NSQ源码剖析之nsqd

NSQ简介

NSQ 是实时的分布式消息处理平台，其设计的目的是用来大规模地处理每天数以十亿计级别的消息。NSQ 具有分布式和去中心化拓扑结构，该结构具有无单点故障、故障容错、高可用性以及能够保证消息的可靠传递的特征，是一个成熟的、已在大规模生成环境下应用的产品。

NSQ 由 3 个守护进程组成：
nsqd 是接收、保存和传送消息到客户端的守护进程。
nsqlookupd 是管理的拓扑信息，维护着所有nsqd的状态，并提供了最终一致发现服务的守护进程。
nsqadmin 是一个 Web UI 来实时监控集群和执行各种管理任务。

这篇文章介绍主要介绍nsqd的实现。

Topic与Channel

Topic与Channel是NSQ中重要的两个概念。
生产者将消息写到Topic中，一个Topic下可以有多个Channel，每个Channel都是Topic的完整副本。
消费者从Channel处订阅消息，如果有多个消费者订阅同一个Channel，Channel中的消息将被传递到一个随机的消费者。

要理解Topic Channel中各种chan的作用，关键是要理解golang中如何在并发环境下如何操作一个结构体(多个goroutine同时操作topic)，与C/C++多线程操作同一个结构体时加锁(mutex,rwmutex)不同，go语言中一般是为这个结构体(topic，channel)开启一个主goroutine(messagePump函数)，所有对该结构体的改变的操作都应是该主goroutine完成的，也就不存在并发的问题了，其它goroutine如果想要改变这个结构体则应该向结构体提供的chan中发送消息(msgchan）或者通知(exitchan,updatechan),主goroutine会一直监听所有的chan，当有消息或者通知到来时做相应的处理。

数据的持久化

了解数据的持久化之前，我们先来看两个问题？
1. 往Topic中写入消息就是将消息发送到Topic.memoryMsgChan中，但是memoryMsgChan是一个固定内存大小的内存队列，如果队列满了怎么办呢？会阻塞吗？
2. 如果消息都存放在memoryMsgChan这个内存队列中，程序退出了消息就全部丢失了吗？

NSQ是如何解决的呢，nsq在创建Topic、Channel的时候都会创建一个DiskQueue，DiskQueue负责向磁盘文件中写入消息、从磁盘文件中读取消息，是NSQ实现数据持久化的最重要结构。
以Topic为例，如果向Topic.memoryMsgChan写入消息但是memoryMsgChan已满时，nsq会将消息写到topic.DiskQueue中，DiskQueue会负责将消息内存同步到磁盘上。
如果从Topic.memoryMsgChan中读取消息时，但是memoryMsgChan并没有消息时，就从topic.DiskQueue中取出同步到磁盘文件中的消息。

我们看到topic.backend（diskQueue）负责将消息写到磁盘并从磁盘中读取消息，diskQueue提供了两个chan供外部使用:readChan与writeChan。
我们来看下diskQueue实现中的几个要点。

diskQueue在创建时会开启一个goroutine，从磁盘文件中读取消息写到readChan中，外部goroutine可以从readChan中获取消息；随时监听writeChan，当有消息时从wirtechan中取出消息，写到本地磁盘文件。
diskQueue既要提供文件的读服务又要提供文件的写服务，所以要记录下文件的读位置(readIndex),写位置(writeIndex)。每次从文件中读取消息时使用file.Seek（readindex）定位到文件读位置然后读取消息信息，每次往文件中写入消息时都要file.Seek（writeIndex）定位到写位置再将消息写入。
readIndex，writeIndex很重要，程序退出时要将这些信息(meta data)写到另外的磁盘文件(元信息文件)中，程序启动时首先读取元信息文件，在根据元信息文件中的readIndex writeIndex操作存储信息的文件。
由于操作系统层也有缓存，调用file.Write()写入的信息，也可能只是存在缓存中并没有同步到磁盘，需要显示调用file.sync()才可以强制要求操作系统把缓存同步到磁盘。可以通过指定创建diskQueue时传入的syncEvery,syncTimeout来控制调用file.sync()的频率。syncTimeout是指每隔syncTimeout秒调用一次file.sync()，syncEvery是指每当写入syncEvery个消息后调用一次file.sync()。这两个参数都可以在启动nsqd程序时通过命令行指定。

网络架构

nsq是一个可靠的、高性能的服务端网络程序，通过阅读nsqd的源码来学习如何搭建一个可靠的网络服务端程序。

客户端已成功的与服务器建立链接了，每一个客户端建立连接后，nsqd都会创建一个Client接口体，该结构体内保存一些client的状态信息。
每一个Client都会有两个goroutine，一个goroutine负责读取客户端主动发送的各种命令，解析命令，处理命令并将处理结果回复给客户端。
另一个goutine负责定时发送心跳信息给客户端，如果客户端订阅某个channel的话则将channel中的将消息通过网络发送给客户端。

如果服务端不需要主动推送大量消息给客户端，一个连接只需要开一个goroutine处理请求并发送回复就可以了，这是最简单的方式。开启两个goroutine操作同一个conn的话就需要注意加锁了。

我们来看下NSQ中几个比较重要的命令:

NOP 心跳回复，没有实际意义

PUB 发布一个消息到话题（topic)
PUB <topic_name>\n [ 四字节消息的大小 ][ 消息的内容 ]

SUB 订阅话题（topic) /通道（channel)
SUB <topic_name> <channel_name>\n

RDY 更新 RDY 状态 (表示客户端已经准备好接收N 消息)
RDY <count>\n

FIN 完成一个消息 (表示成功处理)
FIN <message_id>\n

生产者产生消息的过程比较简单，就是一个PUB命令，先读取四字节的消息大小，然后根据消息大小读取消息内容，然后将内容写到topic.MessageChan中。
我们重点来看下消费者是如何从nsq中读取消息的。
1. 消费者首先需要发送SUB命令，告诉nsqd它想订阅哪个Channel,然后nsqd将该Client与Channel建立对应关系。
2. 消费者发送RDY命令，告诉服务端它以准备好接受count个消息，服务端则向消费者发送count个消息，如果消费者想继续接受消息就需要不断发送RDY命令告诉服务端自己准备好接受消息(类似TCP协议中滑动窗口的概念，消费者并不是按照顺序一个个的消费消息，NSQD最多可以同时count个消息给消费者,每推送给消费者一个消息count数目减一，当消费者处理完消息回复FIN指令时count+1)。