常用消息中间件知识点

桃扇骨 2024-02-05 17:59 40阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  消息中间件的应用场景
 *  主流 MQ 框架及对比
 *   *  说明
     *  Kafka 优点
     *  Kafka 缺点
     *  RocketMQ
     *  Pulsar
     *  发展趋势
 *  各公司发展
 *  Kafka
 *   *  Kafka 是什么？
     *  Kafka 术语
     *  Kafka 如何持久化？
     *  Kafka 文件存储机制
     *  分区
     *   *  为什么分区？
         *  分区策略？
     *  Kafka 是否会消息丢失？
     *  控制器
     *   *  控制器如何选举？
         *  控制器有什么用？
         *  控制器故障转移
     *  Kafka 的 ZooKeeper 存储结构
 *  分布式事务的应用场景
 *   *  两阶段最终一致
     *  如何保证最终一致？
     *  消息发送的一致性如何保证？
     *  发送异常会如何？

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## 消息中间件的应用场景 ##

*  异步解耦
 *  削峰填谷
 *  顺序收发
 *  分布式事务一致性

## 主流 MQ 框架及对比 ##

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### 说明 ###

*  Kafka：整个行业应用广泛
 *  RocketMQ：阿里，从 apache 孵化
 *  Pulsar：雅虎开源，符合云原生架构的消息队列，社区活跃
 *  RabbitMQ 架构比较老，AMQP并没有在主流的 MQ 得到支持
 *  NSQ：内存型，不是最优选择
 *  ActiveMQ、ZeroMQ 可忽略

### Kafka 优点 ###

*  非常成熟，生态丰富，与 Hadoop 连接紧密
 *  吞吐非常高，可用性高
    
     *  sharding
     *  提升 replication 速度
 *  主要功能：pub-sub，压缩支持良好
 *  可按照 at least once, at most once 进行配置使用，exactly once 需要 Consumer 配合
 *  集群部署简单，但 controller 逻辑很复杂，实现partition 的多副本、数据一致性
 *  controller 依赖 ZooKeeper
 *  异步刷磁盘（除了钱的业务，很少有同步 flush 的需求）

### Kafka 缺点 ###

*  写入延时稳定性问题，partition 很多时
    
     *  Kafka 通常用机械盘，随机写造成吞吐下降和延时上升
     *  100ms ~ 500ms
 *  运维的复杂性
    
     *  单机故障后补充副本
     *  数据迁移
     *  快手的优化：迁移 partition 时旧数据不动，新数据写入新 partition 一定时间后直接切换

### RocketMQ ###

*  阿里根据 Kafka 改造适应电商等在线业务场景
 *  以牺牲性能为代价增强功能
    
     *  按 key 对消息查询，维护 hash 表，影响 io
     *  为了在多 shard 场景下保证写入延迟稳定，在 broker 级别将所有 shard 当前写入的数据放入一个文件，形成 commitlog list，放若干个 index 文件维护逻辑 topic 信息，造成更多的随机读
 *  没有中心管理节点，现在看起来并没有什么用，元数据并不多
 *  高精度的延迟消息（快手已支持秒级精度的延迟消息）

### Pulsar ###

*  存储、计算分离，方便扩容
    
     *  存储：bookkeeper
     *  MQ逻辑：无状态的 broker 处理

### 发展趋势 ###

*  云原生
 *  批流一体：跑任务时，需要先把 Kafka 数据→HDFS，资源消耗大。如果本来就存在 HDFS，能节省很大资源
 *  Serverless

## 各公司发展 ##

*  快手：Kafka
    
     *  所有场景均在使用
     *  特殊形态的读写分离
        
         *  数据实时消费到 HDFS
         *  在有明显 lag 的 consumer 读取时，broker 把请求从本地磁盘转发的 HDFS
         *  不会因为有 lag 的 consumer 对日常读写造成明显的磁盘随机读写
     *  由于自己改造，社区新功能引入困难
 *  阿里巴巴：开源 RocketMQ
 *  字节跳动
    
     *  在线场景：NSQ→RocketMQ
     *  离线场景：Kafka→自研的存储计算分类的 BMQ（协议层直接兼容Kafka，用户可以不换 client）
 *  百度：自研的 BigPipe，不怎么样
 *  美团：Kafka 架构基础上用 Java 进行重构，内部叫 Mafka
 *  腾讯：部分使用了自研的 PhxQueue，底层是 KV 系统
 *  滴滴：DDMQ
    
     *  对 RocketMQ 和 Kafka 进行封装
     *  多机房数据一致性可能有问题
 *  小米：自研 Talos
    
     *  架构类似 pulsar，存储是 HDFS，读场景有优化

## Kafka ##

*  Kafka官网：https://kafka.apache.org/documentation/\#uses
 *  最新版本：3.6.1

### Kafka 是什么？ ###

*  开源的消息引擎系统（消息队列/消息中间件）
 *  分布式流处理平台
 *  发布/订阅模型
 *  削峰填谷

### Kafka 术语 ###

*  Topic：发布订阅的主题
 *  Producer：向Topic发布消息的客户端
 *  Consumer：消费者
 *  Consumer Group：消费者组，多个消费者共同组成一个组
 *  Broker：Kafka的服务进程
 *  Replication：备份，相同数据拷贝到多台机器
    
     *  Leader Replica
     *  Follower Replica，不与外界交互
 *  Partition：分区，解决伸缩性问题，多个Partition组成一个Topic
 *  Segment：partition 由多个 segment 组成

### Kafka 如何持久化？ ###

*  消息日志（Log）保存数据，磁盘追加写（Append-only）
    
     *  避免缓慢的随机I/O操作
     *  高吞吐
 *  定期删除消息（日志段）

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### Kafka 文件存储机制 ###

https://www.open-open.com/lib/view/open1421150566328.html

*  每个 partition 相当于一个巨型文件→多个大小相等 segment 数据文件中
 *  每个 partition 只需要顺序读写就行了，segment 文件生命周期由配置决定
 *  segment file 组成：
    
     *  index file：索引文件
     *  data file：数据文件
 *  segment file 文件命名规则：
    
     *  全局第一个 segment 是 0
     *  后序每个加上全局 partition 的最大 offset

![在这里插入图片描述][4e337eef5ada4848bb52960f6c44206c.png]

![在这里插入图片描述][10d05960dc02400890c6d077ac8d137c.png]

一对 segment file

![在这里插入图片描述][7c9a558906a5465dbddca9f0279ddc3e.png]

message 物理结构

![在这里插入图片描述][a35cc0da4c704f21aa4125d5c5a29bf7.png]

### 分区 ###

#### 为什么分区？ ####

*  Kafka的消息组织方式：主题-分区-消息
 *  一条消息，仅存在某一个分区中
 *  提高伸缩性，不同分区可以放到不同机器，读写操作也是以分区粒度

#### 分区策略？ ####

*  轮询
 *  随机
 *  按 key 保序，单分区有序

![在这里插入图片描述][b7ad4de906e044aabd32911ceaf0a741.png]

### Kafka 是否会消息丢失？ ###

*  只对“已提交”的消息做有限度的持久化保证
    
     *  已提交的消息：消息写入日志文件
     *  有限度的持久化保证：N个 broker 至少一个存活
 *  生产者丢失数据
    
     *  producer.send(msg) 异步发送消息，不保证数据到达Kafka
     *  producer.send(msg, callback) 判断回调
 *  消费者程序丢失数据
    
     *  应该「先消费消息，后更新位移的顺序」
     *  新问题：消息的重复处理
     *  多线程异步处理消息，Consumer不要开启自动提交位移，应用程序手动提交位移

### 控制器 ###

*  在 ZooKeeper帮助下管理和协调整个 Kafka 集群
 *  运行过程中，只能有一个 Broker 成为控制器

#### 控制器如何选举？ ####

在 ZooKeeper 创建 /controller 节点，第一个创建成功的 Broker 被指定为控制器。

#### 控制器有什么用？ ####

*  主题管理（创建、删除、增加分区）
 *  分区重分配
 *  领导者选举
 *  集群成员管理（新增 Broker、Broker 主动关闭、Broker 宕机）（ZooKeeper 临时节点）
 *  数据服务：最全的集群元数据信息

#### 控制器故障转移 ####

*  只有一个 Broker 当控制器，单点失效，立即启用备用控制器

![在这里插入图片描述][bc61ab58b1934fd0997e91601395b851.png]

### Kafka 的 ZooKeeper 存储结构 ###

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## 分布式事务的应用场景 ##

*  团队内部，某些操作要同时更新多个数据源
 *  业务团队 A 完成某个操作后，B 业务的某个操作也必须完成，A 业务并不能直接访问 B 的数据库
 *  公司之间，用户付款后，支付系统（支付宝/微信）必须通知商家的系统更新订单状态

### 两阶段最终一致 ###

*  先完成数据源 A 的事务（一阶段）
 *  成功后通过某种机制，保证数据源 B 的事务（二阶段）也一定最终完成
    
     *  不成功，会不断重试直到成功为止
     *  或达到一定重试次数后停止（配合对账、人工处理）

### 如何保证最终一致？ ###

为了保证最终一致，消息系统和业务程序需要保证：

*  消息发送的一致性：消息发送时，一阶段事务和消息发送必须同时成功或失败
 *  消息存储不丢失：消息发送成功后，到消息被成功消费前，消息服务器（broker）必须存储好消息，保证发生故障时，消息不丢失
 *  消费者不丢失消息：处理失败不丢弃，重试直到成功为止

### 消息发送的一致性如何保证？ ###

![在这里插入图片描述][a9b2ab13550d41f493e06db59a534491.png]

`目标`：本地事务、消息发送必须同时成功/失败

`问题`

*  先执行本地事务，再发送消息，消息可能发送失败
 *  可把失败的消息放入内存，稍后重试，但成功率也无法达到 100%

解决方案\`\* 先发送半消息（Half Msg，类似 Prepare 操作），不会投递给消费者

*  半消息发送成功，再执行 DB 操作
 *  DB 操作执行成功后，提交半消息

### 发送异常会如何？ ###

*  1 异常，半消息发送失败，本地 DB 没有执行，整个操作失败，DB/消息的状态一致（都没有提交）
 *  2 异常/超时
    
     *  生产者以为失败了，不执行 DB
     *  broker 存储半消息成功，等不到后序操作，会询问生产者是提交还是回滚（第6步）
 *  3 DB操作失败：生产者在第 4 步告知 broker 回滚半消息
 *  4 提交/回滚半消息失败：broker 等不到这个操作，触发回查（第 6 步）
 *  5、6、7回查失败：RocketMQ 最多回查 15 次

> 君子求诸己，小人求诸人

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