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 延遲消息是實(shí)際開發(fā)中一個(gè)非常有用的功能，本文第一部分從整體上介紹秒級(jí)精度延遲消息的實(shí)現(xiàn)思路，在第二部分結(jié)合RocketMQ的延遲消息實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行細(xì)致的講解，點(diǎn)出關(guān)鍵部分的源碼。第三步介紹延遲消息與消息重試的關(guān)系。

1 延遲消息介紹

基本概念：延遲消息是指生產(chǎn)者發(fā)送消息發(fā)送消息后，不能立刻被消費(fèi)者消費(fèi)，需要等待指定的時(shí)間后才可以被消費(fèi)。

場(chǎng)景案例：用戶下了一個(gè)訂單之后，需要在指定時(shí)間內(nèi)(例如30分鐘)進(jìn)行支付，在到期之前可以發(fā)送一個(gè)消息提醒用戶進(jìn)行支付。

一些消息中間件的Broker端內(nèi)置了延遲消息支持的能力，如：

•  NSQ：這是一個(gè)go語言的消息中間件，其通過內(nèi)存中的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列來保存延遲消息，支持秒級(jí)精度，最多2個(gè)小時(shí)延遲。Java中也有對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，如ScheduledThreadPoolExecutor內(nèi)部實(shí)際上也是使用了優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。
•  QMQ：采用雙重時(shí)間輪實(shí)現(xiàn)?？蓞⒖迹喝我鈺r(shí)間延時(shí)消息原理講解：設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
•  RabbitMQ：需要安裝一個(gè)rabbitmq_delayed_message_exchange插件。
•  RocketMQ：RocketMQ 開源版本延遲消息臨時(shí)存儲(chǔ)在一個(gè)內(nèi)部主題中，不支持任意時(shí)間精度，支持特定的 level，例如定時(shí) 5s，10s，1m 等。

Broker端內(nèi)置延遲消息處理能力，核心實(shí)現(xiàn)思路都是一樣：將延遲消息通過一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)進(jìn)行暫存，到期后才投遞到目標(biāo)Topic中。如下圖所示：

步驟說明如下：

1.  producer要將一個(gè)延遲消息發(fā)送到某個(gè)Topic中
2.  Broker判斷這是一個(gè)延遲消息后，將其通過臨時(shí)存儲(chǔ)進(jìn)行暫存。
3.  Broker內(nèi)部通過一個(gè)延遲服務(wù)(delay service)檢查消息是否到期，將到期的消息投遞到目標(biāo)Topic中。這個(gè)的延遲服務(wù)名字為delay service，不同消息中間件的延遲服務(wù)模塊名稱可能不同。
4.  消費(fèi)者消費(fèi)目標(biāo)topic中的延遲投遞的消息

顯然，臨時(shí)存儲(chǔ)模塊和延遲服務(wù)模塊，是延遲消息實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。上圖中，臨時(shí)存儲(chǔ)和延遲服務(wù)都是在Broker內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，對(duì)業(yè)務(wù)透明。

此外， 還有一些消息中間件原生并不支持延遲消息，如Kafka。在這種情況下，可以選擇對(duì)Kafka進(jìn)行改造，但是成本較大。另外一種方式是使用第三方臨時(shí)存儲(chǔ)，并加一層代理。

第三方存儲(chǔ)選型要求：

對(duì)于第三方臨時(shí)存儲(chǔ)，其需要滿足以下幾個(gè)特點(diǎn)：

•  高性能：寫入延遲要低，MQ的一個(gè)重要作用是削峰填谷，在選擇臨時(shí)存儲(chǔ)時(shí)，寫入性能必須要高，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)(如Mysql)通常不滿足需求。
•  高可靠：延遲消息寫入后，不能丟失，需要進(jìn)行持久化，并進(jìn)行備份
•  支持排序：支持按照某個(gè)字段對(duì)消息進(jìn)行排序，對(duì)于延遲消息需要按照時(shí)間進(jìn)行排序。普通消息通常先發(fā)送的會(huì)被先消費(fèi)，延遲消息與普通消息不同，需要進(jìn)行排序。例如先發(fā)一條延遲10s的消息，再發(fā)一條延遲5s的消息，那么后發(fā)送的消息需要被先消費(fèi)。
•  支持長(zhǎng)時(shí)間保存：一些業(yè)務(wù)的延遲消息，需要延遲幾個(gè)月，甚至更長(zhǎng)，所以延遲消息必須能長(zhǎng)時(shí)間保留。不過通常不建議延遲太長(zhǎng)時(shí)間，存儲(chǔ)成本比較大，且業(yè)務(wù)邏輯可能已經(jīng)發(fā)生變化，已經(jīng)不需要消費(fèi)這些消息。

例如，滴滴開源的消息中間件DDMQ，底層消息中間件的基礎(chǔ)上加了一層代理，獨(dú)立部署延遲服務(wù)模塊，使用rocksdb進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)。rocksdb是一個(gè)高性能的KV存儲(chǔ)，并支持排序。

此時(shí)對(duì)于延遲消息的流轉(zhuǎn)如下圖所示：

說明如下：

1.  生產(chǎn)者將發(fā)送給producer proxy，proxy判斷是延遲消息，將其投遞到一個(gè)緩沖Topic中；
2.  delay service啟動(dòng)消費(fèi)者，用于從緩沖topic中消費(fèi)延遲消息，以時(shí)間為key，存儲(chǔ)到rocksdb中；
3.  delay service判斷消息到期后，將其投遞到目標(biāo)Topic中。
4.  消費(fèi)者消費(fèi)目標(biāo)topic中的數(shù)據(jù)

這種方式的好處是，因?yàn)閐elay service的延遲投遞能力是獨(dú)立于broker實(shí)現(xiàn)的，不需要對(duì)broker做任何改造，對(duì)于任意MQ類型都可以提供支持延遲消息的能力。例如DDMQ對(duì)RocketMQ、Kafka都提供了秒級(jí)精度的延遲消息投遞能力，但是Kafka本身并不支持延遲消息，而RocketMQ雖然支持延遲消息，但不支持秒級(jí)精度。

事實(shí)上，DDMQ還提供了很多其他功能，僅僅從延遲消息的角度，完全沒有必要使用這個(gè)proxy，直接將消息投遞到緩沖Topic中，之后通過delay service完成延遲投遞邏輯即可。

具體到delay service模塊的實(shí)現(xiàn)上，也有一些重要的細(xì)節(jié)：

    1.  為了保證服務(wù)的高可用，delay service也是需要部署多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

    2.  為了保證數(shù)據(jù)不丟失，每個(gè)delay service節(jié)點(diǎn)都需要消費(fèi)緩沖Topic中的全量數(shù)據(jù)，保存到各自的持久化存儲(chǔ)中，這樣就有了多個(gè)備份，并需要以時(shí)間為key。不過因?yàn)槭歉髯岳?，并不能保證強(qiáng)一致。如果一定要強(qiáng)一致，那么delay service就不需要內(nèi)置存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)，可以借助于其他支持強(qiáng)一致的存儲(chǔ)。

    3.  為了避免重復(fù)投遞，delay service需要進(jìn)行選主，可以借助于zookeeper、etcd等實(shí)現(xiàn)。只有master可以通過生產(chǎn)者投遞到目標(biāo)Topic中，其他節(jié)點(diǎn)處于備用狀態(tài)。否則，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行都投遞，那么延遲消息就會(huì)被投遞多次，造成消費(fèi)重復(fù)。

    4.  master要記錄自己當(dāng)前投遞到的時(shí)間到一個(gè)共享存儲(chǔ)中，如果master掛了，從slave節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)新的master節(jié)點(diǎn)，從之前記錄時(shí)間繼續(xù)開始投遞。

    5.  延遲消息的取消：一些延遲消息在未到期之前，可能希望進(jìn)行取消。通常取消邏輯實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，且不夠精確。對(duì)于那些已經(jīng)快要到期的消息，可能還未取消之前，已經(jīng)發(fā)送出去了，因此需要在消費(fèi)者端做檢查，才能萬無一失。

2 RocketMQ中的延遲消息

開源RocketMQ支持延遲消息，但是不支持秒級(jí)精度。默認(rèn)支持18個(gè)level的延遲消息，這是通過broker端的messageDelayLevel配置項(xiàng)確定的，如下： 

messageDelayLevel=1s 5s 10s 30s 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m 20m 30m 1h 2h 

Broker在啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)部會(huì)創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)部主題：SCHEDULE_TOPIC_XXXX，根據(jù)延遲level的個(gè)數(shù)，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)數(shù)量的隊(duì)列，也就是說18個(gè)level對(duì)應(yīng)了18個(gè)隊(duì)列。注意，這并不是說這個(gè)內(nèi)部主題只會(huì)有18個(gè)隊(duì)列，因?yàn)锽roker通常是集群模式部署的，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有18個(gè)隊(duì)列。

延遲級(jí)別的值可以進(jìn)行修改，以滿足自己的業(yè)務(wù)需求，可以修改/添加新的level。例如：你想支持2天的延遲，修改最后一個(gè)level的值為2d，這個(gè)時(shí)候依然是18個(gè)level；也可以增加一個(gè)2d，這個(gè)時(shí)候總共就有19個(gè)level。

可以看到這里并不支持秒級(jí)精度，按照《rocketmq developer guide》中的說法，是為了避免在broker對(duì)消息進(jìn)行排序，造成性能影響。不過筆者考慮，之所以不支持，更多應(yīng)該是商業(yè)上的考慮。

生產(chǎn)者發(fā)送延遲消息：

生產(chǎn)者在發(fā)送延遲消息非常簡(jiǎn)單，只需要設(shè)置一個(gè)延遲級(jí)別即可，注意不是具體的延遲時(shí)間，如： 

Message msg=new Message();  
msg.setTopic("TopicA");  
msg.setTags("Tag");  
msg.setBody("this is a delay message".getBytes());  
//設(shè)置延遲level為5，對(duì)應(yīng)延遲1分鐘  
msg.setDelayTimeLevel(5);  
producer.send(msg); 

如果設(shè)置的延遲level超過最大值，那么將會(huì)重置最最大值。

Broker端存儲(chǔ)延遲消息：

延遲消息在RocketMQ Broker端的流轉(zhuǎn)如下圖所示：

可以看到，總共有6個(gè)步驟，下面會(huì)對(duì)這6個(gè)步驟進(jìn)行詳細(xì)的講解：

1.  修改消息Topic名稱和隊(duì)列信息
2.  轉(zhuǎn)發(fā)消息到延遲主題的CosumeQueue中
3.  延遲服務(wù)消費(fèi)SCHEDULE_TOPIC_XXXX消息
4.  將信息重新存儲(chǔ)到CommitLog中
5.  將消息投遞到目標(biāo)Topic中
6.  消費(fèi)者消費(fèi)目標(biāo)topic中的數(shù)據(jù)

第一步：修改消息Topic名稱和隊(duì)列信息

RocketMQ Broker端在存儲(chǔ)生產(chǎn)者寫入的消息時(shí)，首先都會(huì)將其寫入到CommitLog中。之后根據(jù)消息中的Topic信息和隊(duì)列信息，將其轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)Topic的指定隊(duì)列(ConsumeQueue)中。

由于消息一旦存儲(chǔ)到ConsumeQueue中，消費(fèi)者就能消費(fèi)到，而延遲消息不能被立即消費(fèi)，所以這里將Topic的名稱修改為SCHEDULE_TOPIC_XXXX，并根據(jù)延遲級(jí)別確定要投遞到哪個(gè)隊(duì)列下。

同時(shí)，還會(huì)將消息原來要發(fā)送到的目標(biāo)Topic和隊(duì)列信息存儲(chǔ)到消息的屬性中。相關(guān)源碼如下所示：

org.apache.rocketmq.store.CommitLog#putMessage

第二步：轉(zhuǎn)發(fā)消息到延遲主題的CosumeQueue中

CommitLog中的消息轉(zhuǎn)發(fā)到CosumeQueue中是異步進(jìn)行的。在轉(zhuǎn)發(fā)過程中，會(huì)對(duì)延遲消息進(jìn)行特殊處理，主要是計(jì)算這條延遲消息需要在什么時(shí)候進(jìn)行投遞。 

投遞時(shí)間=消息存儲(chǔ)時(shí)間(storeTimestamp) + 延遲級(jí)別對(duì)應(yīng)的時(shí)間 

需要注意的是，會(huì)將計(jì)算出的投遞時(shí)間當(dāng)做消息Tag的哈希值存儲(chǔ)到CosumeQueue中，CosumeQueue單個(gè)存儲(chǔ)單元組成結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中：

•  Commit Log Offset：記錄在CommitLog中的位置。
•  Size：記錄消息的大小
•  Message Tag HashCode：記錄消息Tag的哈希值，用于消息過濾。特別的，對(duì)于延遲消息，這個(gè)字段記錄的是消息的投遞時(shí)間戳。這也是為什么java中hashCode方法返回一個(gè)int型，只占用4個(gè)字節(jié)，而這里Message Tag HashCode字段卻設(shè)計(jì)成8個(gè)字節(jié)的原因。

相關(guān)源碼參見：

CommitLog#checkMessageAndReturnSize

第三步：延遲服務(wù)消費(fèi)SCHEDULE_TOPIC_XXXX消息

Broker內(nèi)部有一個(gè)ScheduleMessageService類，其充當(dāng)延遲服務(wù)，消費(fèi)SCHEDULE_TOPIC_XXXX中的消息，并投遞到目標(biāo)Topic中。

ScheduleMessageService在啟動(dòng)時(shí)，其會(huì)創(chuàng)建一個(gè)定時(shí)器Timer，并根據(jù)延遲級(jí)別的個(gè)數(shù)，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)數(shù)量的TimerTask，每個(gè)TimerTask負(fù)責(zé)一個(gè)延遲級(jí)別的消費(fèi)與投遞。

相關(guān)源碼如下所示：

ScheduleMessageService#start

需要注意的是，每個(gè)TimeTask在檢查消息是否到期時(shí)，首先檢查對(duì)應(yīng)隊(duì)列中尚未投遞第一條消息，如果這條消息沒到期，那么之后的消息都不會(huì)檢查。如果到期了，則進(jìn)行投遞，并檢查之后的消息是否到期。

第四步：將信息重新存儲(chǔ)到CommitLog中

在將消息到期后，需要投遞到目標(biāo)Topic。由于在第一步已經(jīng)記錄了原來的Topic和隊(duì)列信息，因此這里重新設(shè)置，再存儲(chǔ)到CommitLog即可。此外，由于之前Message Tag HashCode字段存儲(chǔ)的是消息的投遞時(shí)間，這里需要重新計(jì)算tag的哈希值后再存儲(chǔ)。

源碼參見：DeliverDelayedMessageTimerTask的messageTimeup方法。

第五步：將消息投遞到目標(biāo)Topic中

這一步與第二步類似，不過由于消息的Topic名稱已經(jīng)改為了目標(biāo)Topic。因此消息會(huì)直接投遞到目標(biāo)Topic的ConsumeQueue中，之后消費(fèi)者即消費(fèi)到這條消息。

3 延遲消息與消費(fèi)重試的關(guān)系

RocketMQ提供了消息重試的能力，在并發(fā)模式消費(fèi)消費(fèi)失敗的情況下，可以返回一個(gè)枚舉值RECONSUME_LATER，那么消息之后將會(huì)進(jìn)行重試。如： 

consumer.registerMessageListener(new MessageListenerConcurrently() {  
       @Override  
       public ConsumeConcurrentlyStatus consumeMessage(List<MessageExt> msgs,  
                                       ConsumeConcurrentlyContext context) {  
           //處理消息，失敗，返回RECONSUME_LATER，進(jìn)行重試  
           return ConsumeConcurrentlyStatus.RECONSUME_LATER;  
       } 
    }); 

重試默認(rèn)會(huì)進(jìn)行重試16次。使用過RocketMQ消息重試功能的用戶，可能看到過以下這張圖：

細(xì)心地的讀者發(fā)現(xiàn)了，消息重試的16個(gè)級(jí)別，實(shí)際上是把延遲消息18個(gè)級(jí)別的前兩個(gè)level去掉了。事實(shí)上，RocketMQ的消息重試也是基于延遲消息來完成的。在消息消費(fèi)失敗的情況下，將其重新當(dāng)做延遲消息投遞回Broker。

在投遞回去時(shí)，會(huì)跳過前兩個(gè)level，因此只重試16次。當(dāng)然，消息重試還有一些其他的設(shè)計(jì)邏輯，在之后的文章將會(huì)進(jìn)行分析。