消费并发度

4、如何避免

为了避免在业务使用时出现非预期的消息堆积和消费延迟问题，需要在前期设计阶段对整个业务逻辑进行完善的排查和梳理。其中最重要的就是梳理消息的消费耗时和设置消息消费的并发度。

九、消息的清理

消息是被顺序存储在commitlog文件的，且消息大小不定长，所以消息的清理是不可能以消息为单位进行清理的，而是以commitlog文件为单位进行清理的。否则会急剧下降清理效率，并实现逻辑复杂。

commitlog文件存在一个过期时间，默认为72小时，即三天。除了用户手动清理外，在以下情况下也会被自动清理，无论文件中的消息是否被消费过：

文件过期，且到达清理时间点（默认为凌晨4点）后，自动清理过期文件

文件过期，且磁盘空间占用率已达过期清理警戒线（默认75%）后，无论是否达到清理时间点，都会自动清理过期文件

磁盘占用率达到清理警戒线（默认85%）后，开始按照设定好的规则清理文件，无论是否过期。默认会从最老的文件开始清理

磁盘占用率达到系统危险警戒线（默认90%）后，Broker将拒绝消息写入