RocketMQ基础概念剖析&源码解析

Topic

Topic是一类消息的集合，是一种逻辑上的分区。为什么说是逻辑分区呢？因为最终数据是存储到Broker上的，而且为了满足高可用，采用了分布式的存储。

这和Kafka中的实现如出一辙，Kafka的Topic也是一种逻辑概念，每个Topic的数据会分成很多份，然后存储在不同的Broker上，这个「份」叫Partition。而在RocketMQ中，Topic的数据也会分布式的存储，这个「份」叫MessageQueue。

其分布可以用下图来表示。

这样一来，如果某个Broker所在的机器意外宕机，而且刚好MessageQueue中的数据还没有持久化到磁盘，那么该Topic下的这部分消息就会完全丢失。此时如果有备份的话，MQ就可以继续对外提供服务。

为什么还会出现没有持久化到磁盘的情况呢？现在的OS当中，程序写入数据到文件之后，并不会立马写入到磁盘，因为磁盘I/O是非常耗时的操作，在计算机来看是非常慢的一种操作。所以写入文件的数据会先写入到OS自己的缓存中去，然后择机异步的将Buffer中的数据刷入磁盘。

通过多副本冗余的机制，使得RocketMQ具有了高可用的特性。除此之外，分布式存储能够应对后期业务大量的数据存储。如果不使用分布式进行存储，那么随着后期业务发展，消息量越来越大，单机是无论如何也满足不了RocketMQ消息的存储需求的。如果不做处理，那么一台机器的磁盘总有被塞满的时候，此时的系统就不具备可伸缩的特性，也无法满足业务的使用要求了。

但是这里的可伸缩，和微服务中的服务可伸缩还不太一样。因为在微服务中，各个服务是无状态的。而Broker是有状态的，每个Broker上存储的数据都不太一样，因为Producer在发送消息的时候会通过指定的算法，从Message Queue列表中选出一个MessageQueue发送消息。

如果不是很理解这个横向扩展，那么可以把它当成Redis的Cluster，通过一致性哈希，选择到Redis Cluster中的具体某个节点，然后将数据写入Redis Master中去。如果此时想要扩容很方便，只需要往Redis Cluster中新增Master节点就好了。

所以，数据分布式的存储本质上是一种数据分片的机制。在此基础上，通过冗余多副本，达成了高可用。

Broker

Broker可以理解为我们微服务中的一个服务的某个实例，因为微服务中我们的服务一般来说都会多实例部署，而RocketMQ也同理，多实例部署可以帮助系统扛住更多的流量，也从某种方面提高了系统的健壮性。

在RocketMQ4.5之前，它使用主从架构，每一个Master Broker都有一个自己的Slave Broker。

那RocketMQ的主从Broker是如何进行数据同步的呢？

Broker启动的时候，会启动一个定时任务，定期的从Master Broker同步全量的数据。

这块可以先不用纠结，后面我们会通过源码来验证这个主从同步逻辑。

上面提到了Broker会部署很多个实例，那么既然多实例部署，那必然会存在一个问题，客户端是如何得知自己是连接的哪个服务器？如何得知对应的Broker的IP地址和端口？如果某个Broker突然挂了怎么办？

NameServer

这就需要NameServer了，NameServer是什么？

这里先拿Spring Cloud举例子——Spring Cloud中服务启动的时候会将自己注册到Eureka注册中心上。当服务实例启动的时候，会从Eureka拉取全量的注册表，并且之后定期的从Eureka增量同步，并且每隔30秒发送心跳到Eureka去续约。如果Eureka检测到某个服务超过了90秒没有发送心跳，那么就会该服务宕机，就会将其从注册表中移除。

RocketMQ中，NameServer充当的也是类似的角色。两者从功能上也有一定的区别。

Broker在启动的时候会向NameServer注册自己，并且每隔30秒向NameServerv发送心跳。如果某个Broker超过了120秒没有发送心跳，那么就会认为该Broker宕机，就会将其从维护的信息中移除。这块后面也会从源码层面验证。

当然NameServer不仅仅是存储了各个Broker的IP地址和端口，还存储了对应的Topic的路由数据。什么是路由数据呢？那就是某个Topic下的哪个Message Queue在哪台Broker上。

Producer

总体流程

接下来，我们来看看Producer发送一条消息到Broker的时候会做什么事情，整体的流程如下。

检查消息合法性

整体来看，其实是个很简单的操作，跟我们平时写代码是一样的，来请求了先校验请求是否合法。Producer启动这里会去校验当前Topic数据的合法性。

Topic名称中是否包含了非法字符
Topic名称长度是否超过了最大的长度限制，由常量TOPIC_MAX_LENGTH来决定，其默认值为127
当前消息体是否是NULL或者是空消息
当前消息体是否超过了最大限制，由常量maxMessageSize决定，值为1024 * 1024 * 4，也就是4M。

都是些很常规的操作，和我们平时写的checker都差不多。

获取Topic的详情

当通过了消息的合法性校验之后，就需要继续往下走。此时的关注点就应该从消息是否合法转移到我要发消息给谁。

此时就需要通过当前消息所属的Topic拿到Topic的详细数据。

获取Topic的方法源码在上面已经给出来了，首先会从内存中维护的一份Map中获取数据。顺带一提，这里的Map是ConcurrentHashMap，是线程安全的，和Golang中的Sync.Map类似。

当然，首次发送的话，这个Map肯定是空的，此时会调用NameServer的接口，通过Topic去获取详情的Topic数据，此时会在上面的方法中将其加入到Map中去，这样一来下次再往该Topic发送消息就能够直接从内存中获取。这里就是简单的实现的缓存机制 。

从方法名称来看，是通过Topic获取路由数据。实际上该方法，通过调用NameServer提供的API，更新了两部分数据，分别是：

Topic路由信息
Topic下的Broker相关信息

而这两部分数据都来源于同一个结构体TopicRouteData。其结构如下。

通过源码可以看到，就包含了该Topic下所有Broker下的Message Queue相关的数据、所有Broker的地址信息。

发送的具体Queue

此时我们获取到了需要发送到的Broker详情，包括地址和MessageQueue，那么此时问题的关注点又该从「消息发送给谁」转移到「消息具体发送到哪儿」。

什么叫发送到哪儿？

开篇提到过一个Topic下会被分为很多个MessageQueue，「发送到哪儿」指的就是具体发送到哪一个Message Queue中去。

Message Queue选择机制

核心的选择逻辑

还是先给出流程图

核心逻辑，用大白话讲就是将一个随机数和Message Queue的容量取模。这个随机数存储在Thread Local中，首次计算的时候，会直接随机一个数。

此后，都直接从ThreadLocal中取出该值，并且 1返回，拿到了MessageQueue的数量和随机数两个关键的参数之后，就会执行最终的计算逻辑。

接下来，我们来看看选择Message Queue的方法SelectOneMessageQueue都做了什么操作吧。

可以看到，主逻辑被变量sendLatencyFaultEnable分为了两部分。

容错机制下的选择逻辑

该变量表意为发送延迟故障。本质上是一种容错的策略，在原有的MessageQueue选择基础上，再过滤掉不可用的Broker，对之前失败的Broker，按一定的时间做退避。

可以看到，如果调用Broker信息发生了异常，那么就会调用updateFault这个方法，来更新Broker的Aviable情况。注意这个参数isolation的值为true。接下来我们从源码级别来验证上面说的退避3000ms的事实。

可以看到，isolation值是true，则duration通过三元运算符计算出来结果为30000，也就是30秒。所以我们可以得出结论，如果发送消息抛出了异常，那么直接会将该Broker设置为30秒内不可用。

而如果只是发送延迟较高，则会根据如下的map，根据延迟的具体时间，来判断该设置多少时间的不可用。

例如，如果上次请求的latency超过550ms，就退避3000ms；超过1000，就退避60000；

正常情况下的选择逻辑

而正常情况下，如果当前发送故障延迟没有启用，则会走常规逻辑，同样的会去for循环计算，循环中取到了MessageQueue之后会去判断是否和上次选择的MessageQueue属于同一个Broker，如果是同一个Broker，则会重新选择，直到选择到不属于同一个Broker的MessageQueue，或者直到循环结束。这也是为了将消息均匀的分发存储，防止数据倾斜。

发送消息

选到了具体的Message Queue之后就会开始执行发送消息的逻辑，就会调用底层Netty的接口给发送出去，这块暂时没啥可看的。

Broker的启动流程

主从同步

在上面提到过，RocketMQ有自己的主从同步，但是有两个不同的版本，版本的分水岭是在4.5版本。这两个版本区别是什么呢？

4.5之前：有点类似于Redis中，我们手动的将某台机器通过命令slave of 变成另一台Redis的Slave节点，这样一来就变成了一个较为原始的一主一从的架构。为什么说原始呢？因为如果此时Master节点宕机，我们需要人肉的去做故障转移。RocketMQ的主从架构也是这种情况。
4.5之后：引入了Dleger，可以实现一主多从，并且实现自动的故障转移。这就跟Redis后续推出了Sentinel是一样的。Dleger也是类似的作用。

下图是Broker启动代码中的源码。

可以看到判断了是否开启了Dleger，默认是不开启的。所以就会执行其中的逻辑。

刚好我们就看到了，里面有Rocket主从同步数据的相关代码。

如果当前Broker节点的角色是Slave，则会启动一个周期性的定时任务，定期（也就是10秒）去Master Broker同步全量的数据。同步的数据包括：

Topic的相关配置
Cosumer的消费偏移量
延迟消息的Offset
订阅组的相关数据和配置

注册Broker

完成了主动同步定时任务的启动之后，就会去调用registerBrokerAll去注册Broker。可能这里会有点疑问，我这里是Broker启动，只有当前一个Broker实例，那这个All是什么意思呢？

All是指所有的NameServer，Broker启动的时候会将自己注册到每一个NameServer上去。为什么不只注册到一个NameServer就完事了呢？这样一来还可以提高效率。归根结底还是高可用的问题。

如果Broker只注册到了一台NameServer上，万一这台NameServer挂了呢？这个Broker对所有客户端就都不可见了。实际上Broker还在正常的运行。

进到registerBrokerAll中去。

可以看到，这里会判断是否需要进行注册。通过上面的截图可以看到，此时forceRegister的值为true，而是否要注册，决定权就交给了needRegister

为什么需要判断是否需要注册呢？因为Broker一旦注册到了NameServer之后，由于Producer不停的在写入数据，Consumer也在不停的消费数据，Broker也可能因为故障导致某些Topic下的Message Queue等关键的路由信息发生变动。

这样一来，NameServer中的数据和Broker中的数据就会不一致。

如何判断是否需要注册

大致的思路是，Broker会从每一个NameServer中获取到当前Broker的数据，并和当前Broker节点中的数据做对比。但凡有一台NameServer数据和当前Broker不一致，都会进行注册操作。

接下来，我们从源码层面验证这个逻辑。关键的逻辑我在图中也标注了出来。

可以看到，就是通过对比Broker中的数据版本和NameServer中的数据版本来实现的。这个版本，注册的时候会写到注册的数据中存入NameServer中。

这里由于是有多个，所以RocketMQ用线程池来实现了多线程操作，并且用CountDownLatch来等待所有的返回结果。经典的用空间换时间，Golang里面也有类似的操作，那就是sync.waitGroup。

关于任何一个数据不匹配，都会进行重新注册的事实，我们也从源码层面来验证一下。

可以看到，如果任何一台NameServer的数据发生了Change，都会break，返回true。

这里的结果列表使用的是CopyOnWriteList来实现的。

因为这里是多线程去执行的判断逻辑，而正常的列表不是线程安全的。CopyOnWriteArrayList之所以是线程安全的，这归功于COW（Copy On Write），读请求时共用同一个List，涉及到写请求时，会复制出一个List，并在写入数据的时候加入独占锁。比起直接对所有操作加锁，读写锁的形式分离了读、写请求，使其互不影响，只对写请求加锁，降低了加锁的次数、减少了加锁的消耗，提升了整体操作的并发。

执行注册逻辑

这块就是构建数据，然后多线程并发的去发送请求，用CopyOnWriteArrayList来保存结果。不过，上面我们提到过，Broker注册的时候，会把数据版本发送到NameServer并且存储起来，这块我们可以看看发送到NameServer的数据结构。

可以看到，Topic的数据分为了两部分，一部分是核心的逻辑，另一部分是DataVersion，也就是我们刚刚一直提到的数据版本。

Broker如何存储数据

刚刚在聊Producer最后提到的是，发送消息到Broker就完了。不知道大家有没有想过Broker是如何存储消息的？

Commit log

先给出流程图

然后给出结论，Producer发送的消息是存储在一种叫commit log的文件中的，Producer端每次写入的消息是不等长的，当该CommitLog文件写入满1G，就会新建另一个新的CommitLog，继续写入。此次采取的是顺序写入。

那么问题来了，Consumer来消费的时候，Broker是如何快速找到对应的消息的呢？我们首先排除遍历文件查找的方法，因为RocketMQ是以高吞吐、高性能著称的，肯定不可能采取这种对于很慢的操作。那RocketMQ是如何做的呢？

答案是ConsumerQueue

ConsumerQueue

ConsumerQueue是什么？是文件。引入的目的是什么呢？提高消费的性能。

Broker在收到一条消息的时候，写入Commit Log的同时，还会将当前这条消息在commit log中的offset、消息的size和对应的Tag的Hash写入到consumer queue文件中去。

每个MessageQueue都会有对应的ConsumerQueue文件存储在磁盘上，每个ConsumerQueue文件包含了30W条消息，每条消息的size大小为20字节，包含了8字节CommitLog的Offset、4字节的消息长度、8字节的Tag的哈希值。这样一来，每个ConsumerQueue的文件大小就约为5.72M。

当该ConsumerQueue文件写满了之后，就会再新建一个ConsumerQueue文件，继续写入。

所以，ConsumerQueue文件可以看成是CommitLog文件的索引。

负载均衡

什么意思呢？假设我们总共有6个MessageQueue，然后此时分布在了3台Broker上，每个Broker上包含了两个queue。此时Consumer有3台，我们可以大致的认为每个Consumer负责2个MessageQueue的消费。但是这里有一个原则，那就是一个MessageQueue只能被一台Consumer消费，而一台Consumer可以消费多个MessageQueue。

为什么？道理很简单，RocketMQ支持的顺序消费，是指的分区顺序性，也就是在单个MessageQueue中，消息是具有顺序性的，而如果多台Consumer去消费同一个MessageQueue，就很难去保证顺序消费了。

由于有很多个Consumer在消费多个MessageQueue，所以为了不出现数据倾斜，也为了资源的合理分配利用，在Producer发送消息的时候，需要尽可能的将消息均匀的分发给多个MessageQueue。

同时，上面那种一个Consumer消费了2个MessageQueue的情况，万一这台Consumer挂了呢？这两个MessageQueue不就没人消费了？

以上两种情况分别是Producer端的负载均衡、Consumer端的负载均衡。

Producer端负载均衡

关于Producer端上面的负载均衡，上面的流程图已经给了出来，并且给出了源码的验证。首先是容错策略，会去避开一段时间有问题的Broker，并且加上如果选择了上次的Broker，就会重新进行选择。

Consumer端负载均衡

首先Consumer端的负责均衡可以由两个对象触发：

Broker
Consumer自身

Consumer也会向所有的Broker发送心跳，将消息的消费组名称、订阅关系集合、消息的通信模式和客户端的ID等等。Broker收到了Consumer的心跳之后，会将其存在Broker维护的一个Manager中，名字叫ConsumerManager。当Broker监听到了Consumer数量发生了变动，就会通知Consumer进行Rebalance。

但是如果Broker通知Consumer进行Rebalance的消息丢了呢？这也就是为什么需要第Consumer自身进行触发的原因。Consumer会在启动的时候启动定时任务，周期性的执行rebalance操作。

默认是20秒执行一次。具体的代码如下。

具体流程

首先，Consumer的Rebalance会获取到本地缓存的Topic的全部数据，然后向Broker发起请求，拉取该Topic和ConsumerGroup下的所有的消费者信息。此处的Broker数据来源就是Consumer之前的心跳发送过去的数据。然后会对Topic中MessageQueue和消费者ID进行排序，然后用消息队列默认分配算法来进行分配，这里的默认分配策略是平均分配。

首先会均匀的按照类似分页的思想，将MessageQueue分配给Consumer，如果分配的不均匀，则会依次的将剩下的MessageQueue按照排序的顺序，从上往下的分配。所以在这里Consumer 1被分配到了4个MessageQueue，而Consumer 2被分配到了3个MessageQueue。

Rebalance完了之后，会将结果和Consumer缓存的数据做对比，移除不在ReBalance结果中的MessageQueue，将原本没有的MessageQueue给新增到缓存中。

触发时机

Consumer启动时启动之后会立马进行Rebalance
Consumer运行中运行中会监听Broker发送过来的Rebalance消息，以及Consumer自身的定时任务触发的Rebalance
Consumer停止运行停止时没有直接的调用Rebalance，而是会通知Broker自己下线了，然后Broker会通知其余的Consumer进行Rebalance。

换一个角度来分析，其实就是两个方面，一个是队列信息发生了变化，另一种是消费者发生了变化。