RocketMQ延迟消息的代码实战及原理分析
RocketMQ简介
RocketMQ是一款开源的分布式消息系统，基于高可用分布式集群技术，提供低延时的、高可靠、万亿级容量、灵活可伸缩的消息发布与订阅服务。
它前身是MetaQ，是阿里基于Kafka的设计使用Java进行自主研发的。在2012年，阿里将其开源， 在2016年，阿里将其捐献给Apache软件基金会（Apache Software Foundation，简称为ASF），正式成为孵化项目。2017 年，Apache软件基金会宣布RocketMQ已孵化成为 Apache顶级项目（Top Level Project，简称为TLP ），是国内首个互联网中间件在 Apache上的顶级项目。
延迟消息
生产者把消息发送到消息队列中以后，并不期望被立即消费，而是等待指定时间后才可以被消费者消费，这类消息通常被称为延迟消息。
在RocketMQ中，支持延迟消息，但是不支持任意时间精度的延迟消息，只支持特定级别的延迟消息。如果要支持任意时间精度，不能避免在Broker层面做消息排序，再涉及到持久化的考量，那么消息排序就不可避免产生巨大的性能开销。
消息延迟级别分别为1s 5s 10s 30s 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m 20m 30m 1h 2h，共18个级别。在发送消息时，设置消息延迟级别即可，设置消息延迟级别时有以下3种情况：
- 设置消息延迟级别等于0时，则该消息为非延迟消息。
- 设置消息延迟级别大于等于1并且小于等于18时，消息延迟特定时间，如：设置消息延迟级别等于1，则延迟1s；设置消息延迟级别等于2，则延迟5s，以此类推。
- 设置消息延迟级别大于18时，则该消息延迟级别为18，如：设置消息延迟级别等于20，则延迟2h。
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延迟消息示例
首先，写一个消费者，用于消费延迟消息：
public class Consumer {
public static void main(String[] args) throws MQClientException {
SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss.SSS");
// 实例化消费者
DefaultMQPushConsumer consumer = new DefaultMQPushConsumer("OneMoreGroup");
// 设置NameServer的地址
consumer.setNamesrvAddr("localhost:9876");
// 订阅一个或者多个Topic，以及Tag来过滤需要消费的消息
consumer.subscribe("OneMoreTopic", "*");
// 注册回调实现类来处理从broker拉取回来的消息
consumer.registerMessageListener((MessageListenerConcurrently) (msgs, context) -> {
System.out.printf("%s %s Receive New Messages:%n"
, sdf.format(new Date())
, Thread.currentThread().getName());
for (MessageExt msg : msgs) {
System.out.printf("\tMsg Id: %s%n", msg.getMsgId());
System.out.printf("\tBody: %s%n", new String(msg.getBody()));
}
// 标记该消息已经被成功消费
return ConsumeConcurrentlyStatus.CONSUME_SUCCESS;
});
// 启动消费者实例
consumer.start();
System.out.println("Consumer Started.");
}
}
再写一个延迟消息的生产者，用于发送延迟消息：
public class DelayProducer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss.SSS");
// 实例化消息生产者Producer
DefaultMQProducer producer = new DefaultMQProducer("OneMoreGroup");
// 设置NameServer的地址
producer.setNamesrvAddr("localhost:9876");
// 启动Producer实例
producer.start();
Message msg = new Message("OneMoreTopic"
, "DelayMessage", "This is a delay message.".getBytes());
//"1s 5s 10s 30s 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m 20m 30m 1h 2h"
//设置消息延迟级别为3，也就是延迟10s。
msg.setDelayTimeLevel(3);
// 发送消息到一个Broker
SendResult sendResult = producer.send(msg);
// 通过sendResult返回消息是否成功送达
System.out.printf("%s Send Status: %s, Msg Id: %s %n"
, sdf.format(new Date())
, sendResult.getSendStatus()
, sendResult.getMsgId());
// 如果不再发送消息，关闭Producer实例。
producer.shutdown();
}
}
运行生产者以后，就会发送一条延迟消息：
10:37:14.992 Send Status: SEND_OK, Msg Id: C0A8006D5AB018B4AAC216E0DB690000
10秒钟后，消费者收到的这条延迟消息：
10:37:25.026 ConsumeMessageThread_1 Receive New Messages:
Msg Id: C0A8006D5AB018B4AAC216E0DB690000
Body: This is a delay message.
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延迟消息的原理分析
以下分析的RocketMQ源码的版本号是4.7.1，版本不同源码略有差别。
CommitLog
在org.apache.rocketmq.store.CommitLog中，针对延迟消息做了一些处理：
// 延迟级别大于0，就是延时消息
if (msg.getDelayTimeLevel() > 0) {
// 判断当前延迟级别，如果大于最大延迟级别，
// 就设置当前延迟级别为最大延迟级别。
if (msg.getDelayTimeLevel() > this.defaultMessageStore
.getScheduleMessageService().getMaxDelayLevel()) {
msg.setDelayTimeLevel(this.defaultMessageStore
.getScheduleMessageService().getMaxDelayLevel());
}
// 获取延迟消息的主题，
// 其中RMQ_SYS_SCHEDULE_TOPIC的值为SCHEDULE_TOPIC_XXXX
topic = TopicValidator.RMQ_SYS_SCHEDULE_TOPIC;
// 根据延迟级别获取延迟消息的队列Id，
// 队列Id其实就是延迟级别减1
queueId = ScheduleMessageService.delayLevel2QueueId(msg.getDelayTimeLevel());
// 备份真正的主题和队列Id
MessageAccessor.putProperty(msg
, MessageConst.PROPERTY_REAL_TOPIC, msg.getTopic());
MessageAccessor.putProperty(msg
, MessageConst.PROPERTY_REAL_QUEUE_ID, String.valueOf(msg.getQueueId()));
msg.setPropertiesString(MessageDecoder.messageProperties2String(msg.getProperties()));
// 设置延时消息的主题和队列Id
msg.setTopic(topic);
msg.setQueueId(queueId);
}
可以看到，每一个延迟消息的主题都被暂时更改为SCHEDULE_TOPIC_XXXX，并且根据延迟级别延迟消息变更了新的队列Id。接下来，处理延迟消息的就是org.apache.rocketmq.store.schedule.ScheduleMessageService。
ScheduleMessageService
ScheduleMessageService是由org.apache.rocketmq.store.DefaultMessageStore进行初始化的，初始化包括构造对象和调用load方法。最后，再执行ScheduleMessageService的start方法：
public void start() {
// 使用AtomicBoolean确保start方法仅有效执行一次
if (started.compareAndSet(false, true)) {
this.timer = new Timer("ScheduleMessageTimerThread", true);
// 遍历所有延迟级别
for (Map.Entry<Integer, Long> entry : this.delayLevelTable.entrySet()) {
// key为延迟级别
Integer level = entry.getKey();
// value为延迟级别对应的毫秒数
Long timeDelay = entry.getValue();
// 根据延迟级别获得对应队列的偏移量
Long offset = this.offsetTable.get(level);
// 如果偏移量为null，则设置为0
if (null == offset) {
offset = 0L;
}
if (timeDelay != null) {
// 为每个延迟级别创建定时任务，
// 第一次启动任务延迟为FIRST_DELAY_TIME，也就是1秒
this.timer.schedule(
new DeliverDelayedMessageTimerTask(level, offset), FIRST_DELAY_TIME);
}
}
// 延迟10秒后每隔flushDelayOffsetInterval执行一次任务，
// 其中，flushDelayOffsetInterval默认配置也为10秒
this.timer.scheduleAtFixedRate(new TimerTask() {
@Override
public void run() {
try {
// 持久化每个队列消费的偏移量
if (started.get()) ScheduleMessageService.this.persist();
} catch (Throwable e) {
log.error("scheduleAtFixedRate flush exception", e);
}
}
}, 10000, this.defaultMessageStore
.getMessageStoreConfig().getFlushDelayOffsetInterval());
}
}
遍历所有延迟级别，根据延迟级别获得对应队列的偏移量，如果偏移量不存在，则设置为0。然后为每个延迟级别创建定时任务，第一次启动任务延迟为1秒，第二次及以后的启动任务延迟才是延迟级别相应的延迟时间。
然后，又创建了一个定时任务，用于持久化每个队列消费的偏移量。持久化的频率由flushDelayOffsetInterval属性进行配置，默认为10秒。
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定时任务
ScheduleMessageService的start方法执行之后，每个延迟级别都创建自己的定时任务，这里的定时任务的具体实现就在DeliverDelayedMessageTimerTask类之中，它核心代码是executeOnTimeup方法之中，我们来看一下主要部分：
// 根据主题和队列Id获取消息队列
ConsumeQueue cq =
ScheduleMessageService.this.defaultMessageStore.findConsumeQueue(
TopicValidator.RMQ_SYS_SCHEDULE_TOPIC
, delayLevel2QueueId(delayLevel));
如果没有获取到对应的消息队列，则在DELAY_FOR_A_WHILE（默认为100）毫秒后再执行任务。如果获取到了，就继续执行下面操作：
// 根据消费偏移量从消息队列中获取所有有效消息
SelectMappedBufferResult bufferCQ = cq.getIndexBuffer(this.offset);
如果没有获取到有效消息，则在DELAY_FOR_A_WHILE（默认为100）毫秒后再执行任务。如果获取到了，就继续执行下面操作：
// 遍历所有消息
for (; i < bufferCQ.getSize(); i += ConsumeQueue.CQ_STORE_UNIT_SIZE) {
// 获取消息的物理偏移量
long offsetPy = bufferCQ.getByteBuffer().getLong();
// 获取消息的物理长度
int sizePy = bufferCQ.getByteBuffer().getInt();
long tagsCode = bufferCQ.getByteBuffer().getLong();
// 省略部分代码...
long now = System.currentTimeMillis();
// 计算消息应该被消费的时间
long deliverTimestamp = this.correctDeliverTimestamp(now, tagsCode);
// 计算下一条消息的偏移量
nextOffset = offset + (i / ConsumeQueue.CQ_STORE_UNIT_SIZE)
long countdown = deliverTimestamp - now;
// 省略部分代码...
}
如果当前消息不到消费的时间，则在countdown毫秒后再执行任务。如果到消费的时间，就继续执行下面操作：
// 根据消息的物理偏移量和大小获取消息
MessageExt msgExt =
ScheduleMessageService.this.defaultMessageStore.lookMessageByOffset(
offsetPy, sizePy);
如果获取到消息，则继续执行下面操作：
// 重新构建新的消息，包括：
// 1.清除消息的延迟级别
// 2.恢复真正的消息主题和队列Id
MessageExtBrokerInner msgInner = this.messageTimeup(msgExt);
if (TopicValidator.RMQ_SYS_TRANS_HALF_TOPIC.equals(msgInner.getTopic())) {
log.error("[BUG] the real topic of schedule msg is {},"
+ " discard the msg. msg={}",
msgInner.getTopic(), msgInner);
continue;
}
// 重新把消息发送到真正的消息队列上
PutMessageResult putMessageResult =
ScheduleMessageService.this.writeMessageStore
.putMessage(msgInner);
清除了消息的延迟级别，并且恢复了真正的消息主题和队列Id，重新把消息发送到真正的消息队列上以后，消费者就可以立即消费了。
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总结
经过以上对源码的分析，可以总结出延迟消息的实现步骤：
- 如果消息的延迟级别大于0，则表示该消息为延迟消息，修改该消息的主题为SCHEDULE_TOPIC_XXXX，队列Id为延迟级别减1。
- 消息进入SCHEDULE_TOPIC_XXXX的队列中。
- 定时任务根据上次拉取的偏移量不断从队列中取出所有消息。
- 根据消息的物理偏移量和大小再次获取消息。
- 根据消息属性重新创建消息，清除延迟级别，恢复原主题和队列Id。
- 重新发送消息到原主题的队列中，供消费者进行消费。
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