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标题: 消息队列设计精要（1） [打印本页]

作者: look_w 时间: 2018-12-24 20:21 标题: 消息队列设计精要（1）

消息队列已经逐渐成为企业IT系统内部通信的核心手段。它具有低耦合、可靠投递、广播、流量控制、最终一致性等一系列功能，成为异步RPC的主要手段之一。
当今市面上有很多主流的消息中间件，如老牌的ActiveMQ、RabbitMQ，炙手可热的Kafka，阿里巴巴自主开发的Notify、MetaQ、RocketMQ等。
本文不会一一介绍这些消息队列的所有特性，而是探讨一下自主开发设计一个消息队列时，你需要思考和设计的重要方面。过程中我们会参考这些成熟消息队列的很多重要思想。
本文首先会阐述什么时候你需要一个消息队列，然后以Push模型为主，从零开始分析设计一个消息队列时需要考虑到的问题，如RPC、高可用、顺序和重复消息、可靠投递、消费关系解析等。
也会分析以Kafka为代表的pull模型所具备的优点。最后是一些高级主题，如用批量/异步提高性能、pull模型的系统设计理念、存储子系统的设计、流量控制的设计、公平调度的实现等。其中最后四个方面会放在下篇讲解。
何时需要消息队列当你需要使用消息队列时，首先需要考虑它的必要性。可以使用mq的场景有很多，最常用的几种，是做业务解耦/最终一致性/广播/错峰流控等。反之，如果需要强一致性，关注业务逻辑的处理结果，则RPC显得更为合适。
解耦解耦是消息队列要解决的最本质问题。所谓解耦，简单点讲就是一个事务，只关心核心的流程。而需要依赖其他系统但不那么重要的事情，有通知即可，无需等待结果。换句话说，基于消息的模型，关心的是“通知”，而非“处理”。
比如在美团旅游，我们有一个产品中心，产品中心上游对接的是主站、移动后台、旅游供应链等各个数据源；下游对接的是筛选系统、API系统等展示系统。当上游的数据发生变更的时候，如果不使用消息系统，势必要调用我们的接口来更新数据，就特别依赖产品中心接口的稳定性和处理能力。但其实，作为旅游的产品中心，也许只有对于旅游自建供应链，产品中心更新成功才是他们关心的事情。而对于团购等外部系统，产品中心更新成功也好、失败也罢，并不是他们的职责所在。他们只需要保证在信息变更的时候通知到我们就好了。
而我们的下游，可能有更新索引、刷新缓存等一系列需求。对于产品中心来说，这也不是我们的职责所在。说白了，如果他们定时来拉取数据，也能保证数据的更新，只是实时性没有那么强。但使用接口方式去更新他们的数据，显然对于产品中心来说太过于“重量级”了，只需要发布一个产品ID变更的通知，由下游系统来处理，可能更为合理。
再举一个例子，对于我们的订单系统，订单最终支付成功之后可能需要给用户发送短信积分什么的，但其实这已经不是我们系统的核心流程了。如果外部系统速度偏慢（比如短信网关速度不好），那么主流程的时间会加长很多，用户肯定不希望点击支付过好几分钟才看到结果。那么我们只需要通知短信系统“我们支付成功了”，不一定非要等待它处理完成。
最终一致性最终一致性指的是两个系统的状态保持一致，要么都成功，要么都失败。当然有个时间限制，理论上越快越好，但实际上在各种异常的情况下，可能会有一定延迟达到最终一致状态，但最后两个系统的状态是一样的。
业界有一些为“最终一致性”而生的消息队列，如Notify（阿里）、QMQ（去哪儿）等，其设计初衷，就是为了交易系统中的高可靠通知。
以一个银行的转账过程来理解最终一致性，转账的需求很简单，如果A系统扣钱成功，则B系统加钱一定成功。反之则一起回滚，像什么都没发生一样。
然而，这个过程中存在很多可能的意外：

A扣钱成功，调用B加钱接口失败。
A扣钱成功，调用B加钱接口虽然成功，但获取最终结果时网络异常引起超时。
A扣钱成功，B加钱失败，A想回滚扣的钱，但A机器down机。

可见，想把这件看似简单的事真正做成，真的不那么容易。所有跨VM的一致性问题，从技术的角度讲通用的解决方案是：

强一致性，分布式事务，但落地太难且成本太高，后文会具体提到。
最终一致性，主要是用“记录”和“补偿”的方式。在做所有的不确定的事情之前，先把事情记录下来，然后去做不确定的事情，结果可能是：成功、失败或是不确定，“不确定”（例如超时等）可以等价为失败。成功就可以把记录的东西清理掉了，对于失败和不确定，可以依靠定时任务等方式把所有失败的事情重新搞一遍，直到成功为止。
回到刚才的例子，系统在A扣钱成功的情况下，把要给B“通知”这件事记录在库里（为了保证最高的可靠性可以把通知B系统加钱和扣钱成功这两件事维护在一个本地事务里），通知成功则删除这条记录，通知失败或不确定则依靠定时任务补偿性地通知我们，直到我们把状态更新成正确的为止。
整个这个模型依然可以基于RPC来做，但可以抽象成一个统一的模型，基于消息队列来做一个“企业总线”。
具体来说，本地事务维护业务变化和通知消息，一起落地（失败则一起回滚），然后RPC到达broker，在broker成功落地后，RPC返回成功，本地消息可以删除。否则本地消息一直靠定时任务轮询不断重发，这样就保证了消息可靠落地broker。
broker往consumer发送消息的过程类似，一直发送消息，直到consumer发送消费成功确认。
我们先不理会重复消息的问题，通过两次消息落地加补偿，下游是一定可以收到消息的。然后依赖状态机版本号等方式做判重，更新自己的业务，就实现了最终一致性。

最终一致性不是消息队列的必备特性，但确实可以依靠消息队列来做最终一致性的事情。另外，所有不保证100%不丢消息的消息队列，理论上无法实现最终一致性。好吧，应该说理论上的100%，排除系统严重故障和bug。
像Kafka一类的设计，在设计层面上就有丢消息的可能（比如定时刷盘，如果掉电就会丢消息）。哪怕只丢千分之一的消息，业务也必须用其他的手段来保证结果正确。
广播消息队列的基本功能之一是进行广播。如果没有消息队列，每当一个新的业务方接入，我们都要联调一次新接口。有了消息队列，我们只需要关心消息是否送达了队列，至于谁希望订阅，是下游的事情，无疑极大地减少了开发和联调的工作量。
比如本文开始提到的产品中心发布产品变更的消息，以及景点库很多去重更新的消息，可能“关心”方有很多个，但产品中心和景点库只需要发布变更消息即可，谁关心谁接入。

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