第 3 章 RocketMQ工作原理

七、消费幂等

1 什么是消费幂等

当出现消费者对某条消息重复消费的情况时，重复消费的结果与消费一次的结果是相同的，并且多次消费并未对业务系统产生任何负面影响，那么这个消费过程就是消费幂等的。

幂等：若某操作执行多次与执行一次对系统产生的影响是相同的，则称该操作是幂等的。

在互联网应用中，尤其在网络不稳定的情况下，消息很有可能会出现重复发送或重复消费。如果重复的消息可能会影响业务处理，那么就应该对消息做幂等处理。

2 消息重复的场景分析

什么情况下可能会出现消息被重复消费呢？最常见的有以下三种情况：

发送时消息重复

当一条消息已被成功发送到Broker并完成持久化，此时出现了网络闪断，从而导致Broker对Producer应答失败。如果此时Producer意识到消息发送失败并尝试再次发送消息，此时Broker中就可能会出现两条内容相同并且Message ID也相同的消息，那么后续Consumer就一定会消费两次该消息。

消费时消息重复

消息已投递到Consumer并完成业务处理，当Consumer给Broker反馈应答时网络闪断，Broker没有接收到消费成功响应。为了保证消息至少被消费一次的原则，Broker将在网络恢复后再次尝试投递之前已被处理过的消息。此时消费者就会收到与之前处理过的内容相同、Message ID也相同的消息。

Rebalance时消息重复

当Consumer Group中的Consumer数量发生变化时，或其订阅的Topic的Queue数量发生变化时，会触发Rebalance，此时Consumer可能会收到曾经被消费过的消息。

3 通用解决方案

两要素

幂等解决方案的设计中涉及到两项要素：幂等令牌，与唯一性处理。只要充分利用好这两要素，就可以设计出好的幂等解决方案。

幂等令牌：是生产者和消费者两者中的既定协议，通常指具备唯一业务标识的字符串。例如，订单号、流水号。一般由Producer随着消息一同发送来的。
唯一性处理：服务端通过采用一定的算法策略，保证同一个业务逻辑不会被重复执行成功多次。例如，对同一笔订单的多次支付操作，只会成功一次。

解决方案

对于常见的系统，幂等性操作的通用性解决方案是：

首先通过缓存去重。在缓存中如果已经存在了某幂等令牌，则说明本次操作是重复性操作；若缓存没有命中，则进入下一步。
在唯一性处理之前，先在数据库中查询幂等令牌作为索引的数据是否存在。若存在，则说明本次操作为重复性操作；若不存在，则进入下一步。
在同一事务中完成三项操作：唯一性处理后，将幂等令牌写入到缓存，并将幂等令牌作为唯一索引的数据写入到DB中。

第 1 步已经判断过是否是重复性操作了，为什么第 2 步还要再次判断？能够进入第 2 步，说明已经不是重复操作了，第 2 次判断是否重复？
当然不重复。一般缓存中的数据是具有有效期的。缓存中数据的有效期一旦过期，就是发生缓存穿透，使请求直接就到达了DBMS。

解决方案举例

以支付场景为例：

当支付请求到达后，首先在Redis缓存中却获取key为支付流水号的缓存value。若value不空，则说明本次支付是重复操作，业务系统直接返回调用侧重复支付标识；若value为空，则进入下一步操作
到DBMS中根据支付流水号查询是否存在相应实例。若存在，则说明本次支付是重复操作，业务系统直接返回调用侧重复支付标识；若不存在，则说明本次操作是首次操作，进入下一步完成唯一性处理
在分布式事务中完成三项操作：
- 完成支付任务
- 将当前支付流水号作为key，任意字符串作为value，通过set(key, value, expireTime)将数据写入到Redis缓存
- 将当前支付流水号作为主键，与其它相关数据共同写入到DBMS

4 消费幂等的实现

消费幂等的解决方案很简单：为消息指定不会重复的唯一标识。因为Message ID有可能出现重复的情况，所以真正安全的幂等处理，不建议以Message ID作为处理依据。最好的方式是以业务唯一标识作为幂等处理的关键依据，而业务的唯一标识可以通过消息Key设置。

以支付场景为例，可以将消息的Key设置为订单号，作为幂等处理的依据。具体代码示例如下：

Message message = new Message();
message.setKey("ORDERID_100");
SendResult sendResult = producer.send(message);

消费者收到消息时可以根据消息的Key即订单号来实现消费幂等：

consumer.registerMessageListener(new MessageListenerConcurrently() {
    @Override
    public ConsumeConcurrentlyStatus consumeMessage(List<MessageExt>msgs,
    ConsumeConcurrentlyContext context) {
        for(MessageExt msg:msgs){
            String key = msg.getKeys();
            // 根据业务唯一标识Key做幂等处理
            // ......
        }
        return ConsumeConcurrentlyStatus.CONSUME_SUCCESS;
    }
});

RocketMQ能够保证消息不丢失，但不能保证消息不重复。

八、消息堆积与消费延迟

1 概念

消息处理流程中，如果Consumer的消费速度跟不上Producer的发送速度，MQ中未处理的消息会越来越多（进的多出的少），这部分消息就被称为堆积消息。消息出现堆积进而会造成消息的消费延迟。以下场景需要重点关注消息堆积和消费延迟问题：

业务系统上下游能力不匹配造成的持续堆积，且无法自行恢复。
业务系统对消息的消费实时性要求较高，即使是短暂的堆积造成的消费延迟也无法接受。

2 产生原因分析

在这里插入图片描述
Consumer使用长轮询Pull模式消费消息时，分为以下两个阶段：

消息拉取

Consumer通过长轮询Pull模式批量拉取的方式从服务端获取消息，将拉取到的消息缓存到本地缓冲队
列中。对于拉取式消费，在内网环境下会有很高的吞吐量，所以这一阶段一般不会成为消息堆积的瓶
颈。

一个单线程单分区的低规格主机(Consumer，4C8G)，其可达到几万的TPS。如果是多个分区多个线程，则可以轻松达到几十万的TPS。

消息消费

Consumer将本地缓存的消息提交到消费线程中，使用业务消费逻辑对消息进行处理，处理完毕后获取到一个结果。这是真正的消息消费过程。此时Consumer的消费能力就完全依赖于消息的消费耗时和消费并发度了。如果由于业务处理逻辑复杂等原因，导致处理单条消息的耗时较长，则整体的消息吞吐量肯定不会高，此时就会导致Consumer本地缓冲队列达到上限，停止从服务端拉取消息。

结论

消息堆积的主要瓶颈在于客户端的消费能力，而消费能力由消费耗时和消费并发度决定。注意，消费耗时的优先级要高于消费并发度。即在保证了消费耗时的合理性前提下，再考虑消费并发度问题。

3 消费耗时

影响消息处理时长的主要因素是代码逻辑。而代码逻辑中可能会影响处理时长代码主要有两种类型：CPU内部计算型代码和外部I/O操作型代码。

通常情况下代码中如果没有复杂的递归和循环的话，内部计算耗时相对外部I/O操作来说几乎可以忽略。所以外部IO型代码是影响消息处理时长的主要症结所在。

外部IO操作型代码举例：

读写外部数据库，例如对远程MySQL的访问

读写外部缓存系统，例如对远程Redis的访问

下游系统调用，例如Dubbo的RPC远程调用，Spring Cloud的对下游系统的Http接口调用

关于下游系统调用逻辑需要进行提前梳理，掌握每个调用操作预期的耗时，这样做是为了能够判断消费逻辑中IO操作的耗时是否合理。通常消息堆积是由于下游系统出现了服务异常或达到了DBMS容量限制，导致消费耗时增加。

服务异常，并不仅仅是系统中出现的类似 500 这样的代码错误，而可能是更加隐蔽的问题。例如，网络带宽问题。

达到了DBMS容量限制，其也会引发消息的消费耗时增加。

4 消费并发度

一般情况下，消费者端的消费并发度由单节点线程数和节点数量共同决定，其值为单节点线程数*节点数量。不过，通常需要优先调整单节点的线程数，若单机硬件资源达到了上限，则需要通过横向扩展来提高消费并发度。

单节点线程数，即单个Consumer所包含的线程数量
节点数量，即Consumer Group所包含的Consumer数量

对于普通消息、延时消息及事务消息，并发度计算都是单节点线程数*节点数量。但对于顺序消息则是不同的。顺序消息的消费并发度等于Topic的Queue分区数量。

1 ）全局顺序消息：该类型消息的Topic只有一个Queue分区。其可以保证该Topic的所有消息被顺序消费。为了保证这个全局顺序性，Consumer Group中在同一时刻只能有一个Consumer的一个线程进行消费。所以其并发度为 1 。

2 ）分区顺序消息：该类型消息的Topic有多个Queue分区。其仅可以保证该Topic的每个Queue分区中的消息被顺序消费，不能保证整个Topic中消息的顺序消费。为了保证这个分区顺序性，每个Queue分区中的消息在Consumer Group中的同一时刻只能有一个Consumer的一个线程进行消费。即，在同一时刻最多会出现多个Queue分蘖有多个Consumer的多个线程并行消费。所以其并发度为Topic的分区数量。

5 单机线程数计算

对于一台主机中线程池中线程数的设置需要谨慎，不能盲目直接调大线程数，设置过大的线程数反而会带来大量的线程切换的开销。理想环境下单节点的最优线程数计算模型为：C *（T1 + T2）/ T1。

C：CPU内核数
T1：CPU内部逻辑计算耗时
T2：外部IO操作耗时

最优线程数 = C （T1 + T2）/ T1 = C T1/T1 + C T2/T1 = C + C T2/T1
注意，该计算出的数值是理想状态下的理论数据，在生产环境中，不建议直接使用。而是根据当前环境，先设置一个比该值小的数值然后观察其压测效果，然后再根据效果逐步调大线程数，直至找到在该环境中性能最佳时的值。

6 如何避免

为了避免在业务使用时出现非预期的消息堆积和消费延迟问题，需要在前期设计阶段对整个业务逻辑进行完善的排查和梳理。其中最重要的就是梳理消息的消费耗时和设置消息消费的并发度。

梳理消息的消费耗时

通过压测获取消息的消费耗时，并对耗时较高的操作的代码逻辑进行分析。梳理消息的消费耗时需要关注以下信息：

消息消费逻辑的计算复杂度是否过高，代码是否存在无限循环和递归等缺陷。
消息消费逻辑中的I/O操作是否是必须的，能否用本地缓存等方案规避。
消费逻辑中的复杂耗时的操作是否可以做异步化处理。如果可以，是否会造成逻辑错乱。

设置消费并发度

对于消息消费并发度的计算，可以通过以下两步实施：

逐步调大单个Consumer节点的线程数，并观测节点的系统指标，得到单个节点最优的消费线程数和消息吞吐量。
根据上下游链路的流量峰值计算出需要设置的节点数

节点数 = 流量峰值 / 单个节点消息吞吐量

九、消息的清理

消息被消费过后会被清理掉吗？不会的。

消息是被顺序存储在commitlog文件的，且消息大小不定长，所以消息的清理是不可能以消息为单位进行清理的，而是以commitlog文件为单位进行清理的。否则会急剧下降清理效率，并实现逻辑复杂。

commitlog文件存在一个过期时间，默认为 72 小时，即三天。除了用户手动清理外，在以下情况下也会被自动清理，无论文件中的消息是否被消费过：

文件过期，且到达清理时间点（默认为凌晨 4 点）后，自动清理过期文件
文件过期，且磁盘空间占用率已达过期清理警戒线（默认75%）后，无论是否达到清理时间点，都会自动清理过期文件
磁盘占用率达到清理警戒线（默认85%）后，开始按照设定好的规则清理文件，无论是否过期。默认会从最老的文件开始清理
磁盘占用率达到系统危险警戒线（默认90%）后，Broker将拒绝消息写入

需要注意以下几点：
1 ）对于RocketMQ系统来说，删除一个1G大小的文件，是一个压力巨大的IO操作。在删除过程中，系统性能会骤然下降。所以，其默认清理时间点为凌晨 4 点，访问量最小的时间。也正因如果，我们要保障磁盘空间的空闲率，不要使系统出现在其它时间点删除commitlog文件的情况。

2 ）官方建议RocketMQ服务的Linux文件系统采用ext4。因为对于文件删除操作，ext4要比ext3性能更好

分布式消息队列RocketMQ工作原理与应用（五）