RocketMQ 消息存储

分布式队列因为有高可靠性的要求,所以数据要进行持久化存储。

  1. 消息生成者发送消息
  2. MQ收到消息,将消息进行持久化,在存储中新增一条记录
  3. 返回ACK给生产者
  4. MQ push 消息给对应的消费者,然后等待消费者返回ACK
  5. 如果消息消费者在指定时间内成功返回ack,那么MQ认为消息消费成功,在存储中删除消息,即执行第6步;如果MQ在指定时间内没有收到ACK,则认为消息消费失败,会尝试重新push消息,重复执行4、5、6步骤
  6. MQ删除消息

1、存储介质

  • 关系型数据库DB

Apache下开源的另外一款MQ—ActiveMQ(默认采用的KahaDB做消息存储)可选用JDBC的方式来做消息持久化,通过简单的xml配置信息即可实现JDBC消息存储。由于,普通关系型数据库(如Mysql)在单表数据量达到千万级别的情况下,其IO读写性能往往会出现瓶颈。在可靠性方面,该种方案非常依赖DB,如果一旦DB出现故障,则MQ的消息就无法落盘存储会导致线上故障

  • 文件系统

    目前业界较为常用的几款产品(RocketMQ/Kafka/RabbitMQ)均采用的是消息刷盘至所部署虚拟机/物理机的文件系统来做持久化(刷盘一般可以分为异步刷盘和同步刷盘两种模式)。消息刷盘为消息存储提供了一种高效率、高可靠性和高性能的数据持久化方式。除非部署MQ机器本身或是本地磁盘挂了,否则一般是不会出现无法持久化的故障问题。

2、 消息存储结构

RocketMQ主要存储文件包含消息文件(commitLog)、消息消费队列文件(ConsumeQueue)、Hash索引文件(IndexFile)、检测点文件(checkpoint)、abort(关闭异常文件)。

RocketMQ消息的存储是由ConsumeQueue和CommitLog配合完成 的,消息真正的物理存储文件是CommitLog,ConsumeQueue是消息的逻辑队列,类似数据库的索引文件,存储的是指向物理存储的地址。每 个Topic下的每个Message Queue都有一个对应的ConsumeQueue文件。

  • CommitLog:消息存储文件,RocketMQ为了保证消息发送的高吞吐量,采用单一文件存储所有主题的消息,保证消息存储是完全的顺序写,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;
  • ConsumerQueue: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。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;
  • IndexFile: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。

RocketMQ不会永久存储消息文件、消息消费队列文件,而是启用文件过期机制,并在磁盘空间不足或默认在凌晨四点删除过期文件,文件默认保存72小时并且在删除文件时并不会判断该消息文件上的消息是否被消费。

3、 RocketMQ消息存储和发送的性能保证

1)消息存储—顺序写保证消息存储的高效性

磁盘如果使用得当,磁盘的速度完全可以匹配上网络 的数据传输速度。目前的高性能磁盘,顺序写速度可以达到600MB/s, 超过了一般网卡的传输速度。但是磁盘随机写的速度只有大概100KB/s,和顺序写的性能相差6000倍!因为有如此巨大的速度差别,好的消息队列系统会比普通的消息队列系统速度快多个数量级。RocketMQ的消息用顺序写,保证了消息存储的速度

2)消息发送—零拷贝技术保证消息发送的高效性

Linux操作系统在运行过程中分为用户态内核态,文件操作、网络操作需要涉及这两种形态的切换,免不了进行数据复制。

一台服务器 把本机磁盘文件的内容发送到客户端,一般分为两个步骤:

1)read;读取本地文件内容;

2)write;将读取的内容通过网络发送出去。

这两个看似简单的操作,实际进行了4 次数据复制,分别是:

  1. 从磁盘复制数据到内核态内存;
  2. 从内核态内存复 制到用户态内存;
  3. 然后从用户态 内存复制到网络驱动的内核态内存;
  4. 最后是从网络驱动的内核态内存复 制到网卡中进行传输。

通过使用mmap的方式,可以省去向用户态的内存复制,提高速度。这种机制在Java中是通过MappedByteBuffer实现的

RocketMQ充分利用了上述特性,也就是所谓的“零拷贝”技术,提高消息存盘和网络发送的速度。

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

4、 刷盘机制

RocketMQ的消息是存储到磁盘上的,这样既能保证断电后恢复, 又可以让存储的消息量超出内存的限制。RocketMQ为了提高性能,会尽可能地保证磁盘的顺序写。消息在通过Producer写入RocketMQ的时 候,有两种写磁盘方式,分布式同步刷盘和异步刷盘。

1)同步刷盘(SYNC_FLUSH)

返回成功状态时,消息已经被写入磁盘。

消息写入内存 pagecache 后,立即通知刷盘线程,刷盘完成后,返回消息写成功的状态。

同步刷盘与异步刷盘的唯一区别是异步刷盘写完 pagecache 直接返回,而同步刷盘需要等待刷盘完成才返回, 同步刷盘流程如下:

  1. 写入 pagecache 后,线程等待,通知刷盘线程刷盘。
  2. 刷盘线程刷盘后,唤醒前端等待线程,可能是一批线程。
  3. 前端等待线程吐用户返回成功。
2)异步刷盘(ASYNC_FLUSH)

在返回写成功状态时,消息可能只是被写入了内存的PageCache,写操作的返回快,吞吐量大;当内存里的消息量积累到一定程度时,统一触发写磁盘动作,快速写入。

3)配置

同步刷盘还是异步刷盘,都是通过Broker配置文件里的flushDiskType 参数设置的,这个参数被配置成SYNC_FLUSH、ASYNC_FLUSH中的 一个。

参考

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