消息中间件（一）MQ详解及四大MQ比较

一、消息中间件相关知识

1、概述

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RocketMQ等。

2、消息中间件的组成

2.1 Broker

消息服务器，作为server提供消息核心服务

2.2 Producer

消息生产者，业务的发起方，负责生产消息传输给broker，

2.3 Consumer

消息消费者，业务的处理方，负责从broker获取消息并进行业务逻辑处理

2.4 Topic

2.5 Queue

2.6 Message

消息体，根据不同通信协议定义的固定格式进行编码的数据包，来封装业务数据，实现消息的传输

3 消息中间件模式分类

3.1 点对点

PTP点对点:使用queue作为通信载体

说明：

消息生产者生产消息发送到queue中，然后消息消费者从queue中取出并且消费消息。

消息被消费以后，queue中不再存储，所以消息消费者不可能消费到已经被消费的消息。 Queue支持存在多个消费者，但是对一个消息而言，只会有一个消费者可以消费。

说明：

queue实现了负载均衡，将producer生产的消息发送到消息队列中，由多个消费者消费。但一个消息只能被一个消费者接受，当没有消费者可用时，这个消息会被保存直到有一个可用的消费者。

4 消息中间件的优势

4.1 系统解耦

交互系统之间没有直接的调用关系，只是通过消息传输，故系统侵入性不强，耦合度低。

4.2 提高系统响应时间

例如原来的一套逻辑，完成支付可能涉及先修改订单状态、计算会员积分、通知物流配送几个逻辑才能完成；通过MQ架构设计，就可将紧急重要（需要立刻响应）的业务放到该调用方法中，响应要求不高的使用消息队列，放到MQ队列中，供消费者处理。

4.3 为大数据处理架构提供服务

通过消息作为整合，大数据的背景下，消息队列还与实时处理架构整合，为数据处理提供性能支持。

4.4 Java消息服务——JMS

Java消息服务（Java Message Service，JMS）应用程序接口是一个Java平台中关于面向消息中间件（MOM）的API，用于在两个应用程序之间，或分布式系统中发送消息，进行异步通信。

5 消息中间件应用场景

5.1 异步通信

有些业务不想也不需要立即处理消息。消息队列提供了异步处理机制，允许用户把一个消息放入队列，但并不立即处理它。想向队列中放入多少消息就放多少，然后在需要的时候再去处理它们。

5.2 解耦

降低工程间的强依赖程度，针对异构系统进行适配。在项目启动之初来预测将来项目会碰到什么需求，是极其困难的。通过消息系统在处理过程中间插入了一个隐含的、基于数据的接口层，两边的处理过程都要实现这一接口，当应用发生变化时，可以独立的扩展或修改两边的处理过程，只要确保它们遵守同样的接口约束。

5.3 冗余

有些情况下，处理数据的过程会失败。除非数据被持久化，否则将造成丢失。消息队列把数据进行持久化直到它们已经被完全处理，通过这一方式规避了数据丢失风险。许多消息队列所采用的”插入-获取-删除”范式中，在把一个消息从队列中删除之前，需要你的处理系统明确的指出该消息已经被处理完毕，从而确保你的数据被安全的保存直到你使用完毕。

5.4 扩展性

因为消息队列解耦了你的处理过程，所以增大消息入队和处理的频率是很容易的，只要另外增加处理过程即可。不需要改变代码、不需要调节参数。便于分布式扩容。

5.5 过载保护

在访问量剧增的情况下，应用仍然需要继续发挥作用，但是这样的突发流量无法提取预知；如果以为了能处理这类瞬间峰值访问为标准来投入资源随时待命无疑是巨大的浪费。使用消息队列能够使关键组件顶住突发的访问压力，而不会因为突发的超负荷的请求而完全崩溃。

5.6 可恢复性

系统的一部分组件失效时，不会影响到整个系统。消息队列降低了进程间的耦合度，所以即使一个处理消息的进程挂掉，加入队列中的消息仍然可以在系统恢复后被处理。

5.7 顺序保证

在大多使用场景下，数据处理的顺序都很重要。大部分消息队列本来就是排序的，并且能保证数据会按照特定的顺序来处理。

5.8 缓冲

在任何重要的系统中，都会有需要不同的处理时间的元素。消息队列通过一个缓冲层来帮助任务最高效率的执行，该缓冲有助于控制和优化数据流经过系统的速度。以调节系统响应时间。

5.9 数据流处理

分布式系统产生的海量数据流，如：业务日志、监控数据、用户行为等，针对这些数据流进行实时或批量采集汇总，然后进行大数据分析是当前互联网的必备技术，通过消息队列完成此类数据收集是最好的选择。

6 消息中间件常用协议

6.1 AMQP协议

AMQP即Advanced Message Queuing Protocol,一个提供统一消息服务的应用层标准高级消息队列协议,是应用层协议的一个开放标准,为面向消息的中间件设计。基于此协议的客户端与消息中间件可传递消息，并不受客户端/中间件不同产品，不同开发语言等条件的限制。

优点：可靠、通用

6.2 MQTT协议

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是IBM开发的一个即时通讯协议，有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器和致动器（比如通过Twitter让房屋联网）的通信协议。

优点：格式简洁、占用带宽小、移动端通信、PUSH、嵌入式系统

6.3 STOMP协议

STOMP（Streaming Text Orientated Message Protocol）是流文本定向消息协议，是一种为MOM(Message Oriented Middleware，面向消息的中间件)设计的简单文本协议。STOMP提供一个可互操作的连接格式，允许客户端与任意STOMP消息代理（Broker）进行交互。

优点：命令模式（非topic\queue模式）

6.4 XMPP协议

XMPP（可扩展消息处理现场协议，Extensible Messaging and Presence Protocol）是基于可扩展标记语言（XML）的协议，多用于即时消息（IM）以及在线现场探测。适用于服务器之间的准即时操作。核心是基于XML流传输，这个协议可能最终允许因特网用户向因特网上的其他任何人发送即时消息，即使其操作系统和浏览器不同。

优点：通用公开、兼容性强、可扩展、安全性高，但XML编码格式占用带宽大

6.5 其他基于TCP/IP自定义的协议

有些特殊框架（如：redis、kafka、zeroMq等）根据自身需要未严格遵循MQ规范，而是基于TCP\IP自行封装了一套协议，通过网络socket接口进行传输，实现了MQ的功能。

7 常见消息中间件MQ介绍

7.1 RocketMQ

阿里系下开源的一款分布式、队列模型的消息中间件，原名Metaq，3.0版本名称改为RocketMQ，是阿里参照kafka设计思想使用java实现的一套mq。同时将阿里系内部多款mq产品（Notify、metaq）进行整合，只维护核心功能，去除了所有其他运行时依赖，保证核心功能最简化，在此基础上配合阿里上述其他开源产品实现不同场景下mq的架构，目前主要多用于订单交易系统。

具有以下特点：

官方提供了一些不同于kafka的对比差异：

https://rocketmq.apache.org/docs/motivation/

7.2 RabbitMQ

使用Erlang编写的一个开源的消息队列，本身支持很多的协议：AMQP，XMPP, SMTP,STOMP，也正是如此，使的它变的非常重量级，更适合于企业级的开发。同时实现了Broker架构，核心思想是生产者不会将消息直接发送给队列，消息在发送给客户端时先在中心队列排队。对路由(Routing)，负载均衡(Load balance)、数据持久化都有很好的支持。多用于进行企业级的ESB整合。

7.3 ActiveMQ

Apache下的一个子项目。使用Java完全支持JMS1.1和J2EE 1.4规范的 JMS Provider实现，少量代码就可以高效地实现高级应用场景。可插拔的传输协议支持，比如：in-VM, TCP, SSL, NIO, UDP, multicast, JGroups and JXTA transports。RabbitMQ、ZeroMQ、ActiveMQ均支持常用的多种语言客户端 C++、Java、.Net,、Python、 Php、 Ruby等。

7.4 Redis

使用C语言开发的一个Key-Value的NoSQL数据库，开发维护很活跃，虽然它是一个Key-Value数据库存储系统，但它本身支持MQ功能，所以完全可以当做一个轻量级的队列服务来使用。对于RabbitMQ和Redis的入队和出队操作，各执行100万次，每10万次记录一次执行时间。测试数据分为128Bytes、512Bytes、1K和10K四个不同大小的数据。实验表明：入队时，当数据比较小时Redis的性能要高于RabbitMQ，而如果数据大小超过了10K，Redis则慢的无法忍受；出队时，无论数据大小，Redis都表现出非常好的性能，而RabbitMQ的出队性能则远低于Redis。

7.5 Kafka

Apache下的一个子项目，使用scala实现的一个高性能分布式Publish/Subscribe消息队列系统，具有以下特性：

7.6 ZeroMQ

号称最快的消息队列系统，专门为高吞吐量/低延迟的场景开发，在金融界的应用中经常使用，偏重于实时数据通信场景。ZMQ能够实现RabbitMQ不擅长的高级/复杂的队列，但是开发人员需要自己组合多种技术框架，开发成本高。因此ZeroMQ具有一个独特的非中间件的模式，更像一个socket library，你不需要安装和运行一个消息服务器或中间件，因为你的应用程序本身就是使用ZeroMQ API完成逻辑服务的角色。但是ZeroMQ仅提供非持久性的队列，如果down机，数据将会丢失。如：Twitter的Storm中使用ZeroMQ作为数据流的传输。

ZeroMQ套接字是与传输层无关的：ZeroMQ套接字对所有传输层协议定义了统一的API接口。默认支持 进程内(inproc) ，进程间(IPC) ，多播，TCP协议，在不同的协议之间切换只要简单的改变连接字符串的前缀。可以在任何时候以最小的代价从进程间的本地通信切换到分布式下的TCP通信。ZeroMQ在背后处理连接建立，断开和重连逻辑。

特性：

二、主要消息中间件的比较

消息队列（Message Queue）是一种进程间通信或同一进程的不同线程间的通信方式。

Broker（消息服务器）

Broker的概念来自与Apache ActiveMQ，通俗的讲就是MQ的服务器。

Producer（生产者）

业务的发起方，负责生产消息传输给broker

Consumer（消费者）

业务的处理方，负责从broker获取消息并进行业务逻辑处理

Topic（主题）

发布订阅模式下的消息统一汇集地，不同生产者向topic发送消息，由MQ服务器分发到不同的订阅 者，实现消息的广播

Queue（队列）

PTP模式下，特定生产者向特定queue发送消息，消费者订阅特定的queue完成指定消息的接收。

Message（消息体）

根据不同通信协议定义的固定格式进行编码的数据包，来封装业务数据，实现消息的传输

点对点模型用于消息生产者和消息消费者之间点到点的通信。

点对点模式包含三个角色：

每个消息都被发送到一个特定的队列，接收者从队列中获取消息。队列保留着消息，可以放在内存 中也可以持久化，直到他们被消费或超时。

特点：

发布订阅模型包含三个角色：

多个发布者将消息发送到Topic，系统将这些消息传递给多个订阅者。

特点：

AMQP即Advanced Message Queuing Protocol，是应用层协议的一个开放标准，为面向消息的中间件设计。消息中间件主要用于组件之间的解耦，消息的发送者无需知道消息使用者的存在，反之亦然。AMQP 的主要特征是面向消息、队列、路由（包括点对点和发布/订阅）、可靠性、安全。

优点：可靠、通用

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是IBM开发的一个即时通讯协议，有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器和致动器（比如通过Twitter让房屋联网）的通信协议。

优点：格式简洁、占用带宽小、移动端通信、PUSH、嵌入式系统

STOMP（Streaming Text Orientated Message Protocol）是流文本定向消息协议，是一种为MOM(Message Oriented Middleware，面向消息的中间件)设计的简单文本协议。STOMP提供一个可互操作的连接格式，允许客户端与任意STOMP消息代理（Broker）进行交互。

优点：命令模式（非topic\queue模式）

XMPP（可扩展消息处理现场协议，Extensible Messaging and Presence Protocol）是基于可扩展标记语言（XML）的协议，多用于即时消息（IM）以及在线现场探测。适用于服务器之间的准即时操作。核心是基于XML流传输，这个协议可能最终允许因特网用户向因特网上的其他任何人发送即时消息，即使其操作系统和浏览器不同。

优点：通用公开、兼容性强、可扩展、安全性高，但XML编码格式占用带宽大

RabbitMQ 是实现 AMQP（高级消息队列协议）的消息中间件的一种，最初起源于金融系统，用于在分布式系统中存储转发消息，在易用性、扩展性、高可用性等方面表现不俗。 RabbitMQ 主要是为了实现系统之间的双向解耦而实现的。当生产者大量产生数据时，消费者无法快速消费，那么需要一个中间层。保存这个数据。

RabbitMQ 是一个开源的 AMQP 实现，服务器端用Erlang语言编写，支持多种客户端，如：Python、Ruby、.NET、Java、JMS、C、PHP、ActionScript、XMPP、STOMP 等，支持 AJAX。用于在分布式系统中存储转发消息，在易用性、扩展性、高可用性等方面表现不俗。

Channel（通道）

道是两个管理器之间的一种单向点对点的的通信连接，如果需要双向交流，可以建立一对通道。

Exchange（消息交换机）

Exchange类似于数据通信网络中的交换机，提供消息路由策略。

RabbitMq中，producer不是通过信道直接将消息发送给queue，而是先发送给Exchange。一个Exchange可以和多个Queue进行绑定，producer在传递消息的时候，会传递一个ROUTING_KEY，Exchange会根据这个ROUTING_KEY按照特定的路由算法，将消息路由给指定的queue。和Queue一样，Exchange也可设置为持久化，临时或者自动删除。

Exchange有4种类型：direct(默认)，fanout， topic， 和headers。

不同类型的Exchange转发消息的策略有所区别：

Binding（绑定）

所谓绑定就是将一个特定的 Exchange 和一个特定的 Queue 绑定起来。Exchange 和Queue的绑定可以是多对多的关系。

Routing Key（路由关键字）

exchange根据这个关键字进行消息投递。

vhost（虚拟主机）

在RabbitMq server上可以创建多个虚拟的message broker，又叫做virtual hosts (vhosts)。每一个vhost本质上是一个mini-rabbitmq server，分别管理各自的exchange，和bindings。vhost相当于物理的server，可以为不同app提供边界隔离，使得应用安全的运行在不同的vhost实例上，相互之间不会干扰。producer和consumer连接rabbit server需要指定一个vhost。

假设P1和C1注册了相同的Broker，Exchange和Queue。P1发送的消息最终会被C1消费。

基本的通信流程大概如下所示：

Consumer收到消息时需要显式的向rabbit broker发送basic。ack消息或者consumer订阅消息时设置auto_ack参数为true。

在通信过程中，队列对ACK的处理有以下几种情况：

即消息的Ackownledge确认机制，为了保证消息不丢失，消息队列提供了消息Acknowledge机制，即ACK机制，当Consumer确认消息已经被消费处理，发送一个ACK给消息队列，此时消息队列便可以删除这个消息了。如果Consumer宕机/关闭，没有发送ACK，消息队列将认为这个消息没有被处理，会将这个消息重新发送给其他的Consumer重新消费处理。

消息的收发处理支持事务，例如：在任务中心场景中，一次处理可能涉及多个消息的接收、处理，这应该处于同一个事务范围内，如果一个消息处理失败，事务回滚，消息重新回到队列中。

消息的持久化，对于一些关键的核心业务来说是非常重要的，启用消息持久化后，消息队列宕机重启后，消息可以从持久化存储恢复，消息不丢失，可以继续消费处理。

fanout 模式

模式特点：

direct 模式

任何发送到Direct Exchange的消息都会被转发到routing_key中指定的Queue。

如果一个exchange 声明为direct，并且bind中指定了routing_key，那么发送消息时需要同时指明该exchange和routing_key。

简而言之就是：生产者生成消息发送给Exchange， Exchange根据Exchange类型和basic_publish中的routing_key进行消息发送 消费者：订阅Exchange并根据Exchange类型和binding key(bindings 中的routing key) ，如果生产者和订阅者的routing_key相同，Exchange就会路由到那个队列。

topic 模式

前面讲到direct类型的Exchange路由规则是完全匹配binding key与routing key，但这种严格的匹配方式在很多情况下不能满足实际业务需求。

topic类型的Exchange在匹配规则上进行了扩展，它与direct类型的Exchage相似，也是将消息路由到binding key与routing key相匹配的Queue中，但这里的匹配规则有些不同。

它约定：

以上图中的配置为例，routingKey=”quick.orange.rabbit”的消息会同时路由到Q1与Q2，routingKey=”lazy.orange.fox”的消息会路由到Q1，routingKey=”lazy.brown.fox”的消息会路由到Q2，routingKey=”lazy.pink.rabbit”的消息会路由到Q2（只会投递给Q2一次，虽然这个routingKey与Q2的两个bindingKey都匹配）；routingKey=”quick.brown.fox”、routingKey=”orange”、routingKey=”quick.orange.male.rabbit”的消息将会被丢弃，因为它们没有匹配任何bindingKey。

RabbitMQ，部署分三种模式：单机模式，普通集群模式，镜像集群模式。

普通集群模式

多台机器部署，每个机器放一个rabbitmq实例，但是创建的queue只会放在一个rabbitmq实例上，每个实例同步queue的元数据。

如果消费时连的是其他实例，那个实例会从queue所在实例拉取数据。这就会导致拉取数据的开销，如果那个放queue的实例宕机了，那么其他实例就无法从那个实例拉取，即便开启了消息持久化，让rabbitmq落地存储消息的话，消息不一定会丢，但得等这个实例恢复了，然后才可以继续从这个queue拉取数据， 这就没什么高可用可言，主要是提供吞吐量 ，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

queue的元数据和消息都会存放在多个实例，每次写消息就自动同步到多个queue实例里。这样任何一个机器宕机，其他机器都可以顶上，但是性能开销太大，消息同步导致网络带宽压力和消耗很重，另外，没有扩展性可言，如果queue负载很重，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。此时，需要开启镜像集群模式，在rabbitmq管理控制台新增一个策略，将数据同步到指定数量的节点，然后你再次创建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。

Kafka 是 Apache 的子项目，是一个高性能跨语言的分布式发布/订阅消息队列系统（没有严格实现 JMS 规范的点对点模型，但可以实现其效果），在企业开发中有广泛的应用。高性能是其最大优势，劣势是消息的可靠性（丢失或重复），这个劣势是为了换取高性能，开发者可以以稍降低性能，来换取消息的可靠性。

一个Topic可以认为是一类消息，每个topic将被分成多个partition(区)，每个partition在存储层面是append log文件。任何发布到此partition的消息都会被直接追加到log文件的尾部，每条消息在文件中的位置称为offset（偏移量），offset为一个long型数字，它是唯一标记一条消息。它唯一的标记一条消息。kafka并没有提供其他额外的索引机制来存储offset，因为在kafka中几乎不允许对消息进行“随机读写”。

Kafka和JMS（Java Message Service）实现(activeMQ)不同的是:即使消息被消费，消息仍然不会被立即删除。日志文件将会根据broker中的配置要求，保留一定的时间之后删除；比如log文件保留2天，那么两天后，文件会被清除，无论其中的消息是否被消费。kafka通过这种简单的手段，来释放磁盘空间，以及减少消息消费之后对文件内容改动的磁盘IO开支。

对于consumer而言，它需要保存消费消息的offset，对于offset的保存和使用，有consumer来控制；当consumer正常消费消息时，offset将会"线性"的向前驱动，即消息将依次顺序被消费。事实上consumer可以使用任意顺序消费消息，它只需要将offset重置为任意值。(offset将会保存在zookeeper中，参见下文)

kafka集群几乎不需要维护任何consumer和producer状态信息，这些信息有zookeeper保存；因此producer和consumer的客户端实现非常轻量级，它们可以随意离开，而不会对集群造成额外的影响。

partitions的设计目的有多个。最根本原因是kafka基于文件存储。通过分区，可以将日志内容分散到多个server上，来避免文件尺寸达到单机磁盘的上限，每个partiton都会被当前server(kafka实例)保存；可以将一个topic切分多任意多个partitions，来消息保存/消费的效率。此外越多的partitions意味着可以容纳更多的consumer，有效提升并发消费的能力。(具体原理参见下文)。

一个Topic的多个partitions，被分布在kafka集群中的多个server上；每个server(kafka实例)负责partitions中消息的读写操作；此外kafka还可以配置partitions需要备份的个数(replicas)，每个partition将会被备份到多台机器上，以提高可用性。

基于replicated方案，那么就意味着需要对多个备份进行调度；每个partition都有一个server为"leader"；leader负责所有的读写操作，如果leader失效，那么将会有其他follower来接管(成为新的leader)；follower只是单调的和leader跟进，同步消息即可。由此可见作为leader的server承载了全部的请求压力，因此从集群的整体考虑，有多少个partitions就意味着有多少个"leader"，kafka会将"leader"均衡的分散在每个实例上，来确保整体的性能稳定。

Producers

Producer将消息发布到指定的Topic中，同时Producer也能决定将此消息归属于哪个partition；比如基于"round-robin"方式或者通过其他的一些算法等。

Consumers

本质上kafka只支持Topic。每个consumer属于一个consumer group；反过来说，每个group中可以有多个consumer。发送到Topic的消息，只会被订阅此Topic的每个group中的一个consumer消费。

如果所有的consumer都具有相同的group，这种情况和queue模式很像；消息将会在consumers之间负载均衡。

如果所有的consumer都具有不同的group，那这就是"发布-订阅"；消息将会广播给所有的消费者。

在kafka中，一个partition中的消息只会被group中的一个consumer消费；每个group中consumer消息消费互相独立；我们可以认为一个group是一个"订阅"者，一个Topic中的每个partions，只会被一个"订阅者"中的一个consumer消费，不过一个consumer可以消费多个partitions中的消息。kafka只能保证一个partition中的消息被某个consumer消费时，消息是顺序的。事实上，从Topic角度来说，消息仍不是有序的。

Kafka的设计原理决定，对于一个topic，同一个group中不能有多于partitions个数的consumer同时消费，否则将意味着某些consumer将无法得到消息。

Guarantees

Kafka就比较适合高吞吐量并且允许少量数据丢失的场景，如果非要保证“消息可靠传输”，可以使用JMS。

Kafka Producer 消息发送有两种方式(配置参数 producer.type)：

对于同步方式(producer.type=sync)？Kafka Producer 消息发送有三种确认方式(配置参数 acks)：

kafka的设计初衷是希望作为一个统一的信息收集平台，能够实时的收集反馈信息，并需要能够支撑较大的数据量，且具备良好的容错能力。

持久性

kafka使用文件存储消息，这就直接决定kafka在性能上严重依赖文件系统的本身特性。且无论任何OS下，对文件系统本身的优化几乎没有可能。文件缓存/直接内存映射等是常用的手段。因为kafka是对日志文件进行append操作，因此磁盘检索的开支是较小的；同时为了减少磁盘写入的次数，broker会将消息暂时buffer起来，当消息的个数(或尺寸)达到一定阀值时，再flush到磁盘，这样减少了磁盘IO调用的次数。

性能

需要考虑的影响性能点很多，除磁盘IO之外，我们还需要考虑网络IO，这直接关系到kafka的吞吐量问题。kafka并没有提供太多高超的技巧；对于producer端，可以将消息buffer起来，当消息的条数达到一定阀值时，批量发送给broker；对于consumer端也是一样，批量fetch多条消息。不过消息量的大小可以通过配置文件来指定。对于kafka broker端，似乎有个sendfile系统调用可以潜在的提升网络IO的性能:将文件的数据映射到系统内存中，socket直接读取相应的内存区域即可，而无需进程再次copy和交换。 其实对于producer/consumer/broker三者而言，CPU的开支应该都不大，因此启用消息压缩机制是一个良好的策略；压缩需要消耗少量的CPU资源，不过对于kafka而言，网络IO更应该需要考虑。可以将任何在网络上传输的消息都经过压缩。kafka支持gzip/snappy等多种压缩方式。

生产者

负载均衡: producer将会和Topic下所有partition leader保持socket连接；消息由producer直接通过socket发送到broker，中间不会经过任何“路由层“。事实上，消息被路由到哪个partition上，有producer客户端决定。比如可以采用“random““key-hash““轮询“等，如果一个topic中有多个partitions，那么在producer端实现“消息均衡分发“是必要的。

其中partition leader的位置(host:port)注册在zookeeper中，producer作为zookeeper client，已经注册了watch用来监听partition leader的变更事件。

异步发送：将多条消息暂且在客户端buffer起来，并将他们批量的发送到broker，小数据IO太多，会拖慢整体的网络延迟，批量延迟发送事实上提升了网络效率。不过这也有一定的隐患，比如说当producer失效时，那些尚未发送的消息将会丢失。

消费者

consumer端向broker发送“fetch”请求，并告知其获取消息的offset；此后consumer将会获得一定条数的消息；consumer端也可以重置offset来重新消费消息。

在JMS实现中，Topic模型基于push方式，即broker将消息推送给consumer端。不过在kafka中，采用了pull方式，即consumer在和broker建立连接之后，主动去pull(或者说fetch)消息；这中模式有些优点，首先consumer端可以根据自己的消费能力适时的去fetch消息并处理，且可以控制消息消费的进度(offset)；此外，消费者可以良好的控制消息消费的数量，batch fetch。

其他JMS实现，消息消费的位置是有prodiver保留，以便避免重复发送消息或者将没有消费成功的消息重发等，同时还要控制消息的状态。这就要求JMS broker需要太多额外的工作。在kafka中，partition中的消息只有一个consumer在消费，且不存在消息状态的控制，也没有复杂的消息确认机制，可见kafka broker端是相当轻量级的。当消息被consumer接收之后，consumer可以在本地保存最后消息的offset，并间歇性的向zookeeper注册offset。由此可见，consumer客户端也很轻量级。

对于JMS实现，消息传输担保非常直接:有且只有一次(exactly once)。

在kafka中稍有不同:

at most once: 消费者fetch消息，然后保存offset，然后处理消息；当client保存offset之后，但是在消息处理过程中出现了异常，导致部分消息未能继续处理。那么此后"未处理"的消息将不能被fetch到，这就是"at most once"。

at least once: 消费者fetch消息，然后处理消息，然后保存offset。如果消息处理成功之后，但是在保存offset阶段zookeeper异常导致保存操作未能执行成功，这就导致接下来再次fetch时可能获得上次已经处理过的消息，这就是"at least once"，原因offset没有及时的提交给zookeeper，zookeeper恢复正常还是之前offset状态。

exactly once: kafka中并没有严格的去实现(基于2阶段提交，事务)，我们认为这种策略在kafka中是没有必要的。

通常情况下“at-least-once”是我们首选。(相比at most once而言，重复接收数据总比丢失数据要好)。

kafka高可用由多个broker组成，每个broker是一个节点；

创建一个topic，这个topic会划分为多个partition，每个partition存在于不同的broker上，每个partition就放一部分数据。

kafka是一个分布式消息队列，就是说一个topic的数据，是分散放在不同的机器上，每个机器就放一部分数据。

在0.8版本以前，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。

0.8版本以后，才提供了HA机制，也就是就是replica副本机制。每个partition的数据都会同步到其他的机器上，形成自己的多个replica副本。然后所有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上数据即可。

kafka会均匀的将一个partition的所有replica分布在不同的机器上，从而提高容错性。

如果某个broker宕机了也没事，它上面的partition在其他机器上都有副本的，如果这上面有某个partition的leader，那么此时会重新选举一个新的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。

消息丢失会出现在三个环节，分别是生产者、mq中间件、消费者：

RabbitMQ

Kafka

大体和RabbitMQ相同。

Rabbitmq

需要保证顺序的消息投递到同一个queue中，这个queue只能有一个consumer，如果需要提升性能，可以用内存队列做排队，然后分发给底层不同的worker来处理。

Kafka

写入一个partition中的数据一定是有序的。生产者在写的时候 ，可以指定一个key，比如指定订单id作为key，这个订单相关数据一定会被分发到一个partition中去。消费者从partition中取出数据的时候也一定是有序的，把每个数据放入对应的一个内存队列，一个partition中有几条相关数据就用几个内存队列，消费者开启多个线程，每个线程处理一个内存队列。

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阿里巴巴中间技术专家不铭从功能特性、技术架构、最佳实践、案例分析四个方面进行了《Aliware-MQ消息队列》的分享。

Aliware-MQ是阿里云提供的企业级互联网架构的核心产品，基于高可用分布式集群技术，支持海量高并发和万亿级消息流转，支持海量的消息堆积，支持高可靠/高可用方案，提供了运维、监控等一系列完整的配套服务。

如上图所示，从消息的维度来看分为普通消息、顺序消息、定时消息和事务消息等四种消息,无论是发送哪种消息客户端都支持熔断机制，即如果发现发送目标节点有性能问题，客户端会自动进行熔断，把有问题的节点排出去，保证消息发往可靠性最高的机器。管理方面已经支持消息的查询、消息回溯、消息全链路轨迹和监控报警机制。性能上MQ已经达到了百亿级的堆积能力，毫秒级的投递延迟，支持万级节点高并发，集群水平热扩缩。消息消费方面，支持失败后的消息重投机制，失败的消息会重新投递到队列中去，现在最多支持16次重投。

上图是Aliware-MQ的功能架构。左边是控制台的管理，可以在上面做发布订阅管理。右边目前的接入方式是SDK支持TCP协议，同时也支持HTTP接口，以及面向手机终端的MQTT协议。

OpenAPI是MQ提供给用户的管控方式，用于实现一系列资源管理和运维功能，用户可以通过Open API查询所需要的任何东西。

上图中是我们今年推出的一个MQ移动物联网套件。之前的客户端，不管是上游还是下游收发都是用各自的服务器。但是今年我们有了移动物联网套件，可以直接面向终端设备。比如手机、汽车等移动设备利用移动物联网套件，通过一个网关就可以直接和消息系统打通。

Aliware-MQ的消息系统是基于队列。队列要保证数据安全，是支持高并发和高性能读写的最基本元素。

如上图所示，Producer是消息发送集群，下游的Consumer是消费者集群，都依赖于MQ的SDK。Broker是消息服务器，所有的消息都发送到Broker上面；Name Server和ZK功能类似，用来做服务发现。Producer要从Name Server获取到Topic在哪个节点上，订阅Topic时需要知道Topic从哪里取，同样需要Name Server。Broker上的Topic信息会定时在Name Server上注册，Producer和Consumer在交互之前会从Name Server上获取目标。

图中的master是主机，slave是备机，主备之间会做数据同步，有异步和同步两种方式。一个master可以布多个节点，这个根据自己的成本来决定。如果扩容的话，只要直接布一台master即可，它会定时地将Topic注册到Name Server上，发送方和订阅方也会定时地感知这个过程，整个扩容的过程对于用户来说大概30秒就能完成。

Aliware-MQ所有数据存储在Commit Log里，它在实现上就相当于一个文件夹，每次会生成一个1G的文件。不管哪个Topic写过来的消息都会直接写入这个文件中，这个文件写满后再直接写下一个。

针对每一个Topic，要在业务层面对它进行区分，所以我们做了一层索引。例如在上图中有5个队列，每个队列都会生成定长的索引文件，通过索引，可以找到这条消息当前处于哪个CommitLog文件的某个具体位置中。

这样存储结构，保证了无论多少个topic，CommitLog的写是顺序的，能较大的保证MQ的写入性能。

Aliware-MQ的负载均衡是按照队列维度来做的，消费的时候会把topic的队列平均分配给消费实例。比如有2个消费实例，topic队列是4个，那么每个消费实例就消费2个；而如果共有5个队列，那么就是是1个消费2个，另1个消费3个。一个队列同一时间只会被一个消费实例消费，所以当出现队列数量小于消费实例数量的情况时，就会有消费实例出现空闲，这个时候可以根据业务实际情况手动通过工具将队列数量调大。

消息写进来都是先放在Java堆里，然后再落盘。如果用户要消费的消息都在内存里，那么就可以很快的读取到。但是如果用户消息堆积比较久，消息已经不在内存里而是存储在了磁盘中，这个时候就需要去磁盘里取数据，然后加载到内存里面读取出来。

Aliware-MQ的刷盘策略有异步和同步两种。异步到内存就返回成功，同步写则一定是消息刷到磁盘中才会返回成功。这种刷盘方式可以根据业务的具体需求进行配置，从写入的性能来看，异步写的性能肯定是会比同步的好。

从发消息的角度来看，如果发送失败，会有补偿机制。MQ的客户端会做三次重发，一台机器发送失败之后会默认往另外两台机器再尝试，如果三次都失败了才会把最终的失败结果传回，这个时候用户需要自己对发送异常进行相关处理。

有幂等要求的业务，Consumer在使用的时候需要自己做去重操作，在一些场景下，如客户端本地等待超时等，是无法保证消息完全不重复的，因此用户在进行系统设计时需要考虑到这一点。

Aliware-MQ目前支持的消息最大是4M，消息越小，性能越高。定时消息是支持消息的定时投递，可以自行设置要投递的时间，最长是40天。事务消息通过两阶段的提交的方式，来解决分布式事务问题。顺序消息可以采用全局顺序、分区顺序，严格保证消息的顺序。

Aliware-MQ的使用场景主要有系统间异步解耦、分布式事务、异构数据复制与分发、双十一大促的削峰填谷、大规模机器的Cache同步、日志服务和IM实时通信以及实时计算分析。

MQ顺序消息分为全局有序和队列有序。全局有序是从指所有消息发出开始，下游的接收方都是按照顺序接收；队列有序则是将消息进行区块分区，同一个分区内的消息按照先入先出的顺序进行顺序消费，保证一个队列只会被一个进程消费。

当一个交易系统下单之后，会发一条消息到MQ，购物车接收消息把购物车里的状态清空。如果这时交易消息发送失败，购物车就无法清空，对于数据来说这就是一个脏数据。面对这种情况我们有事务消息可以解决这个问题，在交易开始时先发送一条半事务消息，然后交易系统开始下单，所有事情做完之后再提交半事务，这时只有主动提交成功，消息队列才会将这条消息实际发送给用户。如果交易下单过程失败，则可以主动回滚这条消息，购物车和交易系统之间可以做到没有脏数据。

双十一大促时，各个分会场会有玲琅满目的商品，每件商品的价格都会实时变化。使用缓存技术也无法满足对商品价格的访问需求，缓存服务器网卡跑满。访问较多次商品价格查询影响会场页面的打开速度。于是MQ提供了一种广播机制，本来一条消息只会被集群的一台机器消费。如果使用广播模式，那么这条消息会被集群下的所有节点消费一次，相当于把价格信息同步到需要的每台机器上，可以取代缓存的作用。

实时计算功能主要是做一个消息总线，业务系统自动采集数据，把消息分发达下游的实时计算系统里，根据实时计算结果来给业务方做服务。

我今天的分享就到这里，谢谢大家！

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