RocketMQ 5.0 无状态实时性消费详解
作者：绍舒
背景
RocketMQ 5.0 版本引入了 Proxy 模块、无状态 pop 消费机制和 gRPC 协议等创新功能，同时还推出了一种全新的客户端类型：SimpleConsumer。
SimpleConsumer 客户端采用了无状态的 pop 机制，彻底解决了在客户端发布消息、上下线时可能出现的负载均衡问题。然而，这种新机制也带来了一个新的挑战：当客户端数量较少且消息数量较少时，可能会出现消息消费延时的情况。
在当前的消息产品中，消费普遍使用了长轮询机制，即客户端向服务端发送一个超时时间相对较长的请求，该请求会一直挂起，除非队列中存在消息或该请求到达设定的长轮询时间。
然而，在引入 Proxy 之后，目前的长轮询机制出现了一个问题。客户端层面的长轮询和 Proxy 与 Broker 内部的长轮询之间互相耦合，也就是说，一次客户端对 Proxy 的长轮询只对应一次 Proxy 对 Broker 的长轮询。因此，在以下情况下会出现问题：当客户端数量较少且后端存在多个可用的 Broker 时，如果请求到达了没有消息的 Broker，就会触发长轮询挂起逻辑。此时，即使另一台 Broker 存在消息，由于请求挂在了另一个 Broker 上，也无法拉取到消息。这导致客户端无法实时接收到消息，即 false empty response。
这种情况可能导致以下现象：用户发送一条消息后，再次发起消费请求，但该请求却无法实时拉取到消息。这种情况对于消息传递的实时性和可靠性产生了不利影响。
AWS 的文档里也有描述此等现象，他们的解决方案是通过查询是所有的后端服务，减少 false empty response。
其他产品
在设计方案时，首先是需要目前存在的消息商业化产品是如何处理该问题的。
MNS 采取了以下策略，主要是将长轮询时间切割为多个短轮询时间片，以尽可能覆盖所有的 Broker。
首先，在长轮询时间内，会对后端的 Broker 进行多次请求。其次，当未超过短轮询配额时，优先使用短轮询消费请求来与 Broker 进行通信，否则将使用长轮询，其时间等于客户端的长轮询时间。此外，考虑到过多的短轮询可能会导致 CPU 和网络资源消耗过多的问题，因此在短轮询超过一定数量且剩余时间充足时，最后一次请求将转为长轮询。
然而，上述策略虽以尽可能轮询完所有的 Broker 为目标，但并不能解决所有问题。当轮询时间较短或 Broker 数量较多时，无法轮询完所有的 Broker。即使时间足够充足的情况下，也有可能出现时间错位的情况，即在短轮询请求结束后，才有消息在该 Broker 上就绪，导致无法及时取回该消息。
解法
技术方案
首先，需要明确该问题的范围和条件。该问题只会在客户端数量较少且请求较少的情况下出现。当客户端数量较多且具备充足的请求能力时，该问题不会出现。因此，理想情况是设计一个自适应的方案，能够在客户端数量较多时不引入额外成本来解决该问题。
为了解决该问题，关键在于将前端的客户端长轮询和后端的 Broker 长轮询解耦，并赋予 Proxy 感知后端消息个数的能力，使其能够优先选择有消息的 Broker，避免 false empty response。
考虑到 Pop 消费本身的无状态属性，期望设计方案的逻辑与 Pop 一致，而不在代理中引入额外的状态来处理该问题。
另外，简洁性是非常重要的，因此期望该方案能够保持简单可靠，不引入过多的复杂性。
- 为了解决该问题，本质上是要将前端的客户端长轮询和后端的 Broker 长轮询解耦开来，并赋予 Proxy 感知后端消息个数的能力，能够优先选择有消息的 Broker，避免 false empty response。
- 由于 Pop 消费本身的无状态属性，因此期望该方案的设计逻辑和 Pop 一致，而不在 Proxy 引入额外的状态来处理这个事情。
- Simplicity is ALL，因此期望这个方案简单可靠。
我们使用了 NOTIFICATION，可以获取到后端是否有尚未消费的消息。拥有了上述后端消息情况的信息，就能够更加智能地指导 Proxy 侧的消息拉取。
通过重构 NOTIFICATION，我们对其进行了一些改进，以更好地适应这个方案的要求。
pop with notify
一个客户端的请求可以被抽象为一个长轮询任务，该轮询任务由通知任务和请求任务组成。
通知任务的目的是获取 Broker 是否存在可消费的消息，对应的是 Notification 请求；而请求任务的目的是消费 Broker 上的消息，对应的是 Pop 请求。
首先，长轮询任务会执行一次 Pop 请求，以确保在消息积压的情况下能够高效处理。如果成功获取到消息，则会正常返回结果并结束任务。如果没有获取到消息，并且还有剩余的轮询时间，则会向每个 Broker 提交一个异步通知任务。
在任务通知返回时，如果不存在任何消息，长轮询任务将被标记为已完成状态。然而，如果相关的 Broker 存在消息，该结果将被添加到队列中，并且消费任务将被启动。该队列的目的在于缓存多个返回结果，以备将来的重试之需。对于单机代理而言，只要存在一个通知结果返回消息，Proxy 即可进行消息拉取操作。然而，在实际的分布式环境中，可能会存在多个代理，因此即使通知结果返回消息存在，也不能保证客户端能够成功拉取消息。因此，该队列的设计旨在避免发生这种情况。
消费任务会从上述队列中获取结果，若无结果，则直接返回。这是因为只有在通知任务返回该 Broker 存在消息时，消费任务才会被触发。因此，若消费任务无法获取结果，可推断其他并发的消费任务已经处理了该消息。
消费任务从队列获取到结果后，会进行加锁，以确保一个长轮询任务只有一个正在进行的消费任务，以避免额外的未被处理的消息。
如果获取到消息或长轮询时间结束，该任务会被标记完成并返回结果。但如果没有获取到消息（可能是其他客户端的并发操作），则会继续发起该路由所对应的异步通知任务，并尝试进行消费。
自适应切换
考虑到当请求较多时，无需采用 pop with notify 机制，可使用原先的 pop 长轮询 broker 方案，但是需要考虑的是，如何在两者之间进行自适应切换。目前是基于当前 Proxy 统计的 pop 请求数做判断，当请求数少于某一值时，则认为当前请求较少，使用 pop with notify；反之则使用 pop 长轮询。
由于上述方案基于的均为单机视角，因此当消费请求在 proxy 侧不均衡时，可能会导致判断条件结果有所偏差。
Metric
为了之后进一步调优长轮询和观察长轮询的效果，我们设计了一组 metric 指标，来记录并观测实时长轮询的表现和损耗。
- 客户端发起的长轮询次数 (is_long_polling)
- pop with notify 次数 (通过现有 rpc metric 统计)
- 首次 pop 请求命中消息次数 (未触发 notify) (is_short_polling_hit)
使用方式
在使用时需明确长轮询和短轮询的区分，可以参考 AWS 的定义，当轮询时间大于 0 时，长轮询生效。
可以看到需明确一个长轮询最小时间，因为长轮询时间过小时无意义，AWS 的最小值采取了 1 秒。
在目前版本的 Apache RocketMQ 服务端中，采用了最小 5 秒的限制，即需超过 5 秒才能触发长轮询，该值可在 ProxyConfig#grpcClientConsumerMinLongPollingTimeoutMillis 中配置或修改。
对于 SimpleConsumer 而言，可以通过 awaitDuration 字段来调整长轮询时间。
SimpleConsumer consumer = provider.newSimpleConsumerBuilder()
.setClientConfiguration(clientConfiguration)
.setConsumerGroup(consumerGroup)
// set await duration for long-polling.
.setAwaitDuration(awaitDuration)
.setSubscriptionExpressions(Collections.singletonMap(topic, filterExpression))
.build();
总结
通过如上方案，我们成功设计了一套基于无状态消费方式的实时消费方案，在做到客户端无状态消费的同时，还能够避免 false empty response，保证消费的实时性，同时，相较于原先 PushConsumer 的长轮询方案，能够大量减少用户侧无效请求数量，降低网络开销。
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