最初的消息队列,就是一个严格意义上的队列。在计算机领域,“队列(Queue)” 是一种数据结构,有完整而严格的定义。在维基百科中,队列的定义是这样的:队列是先进先出(FIFO, First-In-First-Out)的线性表(Linear List)。在具体应用中通常用链表或者数组来实现。队列只允许在后端(称为 rear)进行插入操作,在前端(称为 front)进行删除操作。
这个定义里面包含几个关键点,第一个是先进先出,这里面隐含着的一个要求是,在消息入队出队过程中,需要保证这些消息严格有序,按照什么顺序写进队列,必须按照同样的顺序从队列中读出来。不过,队列是没有 “读” 这个操作的,“读” 就是出队,也就是从队列中 “删除” 这条消息。
早期的消息队列,就是按照 “队列” 的数据结构来设计的。我们一起看下这个图,生产者(Producer)发消息就是入队操作,消费者(Consumer)收消息就是出队也就是删除操作,服务端存放消息的容器自然就称为 “队列”。
这就是最初的一种消息模型:队列模型。
如果有多个生产者往同一个队列里面发送消息,这个队列中可以消费到的消息,就是这些生产者生产的所有消息的合集。消息的顺序就是这些生产者发送消息的自然顺序。如果有多个消费者接收同一个队列的消息,这些消费者之间实际上是竞争的关系,每个消费者只能收到队列中的一部分消息,也就是说任何一条消息只能被其中的一个消费者收到。
如果需要将一份消息数据分发给多个消费者,要求每个消费者都能收到全量的消息,例如,对于一份订单数据,风控系统、分析系统、支付系统等都需要接收消息。这个时候,单个队列就满足不了需求,一个可行的解决方式是,为每个消费者创建一个单独的队列,让生产者发送多份。
显然这是个比较蠢的做法,同样的一份消息数据被复制到多个队列中会浪费资源,更重要的是,生产者必须知道有多少个消费者。为每个消费者单独发送一份消息,这实际上违背了消息队列 “解耦” 这个设计初衷。
为了解决这个问题,演化出了另外一种消息模型:“发布 - 订阅模型(Publish-Subscribe Pattern)”。
在发布 - 订阅模型中,消息的发送方称为发布者(Publisher),消息的接收方称为订阅者(Subscriber),服务端存放消息的容器称为主题(Topic)。发布者将消息发送到主题中,订阅者在接收消息之前需要先 “订阅主题”。“订阅” 在这里既是一个动作,同时还可以认为是主题在消费时的一个逻辑副本,每份订阅中,订阅者都可以接收到主题的所有消息。
在消息领域的历史上很长的一段时间,队列模式和发布 - 订阅模式是并存的,有些消息队列同时支持这两种消息模型,比如 ActiveMQ。我们仔细对比一下这两种模型,生产者就是发布者,消费者就是订阅者,队列就是主题,并没有本质的区别。它们最大的区别其实就是,一份消息数据能不能被消费多次的问题。
实际上,在这种发布 - 订阅模型中,如果只有一个订阅者,那它和队列模型就基本是一样的了。也就是说,发布 - 订阅模型在功能层面上是可以兼容队列模型的。现代的消息队列产品使用的消息模型大多是这种发布 - 订阅模型,当然也有例外。
RabbitMQ 的消息模型
这个例外就是 RabbitMQ,它是少数依然坚持使用队列模型的产品之一。那它是怎么解决多个消费者的问题呢?在 RabbitMQ 中,Exchange 位于生产者和队列之间,生产者并不关心将消息发送给哪个队列,而是将消息发送给 Exchange,由 Exchange 上配置的策略来决定将消息投递到哪些队列中。
同一份消息如果需要被多个消费者来消费,需要配置 Exchange 将消息发送到多个队列,每个队列中都存放一份完整的消息数据,可以为每一个消费者提供消费服务。这也可以变相地实现新发布 - 订阅模型中,“一份消息数据可以被多个订阅者来多次消费” 这样的功能。
RocketMQ 的消息模型
RocketMQ 使用的消息模型是标准的发布 - 订阅模型,在 RocketMQ 的术语表中,生产者、消费者和主题与我在上面讲的发布 - 订阅模型中的概念是完全一样的。
但是,在 RocketMQ 也有队列(Queue)这个概念,并且队列在 RocketMQ 中是一个非常重要的概念,那队列在 RocketMQ 中的作用是什么呢?这就要从消息队列的消费机制说起。
几乎所有的消息队列产品都使用一种非常朴素的 “请求 - 确认” 机制,确保消息不会在传递过程中由于网络或服务器故障丢失。具体的做法也非常简单。在生产端,生产者先将消息发送给服务端,也就是 Broker,服务端在收到消息并将消息写入主题或者队列中后,会给生产者发送确认的响应。
如果生产者没有收到服务端的确认或者收到失败的响应,则会重新发送消息;在消费端,消费者在收到消息并完成自己的消费业务逻辑(比如,将数据保存到数据库中)后,也会给服务端发送消费成功的确认,服务端只有收到消费确认后,才认为一条消息被成功消费,否则它会给消费者重新发送这条消息,直到收到对应的消费成功确认。
这个确认机制很好地保证了消息传递过程中的可靠性,但是,引入这个机制在消费端带来了一个不小的问题。什么问题呢?为了确保消息的有序性,在某一条消息被成功消费之前,下一条消息是不能被消费的,否则就会出现消息空洞,违背了有序性这个原则。
也就是说,每个主题在任意时刻,至多只能有一个消费者实例在进行消费,那就没法通过水平扩展消费者的数量来提升消费端总体的消费性能。为了解决这个问题,RocketMQ 在主题下面增加了队列的概念。
每个主题包含多个队列,通过多个队列来实现多实例并行生产和消费。需要注意的是,RocketMQ 只在队列上保证消息的有序性,主题层面是无法保证消息的严格顺序的。
RocketMQ 中,订阅者的概念是通过消费组(Consumer Group)来体现的。每个消费组都消费主题中一份完整的消息,不同消费组之间消费进度彼此不受影响,也就是说,一条消息被 Consumer Group1 消费过,也会再给 Consumer Group2 消费。
消费组中包含多个消费者,同一个组内的消费者是竞争消费的关系,每个消费者负责消费组内的一部分消息。如果一条消息被消费者 Consumer1 消费了,那同组的其他消费者就不会再收到这条消息。
在 Topic 的消费过程中,由于消息需要被不同的组进行多次消费,所以消费完的消息并不会立即被删除,这就需要 RocketMQ 为每个消费组在每个队列上维护一个消费位置(Consumer Offset),这个位置之前的消息都被消费过,之后的消息都没有被消费过,每成功消费一条消息,消费位置就加一。这个消费位置是非常重要的概念,我们在使用消息队列的时候,丢消息的原因大多是由于消费位置处理不当导致的。