RocketMQ(2) 消息的生产和存储
## 一 : 消息的生产
1. 消息的生产过程
Producer在发送消息时可以将消息写入到指定topic的某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
nameServer维护的路由表,实际是一个Map，key为Topic名称，value是一个QueueData实例集合
而一个QueueData则包含一个Broker实例的所有此topic的Queue信息
即一个Broker对应一个QueueData。QueueData中包含brokerName。
简单来说，路由表的key为Topic名称，value则为所有涉及该Topic的 BrokerName列表
那根据Topic可以获取到BrokerName,怎么由BrokerName获取到对应的连接地址信息呢
Broker列表：其实际也是一个Map。key为brokerName，value为BrokerData。
一个BrokerData对应一套brokerName名称相同的Master-Slave小集群
BrokerData中包含brokerName及一个map。该map的key为brokerId，value为该
broker对应的地址。brokerId为0表示该broker为Master，非0表示Slave。
2. Queue选择算法
对于无序消息，其Queue选择算法，也称为消息投递算法，常见的有两种：
- 1.轮询算法
默认选择算法。该算法保证了每个Queue中可以均匀的获取到消息。
public MessageQueue selectOneMessageQueue(final String lastBrokerName) {
if (lastBrokerName == null) {
return selectOneMessageQueue();
} else {
int index = this.sendWhichQueue.getAndIncrement();
for (int i = 0; i < this.messageQueueList.size(); i++) {
int pos = Math.abs(index++) % this.messageQueueList.size();
//轮询计算
if (pos < 0)
pos = 0;
MessageQueue mq = this.messageQueueList.get(pos);
if (!mq.getBrokerName().equals(lastBrokerName)) {
return mq;
}
}
return selectOneMessageQueue();
}
}
public MessageQueue selectOneMessageQueue() {
int index = this.sendWhichQueue.getAndIncrement();
int pos = Math.abs(index) % this.messageQueueList.size();
if (pos < 0)
pos = 0;
return this.messageQueueList.get(pos);
}
该算法存在一个问题：由于某些原因，在某些Broker上的Queue可能投递延迟较严重。从而导致
Producer的缓存队列中出现较大的消息积压，影响消息的投递性能。
- 2.最小投递延迟算法
该算法会统计每次消息投递的时间延迟，然后根据统计出的结果将消息投递到时间延迟最小的Queue。
如果延迟相同，则采用轮询算法投递。该算法可以有效提升消息的投递性能。
// 根据sendLatencyFaultEnable 是否打开决定是否使用
public MessageQueue selectOneMessageQueue(final TopicPublishInfo tpInfo, final String lastBrokerName) {
if (this.sendLatencyFaultEnable) {
try {
int index = tpInfo.getSendWhichQueue().getAndIncrement();
for (int i = 0; i < tpInfo.getMessageQueueList().size(); i++) {
//基于index和队列数量取余，确定位置
int pos = Math.abs(index++) % tpInfo.getMessageQueueList().size();
if (pos < 0)
pos = 0;
MessageQueue mq = tpInfo.getMessageQueueList().get(pos);
if (latencyFaultTolerance.isAvailable(mq.getBrokerName())) {
if (null == lastBrokerName || mq.getBrokerName().equals(lastBrokerName))
return mq;
}
}
// 从延迟容错broker列表中挑选一个容错性最好的一个 broker
final String notBestBroker = latencyFaultTolerance.pickOneAtLeast();
int writeQueueNums = tpInfo.getQueueIdByBroker(notBestBroker);
if (writeQueueNums > 0) {
// 取余挑选其中一个队列
final MessageQueue mq = tpInfo.selectOneMessageQueue();
if (notBestBroker != null) {
mq.setBrokerName(notBestBroker);
mq.setQueueId(tpInfo.getSendWhichQueue().getAndIncrement() % writeQueueNums);
}
return mq;
} else {
latencyFaultTolerance.remove(notBestBroker);
}
} catch (Exception e) {
log.error("Error occurred when selecting message queue", e);
}
// 取余挑选其中一个队列
return tpInfo.selectOneMessageQueue();
}
return tpInfo.selectOneMessageQueue(lastBrokerName);
}
该算法也存在一个问题：消息在Queue上的分配不均匀。投递延迟小的Queue其可能会存在大量
的消息。而对该Queue的消费者压力会增大，降低消息的消费能力，可能会导致MQ中消息的堆
积。
当然我们也可以自己指定选择算法,通过实现MessageQueueSelector ,自带的有三个实现:
- SelectMessageQueueByRandom 随机分配策略
- SelectMessageQueueByHash 基于hash的分配策略
- SelectMessageQueueByMachineRoom 服务器的就近原则分配策略
其中hash算法就可以用来解决,对于消息的时序性有严格要求,需要保证全局有序的情况,例如一个订单的:创建、付款、推送、完成。
下面是手动实现选择算法的示例:
/**
* Producer，发送顺序消息
*/
public class Producer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
DefaultMQProducer producer = new DefaultMQProducer("please_rename_unique_group_name");
producer.setNamesrvAddr("127.0.0.1:9876");
producer.start();
String[] tags = new String[]{"TagA", "TagC", "TagD"};
// 订单列表
List<OrderStep> orderList = new Producer().buildOrders();
Date date = new Date();
SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
String dateStr = sdf.format(date);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// 加个时间前缀
String body = dateStr + " Hello RocketMQ " + orderList.get(i);
Message msg = new Message("TopicTest", tags[i % tags.length], "KEY" + i, body.getBytes());
SendResult sendResult = producer.send(msg, new MessageQueueSelector() {
@Override
public MessageQueue select(List<MessageQueue> mqs, Message msg, Object arg) {
Long id = (Long) arg; //根据订单id选择发送queue
long index = id % mqs.size();
return mqs.get((int) index);
}
}, orderList.get(i).getOrderId());//订单id
System.out.println(String.format("SendResult status:%s, queueId:%d, body:%s",
sendResult.getSendStatus(),
sendResult.getMessageQueue().getQueueId(),
body));
}
producer.shutdown();
}
/**
* 订单的步骤
*/
private static class OrderStep {
private long orderId;
private String desc;
public long getOrderId() {
return orderId;
}
public void setOrderId(long orderId) {
this.orderId = orderId;
}
public String getDesc() {
return desc;
}
public void setDesc(String desc) {
this.desc = desc;
}
@Override
public String toString() {
return "OrderStep{" +
"orderId=" + orderId +
", desc='" + desc + '\'' +
'}';
}
}
/**
* 生成模拟订单数据
*/
private List<OrderStep> buildOrders() {
List<OrderStep> orderList = new ArrayList<OrderStep>();
OrderStep orderDemo = new OrderStep();
orderDemo.setOrderId(15103111039L);
orderDemo.setDesc("创建");
orderList.add(orderDemo);
orderDemo = new OrderStep();
orderDemo.setOrderId(15103111065L);
orderDemo.setDesc("创建");
orderList.add(orderDemo);
orderDemo = new OrderStep();
orderDemo.setOrderId(15103111039L);
orderDemo.setDesc("付款");
orderList.add(orderDemo);
orderDemo = new OrderStep();
orderDemo.setOrderId(15103117235L);
orderDemo.setDesc("创建");
orderList.add(orderDemo);
orderDemo = new OrderStep();
orderDemo.setOrderId(15103111065L);
orderDemo.setDesc("付款");
orderList.add(orderDemo);
orderDemo = new OrderStep();
orderDemo.setOrderId(15103117235L);
orderDemo.setDesc("付款");
orderList.add(orderDemo);
orderDemo = new OrderStep();
orderDemo.setOrderId(15103111065L);
orderDemo.setDesc("完成");
orderList.add(orderDemo);
orderDemo = new OrderStep();
orderDemo.setOrderId(15103111039L);
orderDemo.setDesc("推送");
orderList.add(orderDemo);
orderDemo = new OrderStep();
orderDemo.setOrderId(15103117235L);
orderDemo.setDesc("完成");
orderList.add(orderDemo);
orderDemo = new OrderStep();
orderDemo.setOrderId(15103111039L);
orderDemo.setDesc("完成");
orderList.add(orderDemo);
return orderList;
}
}
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安装主目录下的store目录中。
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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。
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checkpoint：其中存储着commitlog、consumequeue、index文件的最后刷盘时间戳
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commitlog：存放着commitlog文件(消息就是记录在commitlog文件中的)
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config：存放着Broker运行期间的一些配置数据
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consumequeue：存放着consumequeue文件(队列信息就存放在这个目录中)
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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
介绍:
在很多资料中commitlog目录中的文件简单就称为commitlog文件。但在源码中，该文件被命名为mappedFile。
commitlog目录中存放着很多的mappedFile文件，当前Broker中的所有消息都是落盘到这些mappedFile文件中的。mappedFile单个文件大小为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。(一个字节为一个偏移量)
例如:
第一个文件名一定是20位0构成的。因为第一个文件的第一条消息的偏移量commitlog offset为0 当第一个文件放满时，则会自动生成第二个文件继续存放消息。假设第一个文件大小是 1073741820字节（1G = 1073741824字节）,下条消息4个字节无法保存，
则生成第二个文件保存,第二个文件名就是00000000001073741820。
以此类推，第n个文件名应该是前前n-1个文件大小之和。
一个Broker中所有mappedFile文件的commitlog offset在逻辑上是连续的,但是在物理上可能不连续
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:
文件名为n(第一条消息的偏移量就为n)的mappedFile 文件内部消息存放结构示意图
如上图所示,每个mappedFile 文件都是由一个一个消息单元构成, 每个消息单元都有其不同的结构
- MsgLen: 每个消息单元中包含消息总长度
- physicalOffset: 消息的物理位置
- Body: 消息体内容
- BodyLength: 消息体长度
- Topic: 消息主题Topic
- TopicLength: Topic长度
- BornHost: 消息生产者
- BornTimestamp: 消息发送时间戳
- QueueId: 消息所在的队列
- QueueOffset: 消息在Queue中存储的偏移量
等近20余项消息相关属性。
需要注意到，消息单元中是包含Queue相关属性的。所以，我们在后续的学习中，就需要十分留意commitlog与queue间的关系是什么？
2. consumequeue文件
上面说到, 每个broker 的所有消息全都按照顺序写在同一个地方,并且用偏移量标记每个信息的位置,
那么 consumequeue 下的文件,就是用于记录每个Topic下的queue对应每条消息的偏移量地址信息
命名规则:
每个Topic在~/store/consumequeue中创建文件夹，目录名为Topic名称。在该每个Topic目录下，会再为每个该Topic的Queue建立一个目录，目录名为queueId。如下图
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。
文件格式:
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。
因为每个consumequeue文件大小是固定不变的。其每个记录单元大小是固定的20字节,如下格式:
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。每个索引条目的起始偏移量,就是该消息在Queue中的 Queue Offset
3. 对文件的读写过程
上面介绍了commitLog 和 consumeQueue文件,下面先看看它们之间的关系
如上图所示, commitlog依次存放了producer发送的五条消息, 而对应的每条消息所属的Queue都记录在其对应的consumequeue文件中,并使用commitlog offset 指向 commitlog,
下面介绍一下每个环节的文件读写流程:
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
消费offset即消费进度，consumer对某个Queue的消费offset，即消费到了该Queue的第几条消息 ,即已经消费的个数
消息offset = 消费offset + 1
-
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。
queueOffset = 消息offset * 20字节 (每个消息单元20字节)
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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文件中根据commitlog offset读取消息单元，并发送给Consumer
性能提升
RocketMQ中，无论是消息本身还是消息索引，都是存储在磁盘上的。其不会影响消息的消费吗？
当然不会。其实RocketMQ的性能在目前的MQ产品中性能是非常高的。因为系统通过一系列相关机制大大 提升了性能。
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首先，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（正因为需要使用内存映射机制，故RocketMQ的文件存储都使用定长结构来存储，方便一次将整个文件映射至内存）。
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其次，consumequeue中的数据是顺序存放的，使得OS 的PageCache的预读取机制，导致对 consumequeue文件的读取几乎接近于内存读取，即使在有消息堆积情况下也不会影响性能
PageCache机制，页缓存机制，是OS对文件的缓存机制，用于加速对文件的读写操作。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读写速度，主要原因是由于OS使用 PageCache机制对读写访问操作进行性能优化，将一部分的内存用作PageCache。
写操作：OS会先将数据写入到PageCache中，随后会以异步方式由pdæush（page dirty æush) 内核线程将Cache中的数据刷盘到物理磁盘
读操作：若用户要读取数据，其首先会从PageCache中读取，若没有命中，则OS在从物理磁 盘上加载该数据到PageCache的同时，也会顺序对其相邻数据块中的数据进行预读取。
所以RocketMQ中可能会影响性能的是对commitlog文件的读取。因为对commitlog文件来说，读取消息时 会产生大量的随机访问，而随机访问会严重影响性能。不过，如果选择合适的系统IO调度算法，比如 设置调度算法为Deadline（采用SSD固态硬盘的话），随机读的性能也会有所提升。
4. 与Kafka的简单对比
RocketMQ的很多思想来源于Kafka，其中commitlog与consumequeue就是。
RocketMQ中的commitlog目录与consumequeue的结合就类似于Kafka中的partition分区目录。 mappedFile文件就类似于Kafka中的segment段。
Kafka中的Topic的消息被分割为一个或多个partition。partition是一个物理概念，对应到系统上 就是topic目录下的一个或多个目录。每个partition中包含的文件称为segment，是具体存放消息 的文件。
Kafka中消息存放的目录结构是：topic目录下有partition目录，partition目录下有segment文件
Kafka中没有二级分类标签Tag这个概念
Kafka中无需索引文件。因为生产者是将消息直接写在了partition中的，消费者也是直接从 partition中读取数据的
