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字节跳动面试官这样问消息队列:高可用、不重复消费、可靠传输、顺序消费、消息堆积,我整理了下

冰河

写在前面

又到了年底跳槽高峰季,很多小伙伴出去面试时,不少面试官都会问到消息队列的问题,不少小伙伴回答的不是很完美,有些小伙伴是心里知道答案,嘴上却没有很好的表达出来,究其根本原因,还是对相关的知识点理解的不够透彻。今天,我们就一起来探讨下这个话题。注:文章有点长,你说你能一鼓作气看完,我有点不信!!

文章已收录到:

https://github.com/sunshinelyz/technology-binghe

https://gitee.com/binghe001/technology-binghe

什么是消息队列?

消息队列(Message Queue)是在消息的传输过程中保存消息的容器,是应用间的通信方式。消息发送后可以立即返回,由消息系统保证消息的可靠传输,消息发布者只管把消息写到队列里面而不用考虑谁需要消息,而消息的使用者也不需要知道谁发布的消息,只管到消息队列里面取,这样生产和消费便可以做到分离。

为什么要使用消息队列?

优点:

  • 异步处理:例如短信通知、终端状态推送、App推送、用户注册等
  • 数据同步:业务数据推送同步
  • 重试补偿:记账失败重试
  • 系统解耦:通讯上下行、终端异常监控、分布式事件中心
  • 流量消峰:秒杀场景下的下单处理
  • 发布订阅:HSF的服务状态变化通知、分布式事件中心
  • 高并发缓冲:日志服务、监控上报

使用消息队列比较核心的作用就是:解耦异步削峰

缺点:

  • 系统可用性降低 系统引入的外部依赖越多,越容易挂掉?如何保证消息队列的高可用?
  • 系统复杂度提高 怎么保证消息没有重复消费?怎么处理消息丢失的情况?怎么保证消息传递的顺序性?
  • 一致性问题 A 系统处理完了直接返回成功了,人都以为你这个请求就成功了;但是问题是,要是 BCD 三个系统那里,BD 两个系统写库成功了,结果 C 系统写库失败了,咋整?你这数据就不一致了。

以下主要讨论的RabbitMQ和Kafka两种消息队列。

如何保证消息队列的高可用?

RabbitMQ的高可用

RabbitMQ的高可用是基于主从(非分布式)做高可用性。RabbitMQ 有三种模式:单机模式(Demo级别)、普通集群模式(无高可用性)、镜像集群模式(高可用性)。

  • 普通集群模式

    普通集群模式,意思就是在多台机器上启动多个 RabbitMQ 实例,每个机器启动一个。你创建的 queue,只会放在一个 RabbitMQ 实例上,但是每个实例都同步 queue 的元数据(元数据可以认为是 queue 的一些配置信息,通过元数据,可以找到 queue 所在实例)。你消费的时候,实际上如果连接到了另外一个实例,那么那个实例会从 queue 所在实例上拉取数据过来。

    这种方式确实很麻烦,也不怎么好,没做到所谓的分布式,就是个普通集群。因为这导致你要么消费者每次随机连接一个实例然后拉取数据,要么固定连接那个 queue 所在实例消费数据,前者有数据拉取的开销,后者导致单实例性能瓶颈

    而且如果那个放 queue 的实例宕机了,会导致接下来其他实例就无法从那个实例拉取,如果你开启了消息持久化,让 RabbitMQ 落地存储消息的话,消息不一定会丢,得等这个实例恢复了,然后才可以继续从这个 queue 拉取数据。

    所以这个事儿就比较尴尬了,这就没有什么所谓的高可用性这方案主要是提高吞吐量的,就是说让集群中多个节点来服务某个 queue 的读写操作。

  • 镜像集群模式

这种模式,才是所谓的 RabbitMQ 的高可用模式。跟普通集群模式不一样的是,在镜像集群模式下,你创建的 queue,无论元数据还是 queue 里的消息都会存在于多个实例上,就是说,每个 RabbitMQ 节点都有这个 queue 的一个完整镜像,包含 queue 的全部数据的意思。然后每次你写消息到 queue 的时候,都会自动把消息同步到多个实例的 queue 上。

那么如何开启这个镜像集群模式呢?其实很简单,RabbitMQ 有很好的管理控制台,就是在后台新增一个策略,这个策略是镜像集群模式的策略,指定的时候是可以要求数据同步到所有节点的,也可以要求同步到指定数量的节点,再次创建 queue 的时候,应用这个策略,就会自动将数据同步到其他的节点上去了。

这样的话,好处在于,你任何一个机器宕机了,没事儿,其它机器(节点)还包含了这个 queue 的完整数据,别的 consumer 都可以到其它节点上去消费数据。坏处在于,第一,这个性能开销也太大了吧,消息需要同步到所有机器上,导致网络带宽压力和消耗很重!第二,这么玩儿,不是分布式的,就没有扩展性可言了,如果某个 queue 负载很重,你加机器,新增的机器也包含了这个 queue 的所有数据,并没有办法线性扩展你的 queue。你想,如果这个 queue 的数据量很大,大到这个机器上的容量无法容纳了,此时该怎么办呢?

Kafka的高可用

Kafka 一个最基本的架构认识:由多个 broker 组成,每个 broker 是一个节点;你创建一个 topic,这个 topic 可以划分为多个 partition,每个 partition 可以存在于不同的 broker 上,每个 partition 就放一部分数据。

这就是天然的分布式消息队列,就是说一个 topic 的数据,是分散放在多个机器上的,每个机器就放一部分数据

实际上 RabbmitMQ 之类的,并不是分布式消息队列,它就是传统的消息队列,只不过提供了一些集群、HA(High Availability, 高可用性) 的机制而已,因为无论怎么玩儿,RabbitMQ 一个 queue 的数据都是放在一个节点里的,镜像集群下,也是每个节点都放这个 queue 的完整数据。

Kafka 0.8 以前,是没有 HA 机制的,就是任何一个 broker 宕机了,那个 broker 上的 partition 就废了,没法写也没法读,没有什么高可用性可言。

比如说,我们假设创建了一个 topic,指定其 partition 数量是 3 个,分别在三台机器上。但是,如果第二台机器宕机了,会导致这个 topic 的 1/3 的数据就丢了,因此这个是做不到高可用的。

Kafka 0.8 以后,提供了 HA 机制,就是 replica(复制品) 副本机制。每个 partition 的数据都会同步到其它机器上,形成自己的多个 replica 副本。所有 replica 会选举一个 leader 出来,那么生产和消费都跟这个 leader 打交道,然后其他 replica 就是 follower。写的时候,leader 会负责把数据同步到所有 follower 上去,读的时候就直接读 leader 上的数据即可。只能读写 leader?很简单,要是你可以随意读写每个 follower,那么就要 care 数据一致性的问题,系统复杂度太高,很容易出问题。Kafka 会均匀地将一个 partition 的所有 replica 分布在不同的机器上,这样才可以提高容错性。

这么搞,就有所谓的高可用性了,因为如果某个 broker 宕机了,没事儿,那个 broker上面的 partition 在其他机器上都有副本的。如果这个宕机的 broker 上面有某个 partition 的 leader,那么此时会从 follower 中重新选举一个新的 leader 出来,大家继续读写那个新的 leader 即可。这就有所谓的高可用性了。

写数据的时候,生产者就写 leader,然后 leader 将数据落地写本地磁盘,接着其他 follower 自己主动从 leader 来 pull 数据。一旦所有 follower 同步好数据了,就会发送 ack 给 leader,leader 收到所有 follower 的 ack 之后,就会返回写成功的消息给生产者。(当然,这只是其中一种模式,还可以适当调整这个行为)

消费的时候,只会从 leader 去读,但是只有当一个消息已经被所有 follower 都同步成功返回 ack 的时候,这个消息才会被消费者读到。

如何保证消息不重复消费(幂等性)?

首先,所有的消息队列都会有这样重复消费的问题,因为这是不MQ来保证,而是我们自己开发保证的,我们使用Kakfa来讨论是如何实现的。

Kakfa有个offset的概念,就是每个消息写进去都会有一个offset值,代表消费的序号,然后consumer消费了数据之后,默认每隔一段时间会把自己消费过的消息的offset值提交,表示我已经消费过了,下次要是我重启啥的,就让我从当前提交的offset处来继续消费。

但是凡事总有意外,比如我们之前生产经常遇到的,就是你有时候重启系统,看你怎么重启了,如果碰到点着急的,直接 kill 进程了,再重启。这会导致 consumer 有些消息处理了,但是没来得及提交 offset,尴尬了。重启之后,少数消息会再次消费一次。

其实重复消费不可怕,可怕的是你没考虑到重复消费之后,怎么保证幂等性

举个例子吧。假设你有个系统,消费一条消息就往数据库里插入一条数据,要是你一个消息重复两次,你不就插入了两条,这数据不就错了?但是你要是消费到第二次的时候,自己判断一下是否已经消费过了,若是就直接扔了,这样不就保留了一条数据,从而保证了数据的正确性。一条数据重复出现两次,数据库里就只有一条数据,这就保证了系统的幂等性。幂等性,通俗点说,就一个数据,或者一个请求,给你重复来多次,你得确保对应的数据是不会改变的,不能出错

所以第二个问题来了,怎么保证消息队列消费的幂等性?

其实还是得结合业务来思考,我这里给几个思路:

  • 比如你拿个数据要写库,你先根据主键查一下,如果这数据都有了,你就别插入了,update 一下好吧。
  • 比如你是写 Redis,那没问题了,反正每次都是 set,天然幂等性。
  • 比如你不是上面两个场景,那做的稍微复杂一点,你需要让生产者发送每条数据的时候,里面加一个全局唯一的 id,类似订单 id 之类的东西,然后你这里消费到了之后,先根据这个 id 去比如 Redis 里查一下,之前消费过吗?如果没有消费过,你就处理,然后这个 id 写 Redis。如果消费过了,那你就别处理了,保证别重复处理相同的消息即可。
  • 比如基于数据库的唯一键来保证重复数据不会重复插入多条。因为有唯一键约束了,重复数据插入只会报错,不会导致数据库中出现脏数据。

当然,如何保证 MQ 的消费是幂等性的,需要结合具体的业务来看。

如何保证消息的可靠传输(不丢失)?

这个是肯定的,MQ的基本原则就是数据不能多一条,也不能少一条,不能多其实就是我们前面重复消费的问题。不能少,就是数据不能丢,像计费,扣费的一些信息,是肯定不能丢失的。

数据的丢失问题,可能出现在生产者、MQ、消费者中,咱们从 RabbitMQ 和 Kafka 分别来分析一下吧。

RabbitMQ如何保证消息的可靠

生产者丢数据

生产者将数据发送到 RabbitMQ 的时候,可能数据就在半路给搞丢了,因为网络问题啥的,都有可能。

此时可以选择用 RabbitMQ 提供的事务功能,就是生产者发送数据之前开启 RabbitMQ 事务channel.txSelect,然后发送消息,如果消息没有成功被 RabbitMQ 接收到,那么生产者会收到异常报错,此时就可以回滚事务channel.txRollback,然后重试发送消息;如果收到了消息,那么可以提交事务channel.txCommit

// 开启事务
channel.txSelect
try {
// 这里发送消息
} catch (Exception e) {
channel.txRollback

// 这里再次重发这条消息
}

// 提交事务
channel.txCommit

但是问题是,RabbitMQ 事务机制(同步)一搞,基本上吞吐量会下来,因为太耗性能

所以一般来说,如果你要确保说写 RabbitMQ 的消息别丢,可以开启 confirm 模式,在生产者那里设置开启 confirm 模式之后,你每次写的消息都会分配一个唯一的 id,然后如果写入了 RabbitMQ 中,RabbitMQ 会给你回传一个 ack 消息,告诉你说这个消息 ok 了。如果 RabbitMQ 没能处理这个消息,会回调你的一个 nack 接口,告诉你这个消息接收失败,你可以重试。而且你可以结合这个机制自己在内存里维护每个消息 id 的状态,如果超过一定时间还没接收到这个消息的回调,那么你可以重发。

事务机制和 confirm 机制最大的不同在于,事务机制是同步的,你提交一个事务之后会阻塞在那儿,但是 confirm 机制是异步的,你发送个消息之后就可以发送下一个消息,然后那个消息 RabbitMQ 接收了之后会异步回调你的一个接口通知你这个消息接收到了。

所以一般在生产者这块避免数据丢失,都是用 confirm 机制的。

RabbitMQ丢数据

就是 RabbitMQ 自己弄丢了数据,这个你必须开启 RabbitMQ 的持久化,就是消息写入之后会持久化到磁盘,哪怕是 RabbitMQ 自己挂了,恢复之后会自动读取之前存储的数据,一般数据不会丢。除非极其罕见的是,RabbitMQ 还没持久化,自己就挂了,可能导致少量数据丢失,但是这个概率较小。

设置持久化有两个步骤

  • 创建 queue 的时候将其设置为持久化 这样就可以保证 RabbitMQ 持久化 queue 的元数据,但是它是不会持久化 queue 里的数据的。
  • 第二个是发送消息的时候将消息的 deliveryMode 设置为 2 就是将消息设置为持久化的,此时 RabbitMQ 就会将消息持久化到磁盘上去。

必须要同时设置这两个持久化才行,RabbitMQ 哪怕是挂了,再次重启,也会从磁盘上重启恢复 queue,恢复这个 queue 里的数据。

注意,哪怕是你给 RabbitMQ 开启了持久化机制,也有一种可能,就是这个消息写到了 RabbitMQ 中,但是还没来得及持久化到磁盘上,结果不巧,此时 RabbitMQ 挂了,就会导致内存里的一点点数据丢失。

所以,持久化可以跟生产者那边的 confirm 机制配合起来,只有消息被持久化到磁盘之后,才会通知生产者 ack 了,所以哪怕是在持久化到磁盘之前,RabbitMQ 挂了,数据丢了,生产者收不到 ack,你也是可以自己重发的。

消费者丢数据

RabbitMQ 如果丢失了数据,主要是因为你消费的时候,刚消费到,还没处理,结果进程挂了,比如重启了,那么就尴尬了,RabbitMQ 认为你都消费了,这数据就丢了。

这个时候得用 RabbitMQ 提供的 ack 机制,简单来说,就是你必须关闭 RabbitMQ 的自动 ack,可以通过一个 api 来调用就行,然后每次你自己代码里确保处理完的时候,再在程序里 ack 一把。这样的话,如果你还没处理完,不就没有 ack 了?那 RabbitMQ 就认为你还没处理完,这个时候 RabbitMQ 会把这个消费分配给别的 consumer 去处理,消息是不会丢的。

Kakfa如何保证消息的可靠

  • 消费者丢数据

    唯一可能导致消费者弄丢数据的情况,就是说,你消费到了这个消息,然后消费者那边自动提交了 offset,让 Kafka 以为你已经消费好了这个消息,但其实你才刚准备处理这个消息,你还没处理,你自己就挂了,此时这条消息就丢咯。

    这不是跟 RabbitMQ 差不多吗,大家都知道 Kafka 会自动提交 offset,那么只要关闭自动提交 offset,在处理完之后自己手动提交 offset,就可以保证数据不会丢。但是此时确实还是可能会有重复消费,比如你刚处理完,还没提交 offset,结果自己挂了,此时肯定会重复消费一次,自己保证幂等性就好了。

    生产环境碰到的一个问题,就是说我们的 Kafka 消费者消费到了数据之后是写到一个内存的 queue 里先缓冲一下,结果有的时候,你刚把消息写入内存 queue,然后消费者会自动提交 offset。然后此时我们重启了系统,就会导致内存 queue 里还没来得及处理的数据就丢失了。

  • Kafka丢数据

    这块比较常见的一个场景,就是 Kafka 某个 broker 宕机,然后重新选举 partition 的 leader。大家想想,要是此时其他的 follower 刚好还有些数据没有同步,结果此时 leader 挂了,然后选举某个 follower 成 leader 之后,不就少了一些数据?这就丢了一些数据啊。

    生产环境也遇到过,我们也是,之前 Kafka 的 leader 机器宕机了,将 follower 切换为 leader 之后,就会发现说这个数据就丢了。

    所以此时一般是要求起码设置如下 4 个参数:

    • 给 topic 设置 replication.factor 参数:这个值必须大于 1,要求每个 partition 必须有至少 2 个副本。
    • 在 Kafka 服务端设置 min.insync.replicas 参数:这个值必须大于 1,这个是要求一个 leader 至少感知到有至少一个 follower 还跟自己保持联系,没掉队,这样才能确保 leader 挂了还有一个 follower 吧。
    • 在 producer 端设置 acks=all:这个是要求每条数据,必须是写入所有 replica 之后,才能认为是写成功了
    • 在 producer 端设置 retries=MAX(很大很大很大的一个值,无限次重试的意思):这个是要求一旦写入失败,就无限重试,卡在这里了。

    我们生产环境就是按照上述要求配置的,这样配置之后,至少在 Kafka broker 端就可以保证在 leader 所在 broker 发生故障,进行 leader 切换时,数据不会丢失。

  • 生产者丢数据

    如果按照上述的思路设置了 acks=all,一定不会丢,要求是,你的 leader 接收到消息,所有的 follower 都同步到了消息之后,才认为本次写成功了。如果没满足这个条件,生产者会自动不断的重试,重试无限次。

如何保证消息的顺序性?

我举个例子,我们以前做过一个 mysql binlog 同步的系统,压力还是非常大的,日同步数据要达到上亿,就是说数据从一个 mysql 库原封不动地同步到另一个 mysql 库里面去(mysql -> mysql)。常见的一点在于说比如大数据 team,就需要同步一个 mysql 库过来,对公司的业务系统的数据做各种复杂的操作。

你在 mysql 里增删改一条数据,对应出来了增删改 3 条 binlog 日志,接着这三条 binlog 发送到 MQ 里面,再消费出来依次执行,起码得保证人家是按照顺序来的吧?不然本来是:增加、修改、删除;你楞是换了顺序给执行成删除、修改、增加,不全错了么。

本来这个数据同步过来,应该最后这个数据被删除了;结果你搞错了这个顺序,最后这个数据保留下来了,数据同步就出错了。

先看看顺序会错乱的俩场景:

  • RabbitMQ:一个 queue,多个 consumer。比如,生产者向 RabbitMQ 里发送了三条数据,顺序依次是 data1/data2/data3,压入的是 RabbitMQ 的一个内存队列。有三个消费者分别从 MQ 中消费这三条数据中的一条,结果消费者2先执行完操作,把 data2 存入数据库,然后是 data1/data3。这不明显乱了。

  • Kafka:比如说我们建了一个 topic,有三个 partition。生产者在写的时候,其实可以指定一个 key,比如说我们指定了某个订单 id 作为 key,那么这个订单相关的数据,一定会被分发到同一个 partition 中去,而且这个 partition 中的数据一定是有顺序的。 消费者从 partition 中取出来数据的时候,也一定是有顺序的。到这里,顺序还是 ok 的,没有错乱。接着,我们在消费者里可能会搞多个线程来并发处理消息。因为如果消费者是单线程消费处理,而处理比较耗时的话,比如处理一条消息耗时几十 ms,那么 1 秒钟只能处理几十条消息,这吞吐量太低了。而多个线程并发跑的话,顺序可能就乱掉了。

RabbitMQ解决方案

拆分多个 queue,每个 queue 一个 consumer,就是多一些 queue 而已,确实是麻烦点;或者就一个 queue 但是对应一个 consumer,然后这个 consumer 内部用内存队列做排队,然后分发给底层不同的 worker 来处理。

Kafka解决方案

  • 一个 topic,一个 partition,一个 consumer,内部单线程消费,单线程吞吐量太低,一般不会用这个。
  • 写 N 个内存 queue,具有相同 key 的数据都到同一个内存 queue;然后对于 N 个线程,每个线程分别消费一个内存 queue 即可,这样就能保证顺序性。

如何处理消息推积?

大量消息在 mq 里积压了几个小时了还没解决

一个消费者一秒是 1000 条,一秒 3 个消费者是 3000 条,一分钟就是 18 万条。所以如果你积压了几百万到上千万的数据,即使消费者恢复了,也需要大概 1 小时的时间才能恢复过来。

一般这个时候,只能临时紧急扩容了,具体操作步骤和思路如下:

  • 先修复 consumer 的问题,确保其恢复消费速度,然后将现有 consumer 都停掉。
  • 新建一个 topic,partition 是原来的 10 倍,临时建立好原先 10 倍的 queue 数量。
  • 然后写一个临时的分发数据的 consumer 程序,这个程序部署上去消费积压的数据,消费之后不做耗时的处理,直接均匀轮询写入临时建立好的 10 倍数量的 queue。
  • 接着临时征用 10 倍的机器来部署 consumer,每一批 consumer 消费一个临时 queue 的数据。这种做法相当于是临时将 queue 资源和 consumer 资源扩大 10 倍,以正常的 10 倍速度来消费数据。
  • 等快速消费完积压数据之后,得恢复原先部署的架构重新用原先的 consumer 机器来消费消息。

mq 中的消息过期失效了

假设你用的是 RabbitMQ,RabbtiMQ 是可以设置过期时间的,也就是 TTL。如果消息在 queue 中积压超过一定的时间就会被 RabbitMQ 给清理掉,这个数据就没了。那这就是第二个坑了。这就不是说数据会大量积压在 mq 里,而是大量的数据会直接搞丢

这个情况下,就不是说要增加 consumer 消费积压的消息,因为实际上没啥积压,而是丢了大量的消息。我们可以采取一个方案,就是批量重导,这个我们之前线上也有类似的场景干过。就是大量积压的时候,我们当时就直接丢弃数据了,然后等过了高峰期以后,比如大家一起喝咖啡熬夜到晚上12点以后,用户都睡觉了。这个时候我们就开始写程序,将丢失的那批数据,写个临时程序,一点一点的查出来,然后重新灌入 mq 里面去,把白天丢的数据给他补回来。也只能是这样了。

假设 1 万个订单积压在 mq 里面,没有处理,其中 1000 个订单都丢了,你只能手动写程序把那 1000 个订单给查出来,手动发到 mq 里去再补一次。

mq 都快写满了

如果消息积压在 mq 里,你很长时间都没有处理掉,此时导致 mq 都快写满了,咋办?这个还有别的办法吗?没有,谁让你第一个方案执行的太慢了,你临时写程序,接入数据来消费,消费一个丢弃一个,都不要了,快速消费掉所有的消息。然后走第二个方案,到了晚上再补数据吧。

参考资料:

  • Kafa深度解析
  • RabbitMQ源码解析

好了,今天就到这儿吧,我是冰河,大家有啥问题可以在下方留言,也可以加我微信:sun_shine_lyz,我拉你进群,一起交流技术,一起进阶,一起牛逼~~

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冰河,高级软件架构师,Java编程专家,大数据架构师与编程专家,信息安全高级工程师,Mykit系列开源框架...
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