RocketMQ消息存储和ack

RocketMQ消息存储和ack
消息存储架构

主要有下面三个跟消息存储相关的文件构成。

(1) CommitLog：消息主体以及元数据的存储主体，存储Producer端写入的消息主体内容,消息内容不是定长的。单个文件大小默认1G ，文件名长度为20位，左边补零，剩余为起始偏移量，比如00000000000000000000代表了第一个文件，起始偏移量为0，文件大小为1G=1073741824；当第一个文件写满了，第二个文件为00000000001073741824，起始偏移量为1073741824，以此类推。消息主要是顺序写入日志文件，当文件满了，写入下一个文件；

(2) ConsumeQueue：消息消费队列，引入的目的主要是提高消息消费的性能，由于RocketMQ是基于主题topic的订阅模式，消息消费是针对主题进行的，如果要遍历commitlog文件中根据topic检索消息是非常低效的。Consumer即可根据ConsumeQueue来查找待消费的消息。其中，ConsumeQueue（逻辑消费队列）作为消费消息的索引，保存了指定Topic下的队列消息在CommitLog中的起始物理偏移量offset，消息大小size和消息Tag的HashCode值。consumequeue文件可以看成是基于topic的commitlog索引文件，故consumequeue文件夹的组织方式如下：topic/queue/file三层组织结构，具体存储路径为：$HOME/store/consumequeue/{topic}/{queueId}/{fileName}。同样consumequeue文件采取定长设计，每一个条目共20个字节，分别为8字节的commitlog物理偏移量、4字节的消息长度、8字节tag hashcode，单个文件由30W个条目组成，可以像数组一样随机访问每一个条目，每个ConsumeQueue文件大小约5.72M；

(3) IndexFile：IndexFile（索引文件）提供了一种可以通过key或时间区间来查询消息的方法。Index文件的存储位置是：$HOME storeindex${fileName}，文件名fileName是以创建时的时间戳命名的，固定的单个IndexFile文件大小约为400M，一个IndexFile可以保存 2000W个索引，IndexFile的底层存储设计为在文件系统中实现HashMap结构，故rocketmq的索引文件其底层实现为hash索引。

在上面的RocketMQ的消息存储整体架构图中可以看出，RocketMQ采用的是混合型的存储结构，即为Broker单个实例下所有的队列共用一个日志数据文件（即为CommitLog）来存储。RocketMQ的混合型存储结构(多个Topic的消息实体内容都存储于一个CommitLog中)针对Producer和Consumer分别采用了数据和索引部分相分离的存储结构，Producer发送消息至Broker端，然后Broker端使用同步或者异步的方式对消息刷盘持久化，保存至CommitLog中。只要消息被刷盘持久化至磁盘文件CommitLog中，那么Producer发送的消息就不会丢失。正因为如此，Consumer也就肯定有机会去消费这条消息。当无法拉取到消息后，可以等下一次消息拉取，同时服务端也支持长轮询模式，如果一个消息拉取请求未拉取到消息，Broker允许等待30s的时间，只要这段时间内有新消息到达，将直接返回给消费端。这里，RocketMQ的具体做法是，使用Broker端的后台服务线程—ReputMessageService不停地分发请求并异步构建ConsumeQueue（逻辑消费队列）和IndexFile（索引文件）数据。

PageCache与Mmap内存映射

这里有必要先稍微简单地介绍下page cache的概念。系统的所有文件I/O请求，操作系统都是通过page cache机制实现的。对于操作系统来说，磁盘文件都是由一系列的数据块顺序组成，数据块的大小由操作系统本身而决定，x86的linux中一个标准页面大小是4KB。
操作系统内核在处理文件I/O请求时，首先到page cache中查找（page cache中的每一个数据块都设置了文件以及偏移量地址信息），如果未命中，则启动磁盘I/O，将磁盘文件中的数据块加载到page cache中的一个空闲块，然后再copy到用户缓冲区中。
page cache本身也会对数据文件进行预读取，对于每个文件的第一个读请求操作，系统在读入所请求页面的同时会读入紧随其后的少数几个页面。因此，想要提高page cache的命中率（尽量让访问的页在物理内存中），从硬件的角度来说肯定是物理内存越大越好。从操作系统层面来说，访问page cache时，即使只访问1k的消息，系统也会提前预读取更多的数据，在下次读取消息时, 就很可能可以命中内存。
在RocketMQ中，ConsumeQueue逻辑消费队列存储的数据较少，并且是顺序读取，在page cache机制的预读取作用下，Consume Queue的读性能会比较高近乎内存，即使在有消息堆积情况下也不会影响性能。而对于CommitLog消息存储的日志数据文件来说，读取消息内容时候会产生较多的随机访问读取，严重影响性能。如果选择合适的系统IO调度算法，比如设置调度算法为“Noop”（此时块存储采用SSD的话），随机读的性能也会有所提升。
另外，RocketMQ主要通过MappedByteBuffer对文件进行读写操作。其中，利用了NIO中的FileChannel模型直接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（这里需要注意的是，采用MappedByteBuffer这种内存映射的方式有几个限制，其中之一是一次只能映射1.5~2G 的文件至用户态的虚拟内存，这也是为何RocketMQ默认设置单个CommitLog日志数据文件为1G的原因了）。

原理：

https://blog.csdn.net/mg0832058/article/details/5890688

https://www.cnblogs.com/huxiao-tee/p/4660352.html

消息刷盘

(1) 同步刷盘：如上图所示，只有在消息真正持久化至磁盘后RocketMQ的Broker端才会真正返回给Producer端一个成功的ACK响应。同步刷盘对MQ消息可靠性来说是一种不错的保障，但是性能上会有较大影响，一般适用于金融业务应用该模式较多。

(2) 异步刷盘：能够充分利用OS的PageCache的优势，只要消息写入PageCache即可将成功的ACK返回给Producer端。消息刷盘采用后台异步线程提交的方式进行，降低了读写延迟，提高了MQ的性能和吞吐量。

生产阶段的持久化保障（消息不丢失）

消息发送同步刷盘
```
    DefaultMQProducer producer = new DefaultMQProducer("please_rename_unique_group_name");
    producer.setNamesrvAddr("192.168.10.11:9876");
    producer.start();
    Message sendMessage = new Message(
                JmsConfig.TOPIC,
                "订单001".getBytes());
    try {
     SendResult sendResult1 = producer.send(sendMessage);
    } catch (RemotingException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (MQBrokerException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
```
异步刷盘
```
producer.getProducer().send(message, new SendCallback() {
                @Override
                public void onSuccess(SendResult sendResult) {
                    //log.info("Product-异步发送-输出信息={}", sendResult);
                    System.out.println("Product-异步发送-输出信息={}" + sendResult);
                }
                @Override
                public void onException(Throwable e) {
                    //e.printStackTrace();
                    System.out.println("Product-异步发送-异常" + e.getMessage());
                    //写入补偿log，进行重发
                }
            });
```
他们都有一个共同点，即都需要返回SendResult

消息发送成功仅代表消息已经到了 Broker 端，Broker 在不同配置下，可能会返回不同响应状态:
- SendStatus.SEND_OK
- SendStatus.FLUSH_DISK_TIMEOUT
- SendStatus.FLUSH_SLAVE_TIMEOUT
- SendStatus.SLAVE_NOT_AVAILABLE
实例
```
[sendStatus=SEND_OK, msgId=A9FEC2CC067C18B4AAC2233C37560000, offsetMsgId=C0A80A0B00002A9F00000000007EA45A, messageQueue=MessageQueue [topic=topic_family, brokerName=localhost.localdomain, queueId=1], queueOffset=1]
```
不管是同步还是异步的方式，都会碰到网络问题导致发送失败的情况。针对这种情况，我们可以设置合理的重试次数，当出现网络问题，可以自动重试。设置方式如下：
```
// 同步发送消息重试次数，默认为 2
mqProducer.setRetryTimesWhenSendFailed(3);
// 异步发送消息重试次数，默认为 2
mqProducer.setRetryTimesWhenSendAsyncFailed(3);
```
生产者在发送消息时，同步消息失败会重投，异步消息有重试，oneway没有任何保证。消息重投保证消息尽可能发送成功、不丢失，但可能会造成消息重复，消息重复在RocketMQ中是无法避免的问题。消息重复在一般情况下不会发生，当出现消息量大、网络抖动，消息重复就会是大概率事件。另外，生产者主动重发、consumer负载变化也会导致重复消息。如下方法可以设置消息重试策略：
- retryTimesWhenSendFailed:同步发送失败重投次数，默认为2，因此生产者会最多尝试发送retryTimesWhenSendFailed + 1次。不会选择上次失败的broker，尝试向其他broker发送，最大程度保证消息不丢。超过重投次数，抛出异常，由客户端保证消息不丢。当出现RemotingException、MQClientException和部分MQBrokerException时会重投。
- retryTimesWhenSendAsyncFailed:异步发送失败重试次数，异步重试不会选择其他broker，仅在同一个broker上做重试，不保证消息不丢。
- retryAnotherBrokerWhenNotStoreOK:消息刷盘（主或备）超时或slave不可用（返回状态非SEND_OK），是否尝试发送到其他broker，默认false。十分重要消息可以开启。
Broker的持久化保障

默认情况下，消息只要到了 Broker 端，将会优先保存到内存中，然后立刻返回确认响应给生产者。随后 Broker 定期批量的将一组消息从内存异步刷入磁盘。

这种方式减少 I/O 次数，可以取得更好的性能，但是如果发生机器掉电，异常宕机等情况，消息还未及时刷入磁盘，就会出现丢失消息的情况。

若想保证 Broker 端不丢消息，保证消息的可靠性，我们需要将消息保存机制修改为同步刷盘方式，即消息存储磁盘成功，才会返回响应。

修改 Broker 端配置如下：
```
## 默认情况为 ASYNC_FLUSH 
flushDiskType = SYNC_FLUSH
```
为了保证可用性，Broker 通常采用一主（master）多从（slave）部署方式。为了保证消息不丢失，消息还需要复制到 slave 节点。

默认方式下，消息写入 master 成功，就可以返回确认响应给生产者，接着消息将会异步复制到 slave 节点。此时若 master 突然宕机且不可恢复，那么还未复制到 slave 的消息将会丢失。为了进一步提高消息的可靠性，我们可以采用同步的复制方式，master 节点将会同步等待 slave 节点复制完成，才会返回确认响应。

Broker master 节点同步复制配置如下：
```
## 默认为 ASYNC_MASTER 
brokerRole=SYNC_MASTER
```
如果 slave 节点未在指定时间内同步返回响应，生产者将会收到 SendStatus.FLUSH_SLAVE_TIMEOUT 返回状态。

RocketMQ默认broker的刷盘策略为异步刷盘，如果有主从，同步策略也默认的是异步同步，这样子可以提高broker处理消息的效率，但是会有丢失的可能性。因此可以通过同步刷盘策略+同步slave策略+主从的方式解决丢失消息的可能。

结合生产阶段与存储阶段，若需要严格保证消息不丢失，broker 需要采用如下配置：
```
## master 节点配置
flushDiskType = SYNC_FLUSH
brokerRole=SYNC_MASTER
 
## slave 节点配置
brokerRole=slave
flushDiskType = SYNC_FLUSH
```
同时这个过程我们还需要生产者配合，判断返回状态是否是 SendStatus.SEND_OK。若是其他状态，就需要考虑补偿重试。

其实这些机制和kafak非常相似。

虽然上述配置提高消息的高可靠性，但是会降低性能，生产实践中需要综合选择，到底是牺牲性能保证消息不丢失，还是高性能（默认的异步落盘）允许少量丢失（实际上也就是断电的那一刹那会丢失极少量的数据），我建议如果是金融账单业务，可以牺牲性能保证高可用，其他都可以使用log记录，后期补偿的方式进行。
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原文地址：https://www.cnblogs.com/starcrm/p/13063833.html

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PageCache与Mmap内存映射

消息刷盘

生产阶段的持久化保障（消息不丢失）

Broker的持久化保障