2.5 延迟消息
延迟消息是实际开发中一个非常有用的功能,本文第一部分从整体上介绍秒级精度延迟消息的实现思路,在第二部分结合RocketMQ的延迟消息实现,进行细致的讲解,点出关键部分的源码。第三步介绍延迟消息与消息重试的关系。
1 延迟消息介绍
基本概念:延迟消息是指生产者发送消息发送消息后,不能立刻被消费者消费,需要等待指定的时间后才可以被消费。
场景案例:用户下了一个订单之后,需要在指定时间内(例如30分钟)进行支付,在到期之前可以发送一个消息提醒用户进行支付。
一些消息中间件的Broker端内置了延迟消息支持的能力,如:
NSQ:这是一个go语言的消息中间件,其通过内存中的优先级队列来保存延迟消息,支持秒级精度,最多2个小时延迟。Java中也有对应的实现,如ScheduledThreadPoolExecutor内部实际上也是使用了优先级队列。
QMQ:采用双重时间轮实现。可参考:https://mp.weixin.qq.com/s/ALB6obFVRYES0taSLdAUGg
RabbitMQ:需要安装一个rabbitmq_delayed_message_exchange插件。
RocketMQ:RocketMQ 开源版本延迟消息临时存储在一个内部主题SCHEDULE_TOPIC_XXXX中, 不支持任意时间精度,支持特定的 level,例如定时 5s,10s,1m 等。
Broker端内置延迟消息处理能力,核心实现思路都是一样:将延迟消息通过一个临时存储进行暂存,到期后才投递到目标Topic中。如下图所示:
步骤说明如下:
1. producer要将一个延迟消息发送到某个Topic中
2. Broker判断这是一个延迟消息后,将其通过临时存储进行暂存。
3. Broker内部通过一个延迟服务(delay service)检查消息是否到期,将到期的消息投递到目标Topic中。这个的延迟服务名字为delay service,不同消息中间件的延迟服务模块名称可能不同。
4. 消费者消费目标topic中的延迟投递的消息
显然,临时存储模块和延迟服务模块,是延迟消息实现的关键。上图中,临时存储和延迟服务都是在Broker内部实现,对业务透明。
此外, 还有一些消息中间件原生并不支持延迟消息,如Kafka。在这种情况下,可以选择对Kafka进行改造,但是成本较大。另外一种方式是使用第三方临时存储,并加一层代理。
第三方存储选型要求:
对于第三方临时存储,其需要满足以下几个特点:
高性能:
写入延迟要低,MQ的一个重要作用是削峰填谷,在选择临时存储时,写入性能必须要高,关系型数据库(如Mysql)通常不满足需求。
高可靠:
延迟消息写入后,不能丢失,需要进行持久化,并进行备份
支持排序:
支持按照某个字段对消息进行排序,对于延迟消息需要按照时间进行排序。普通消息通常先发送的会被先消费,延迟消息与普通消息不同,需要进行排序。例如先发一条延迟10s的消息,再发一条延迟5s的消息,那么后发送的消息需要被先消费。
支持长时间保存:
一些业务的延迟消息,需要延迟几个月,甚至更长,所以延迟消息必须能长时间保留。不过通常不建议延迟太长时间,存储成本比较大,且业务逻辑可能已经发生变化,已经不需要消费这些消息。
例如,滴滴开源的消息中间件DDMQ,底层消息中间件的基础上加了一层代理,独立部署延迟服务模块,使用rocksdb进行临时存储。rocksdb是一个高性能的KV存储,并支持排序。
此时对于延迟消息的流转如下图所示:
说明如下:
1 生产者将发送给producer proxy,proxy判断是延迟消息,将其投递到一个缓冲Topic中;
2 delay service启动消费者,用于从缓冲topic中消费延迟消息,以时间为key,存储到rocksdb中;
3 delay service判断消息到期后,将其投递到目标Topic中。
4 消费者消费目标topic中的数据
这种方式的好处是,因为delay service的延迟投递能力是独立于broker实现的,不需要对broker做任何改造,对于任意MQ类型都可以提供支持延迟消息的能力,例如DDMQ对RocketMQ、Kafka都提供了秒级精度的延迟消息投递能力,但是Kafka本身并不支持延迟消息,而RocketMQ虽然支持延迟消息,但不支持秒级精度。
事实上,DDMQ还提供了很多其他功能,仅仅从延迟消息的角度,完全没有必要使用这个proxy,直接将消息投递到缓冲Topic中,之后通过delay service完成延迟投递逻辑即可。
具体到delay service模块的实现上,也有一些重要的细节:
1 为了保证服务的高可用,delay service也是需要部署多个节点。
2 为了保证数据不丢失,每个delay service节点都需要消费缓冲Topic中的全量数据,保存到各自的持久化存储中,这样就有了多个备份,并需要以时间为key。不过因为是各自拉取,并不能保证强一致。如果一定要强一致,那么delay service就不需要内置存储实现,可以借助于其他支持强一致的存储。
3 为了避免重复投递,delay service需要进行选主,可以借助于zookeeper、etcd等实现。只有master可以通过生产者投递到目标Topic中,其他节点处于备用状态。否则,如果每个节点进行都投递,那么延迟消息就会被投递多次,造成消费重复。
4 master要记录自己当前投递到的时间到一个共享存储中,如果master挂了,从slave节点中选出一个新的master节点,从之前记录时间继续开始投递。
5 延迟消息的取消:一些延迟消息在未到期之前,可能希望进行取消。通常取消逻辑实现较为复杂,且不够精确。对于那些已经快要到期的消息,可能还未取消之前,已经发送出去了,因此需要在消费者端做检查,才能万无一失。
2 RocketMQ中的延迟消息
开源RocketMQ支持延迟消息,但是不支持秒级精度。默认支持18个level的延迟消息,这是通过broker端的messageDelayLevel配置项确定的,如下:
messageDelayLevel=1s 5s 10s 30s 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m 20m 30m 1h 2h
Broker在启动时,内部会创建一个内部主题:SCHEDULE_TOPIC_XXXX
,根据延迟level的个数,创建对应数量的队列,也就是说18个level对应了18个队列。注意,这并不是说这个内部主题只会有18个队列,因为Broker通常是集群模式部署的,因此每个节点都有18个队列。
延迟级别的值可以进行修改,以满足自己的业务需求,可以修改/添加新的level。例如:你想支持2天的延迟,修改最后一个level的值为2d,这个时候依然是18个level;也可以增加一个2d,这个时候总共就有19个level。
可以看到这里并不支持秒级精度,按照《rocketmq developer guide》中的说法,是为了避免在broker对消息进行排序,造成性能影响。不过笔者考虑,之所以不支持,更多应该是商业上的考虑。
生产者发送延迟消息:
生产者在发送延迟消息非常简单,只需要设置一个延迟级别即可,注意不是具体的延迟时间,如:
Message msg=new Message(); msg.setTopic("TopicA"); msg.setTags("Tag"); msg.setBody("this is a delay message".getBytes()); //设置延迟level为5,对应延迟1分钟 msg.setDelayTimeLevel(5); producer.send(msg);
如果设置的延迟level超过最大值,那么将会重置最最大值。
Broker端延迟消息处理:
延迟消息在RocketMQ Broker端的流转如下图所示:
可以看到,总共有6个步骤,下面会对这6个步骤进行详细的讲解:
1 修改消息Topic名称和队列信息
2 转发消息到延迟主题的CosumeQueue中
3 延迟服务消费SCHEDULE_TOPIC_XXXX消息
4 将信息重新存储到CommitLog中
5 将消息投递到目标Topic中
6 消费者消费目标topic中的数据
第一步:修改消息Topic名称和队列信息
RocketMQ Broker端在存储生产者写入的消息时,首先都会将其写入到CommitLog中。之后根据消息中的Topic信息和队列信息,将其转发到目标Topic的指定队列(ConsumeQueue)中。
由于消息一旦存储到ConsumeQueue中,消费者就能消费到,而延迟消息不能被立即消费,所以这里将Topic的名称修改为SCHEDULE_TOPIC_XXXX,并根据延迟级别确定要投递到哪个队列下。
同时,还会将消息原来要发送到的目标Topic和队列信息存储到消息的属性中。相关源码如下所示:
org.apache.rocketmq.store.CommitLog#putMessage
public PutMessageResult putMessage(final MessageExtBrokerInner msg) { ... // 如果是延迟消息 if (msg.getDelayTimeLevel() > 0) { //如果设置的级别超过了最大级别,重置延迟级别 if (msg.getDelayTimeLevel() > this.defaultMessageStore.getScheduleMessageService() .getMaxDelayLevel()) { msg.setDelayTimeLevel(this.defaultMessageStore.getScheduleMessageService() .getMaxDelayLevel()); } //修改Topic的投递目标为内部主题SCHEDULE_TOPIC_XXXX topic = ScheduleMessageService.SCHEDULE_TOPIC; //根据delayLevel,确定将消息投递到SCHEDULE_TOPIC_XXXX内部的哪个队列中 queueId = ScheduleMessageService.delayLevel2QueueId(msg.getDelayTimeLevel()); // 记录原始topic, queueId MessageAccessor.putProperty(msg, MessageConst.PROPERTY_REAL_TOPIC, msg.getTopic()); MessageAccessor.putProperty(msg, MessageConst.PROPERTY_REAL_QUEUE_ID, String.valueOf(msg.getQueueId())); msg.setPropertiesString(MessageDecoder.messageProperties2String(msg.getProperties())); //更新消息投递目标为SCHEDULE_TOPIC_XXXX和queueId msg.setTopic(topic); msg.setQueueId(queueId); } ...
第二步:转发消息到延迟主题的CosumeQueue中
CommitLog中的消息转发到CosumeQueue中是异步进行的。在转发过程中,会对延迟消息进行特殊处理,主要是计算这条延迟消息需要在什么时候进行投递。
投递时间=消息存储时间(storeTimestamp) + 延迟级别对应的时间
需要注意的是,会将计算出的投递时间当做消息Tag的哈希值存储到CosumeQueue中,CosumeQueue单个存储单元组成结构如下图所示:
其中:
Commit Log Offset:记录在CommitLog中的位置。
Size:记录消息的大小
Message Tag HashCode:记录消息Tag的哈希值,用于消息过滤。特别的,对于延迟消息,这个字段记录的是消息的投递时间戳。这也是为什么java中hashCode方法返回一个int型,只占用4个字节,而这里Message Tag HashCode字段确设计成8个字节的原因。
相关源码参见:
CommitLog#checkMessageAndReturnSize
public DispatchRequest checkMessageAndReturnSize(java.nio.ByteBuffer byteBuffer, final boolean checkCRC, final boolean readBody) { ... // Timing message processing { //如果消息需要投递到延迟主题SCHEDULE_TOPIC_XXX中 String t = propertiesMap.get(MessageConst.PROPERTY_DELAY_TIME_LEVEL); if (ScheduleMessageService.SCHEDULE_TOPIC.equals(topic) && t != null) { int delayLevel = Integer.parseInt(t); if (delayLevel > this.defaultMessageStore.getScheduleMessageService().getMaxDelayLevel()) { delayLevel = this.defaultMessageStore.getScheduleMessageService().getMaxDelayLevel(); } //如果延迟级别大于0,计算目标投递时间,并将其当做tag哈希值 if (delayLevel > 0) { tagsCode = this.defaultMessageStore.getScheduleMessageService() .computeDeliverTimestamp(delayLevel,storeTimestamp); } } } ...
第三步:延迟服务消费SCHEDULE_TOPIC_XXXX消息
Broker内部有一个ScheduleMessageService
类,其充当延迟服务,消费SCHEDULE_TOPIC_XXXX中的消息,并投递到目标Topic中。
ScheduleMessageService在启动时,其会创建一个定时器Timer,并根据延迟级别的个数,启动对应数量的TimerTask,每个TimerTask负责一个延迟级别的消费与投递。
相关源码如下所示:
ScheduleMessageService#start
public void start() { if (started.compareAndSet(false, true)) { //1 创建定时器Timer this.timer = new Timer("ScheduleMessageTimerThread", true); //2 针对每个延迟级别,创建一个TimerTask //2.1 迭代每个延迟级别:delayLevelTable是一个Map记录了每个延迟级别对应的延迟时间 for (Map.Entry<Integer, Long> entry : this.delayLevelTable.entrySet()) { //2.2 获得每个每个延迟级别的level和对应的延迟时间 Integer level = entry.getKey(); Long timeDelay = entry.getValue(); Long offset = this.offsetTable.get(level); if (null == offset) { offset = 0L; } //2.3 针对每个级别创建一个对应的TimerTask if (timeDelay != null) { this.timer.schedule(new DeliverDelayedMessageTimerTask(level, offset), FIRST_DELAY_TIME); } } ...
需要注意的是,每个TimeTask在检查消息是否到期时,首先检查对应队列中尚未投递第一条消息,如果这条消息没到期,那么之后的消息都不会检查。如果到期了,则进行投递,并检查之后的消息是否到期。
第四步:将信息重新存储到CommitLog中
在将消息到期后,需要投递到目标Topic。由于在第一步已经记录了原来的Topic和队列信息,因此这里重新设置,再存储到CommitLog即可。此外,由于之前Message Tag HashCode字段存储的是消息的投递时间,这里需要重新计算tag的哈希值后再存储。
源码参见:DeliverDelayedMessageTimerTask的messageTimeup方法。
第五步:将消息投递到目标Topic中
这一步与第二步类似,不过由于消息的Topic名称已经改为了目标Topic。因此消息会直接投递到目标Topic的ConsumeQueue中,之后消费者即消费到这条消息。
3 延迟消息与消息重试的关系
RocketMQ提供了消息重试的能力,在并发模式消费的情况,如果消费失败,可以返回一个枚举值RECONSUME_LATER,那么消息之后将会进行重试。如:
consumer.registerMessageListener(new MessageListenerConcurrently() { @Override public ConsumeConcurrentlyStatus consumeMessage(List<MessageExt> msgs, ConsumeConcurrentlyContext context) { //处理消息,失败,返回RECONSUME_LATER,进行重试 return ConsumeConcurrentlyStatus.RECONSUME_LATER; } });
重试默认会进行重试16次。使用过RocketMQ消息重试功能的用户,可能看到过以下这张图:
第几次重试 | 与上次重试的间隔时间 | 第几次重试 | 与上次重试的间隔时间 |
1 | 10 秒 | 9 | 7 分钟 |
2 | 30 秒 | 10 | 8 分钟 |
3 | 1 分钟 | 11 | 9 分钟 |
4 | 2 分钟 | 12 | 10 分钟 |
5 | 3 分钟 | 13 | 20 分钟 |
6 | 4 分钟 | 14 | 30 分钟 |
7 | 5 分钟 | 15 | 1 小时 |
8 | 6 分钟 | 16 | 2 小时 |
细心地的读者发现了,消息重试的16个级别,实际上是把延迟消息18个级别的前两个level去掉了,事实上,RocketMQ的消息重试也是基于延迟消息来完成的。在消息消费失败的情况下,将其重新当做延迟消息投递回Broker。
在投递回去时,会跳过前两个level,因此只重试16次。当然,消息重试还有一些其他的设计逻辑,在之后的文章将会进行分析。