一文详解RocketMQ的存储模型

摘要：RocketMQ 优异的性能表现，必然绕不开其优秀的存储模型。

本文分享自华为云社区《终于弄明白了 RocketMQ 的存储模型》，作者：勇哥java实战分享。

RocketMQ 优异的性能表现，必然绕不开其优秀的存储模型。

1 整体概览

首先温习下 RocketMQ 架构。

整体架构中包含四种角色 :

Producer ：消息发布的角色，Producer 通过 MQ 的负载均衡模块选择相应的 Broker 集群队列进行消息投递，投递的过程支持快速失败并且低延迟。
Consumer ：消息消费的角色，支持以 push 推，pull 拉两种模式对消息进行消费。
NameServer ：名字服务是一个非常简单的 Topic 路由注册中心，其角色类似 Dubbo 中的 zookeeper ，支持 Broker 的动态注册与发现。
BrokerServer ：Broker 主要负责消息的存储、投递和查询以及服务高可用保证。

本文的重点在于分析 BrokerServer 的消息存储模型。我们先进入 broker 的文件存储目录。

消息存储和下面三个文件关系非常紧密：

1.数据文件 commitlog

消息主体以及元数据的存储主体；

2.消费文件 consumequeue

消息消费队列，引入的目的主要是提高消息消费的性能；

3.索引文件 index

索引文件，提供了一种可以通过 key 或时间区间来查询消息。

RocketMQ 采用的是混合型的存储结构，Broker 单个实例下所有的队列共用一个数据文件（commitlog）来存储。

生产者发送消息至 Broker 端，然后 Broker 端使用同步或者异步的方式对消息刷盘持久化，保存至 commitlog 文件中。只要消息被刷盘持久化至磁盘文件 commitlog 中，那么生产者发送的消息就不会丢失。

Broker 端的后台服务线程会不停地分发请求并异步构建 consumequeue（消费文件）和 indexFile（索引文件）。

2 数据文件

RocketMQ 的消息数据都会写入到数据文件中，我们称之为 commitlog 。

所有的消息都会顺序写入数据文件，当文件写满了，会写入下一个文件。

如上图所示，单个文件大小默认 1G , 文件名长度为 20 位，左边补零，剩余为起始偏移量，比如 00000000000000000000 代表了第一个文件，起始偏移量为 0 ，文件大小为1 G = 1073741824。

当第一个文件写满了，第二个文件为 00000000001073741824，起始偏移量为 1073741824，以此类推。

从上图中，我们可以看到消息是一条一条写入到文件，每条消息的格式是固定的。

这样设计有三点优势：

1、顺序写

磁盘的存取速度相对内存来讲并不快，一次磁盘 IO 的耗时主要取决于：寻道时间和盘片旋转时间，提高磁盘 IO 性能最有效的方法就是：减少随机 IO，增加顺序 IO 。

《 The Pathologies of Big Data 》这篇文章指出：内存随机读写的速度远远低于磁盘顺序读写的速度。磁盘顺序写入速度可以达到几百兆/s，而随机写入速度只有几百 KB /s，相差上千倍。

2、快速定位

因为消息是一条一条写入到 commitlog 文件，写入完成后，我们可以得到这条消息的物理偏移量。

每条消息的物理偏移量是唯一的， commitlog 文件名是递增的，可以根据消息的物理偏移量通过二分查找，定位消息位于那个文件中，并获取到消息实体数据。

3、通过消息 offsetMsgId 查询消息数据

消息 offsetMsgId 是由 Broker 服务端在写入消息时生成的，该消息包含两个部分：

Broker 服务端 ip + port 8个字节；
commitlog 物理偏移量 8个字节。

我们可以通过消息 offsetMsgId ，定位到 Broker 的 ip 地址 + 端口，传递物理偏移量参数，即可定位该消息实体数据。

3 消费文件

在介绍 consumequeue 文件之前，我们先温习下消息队列的传输模型-发布订阅模型，这也是 RocketMQ 当前的传输模型。

发布订阅模型具有如下特点：

消费独立：相比队列模型的匿名消费方式，发布订阅模型中消费方都会具备的身份，一般叫做订阅组（订阅关系），不同订阅组之间相互独立不会相互影响。
一对多通信：基于独立身份的设计，同一个主题内的消息可以被多个订阅组处理，每个订阅组都可以拿到全量消息。因此发布订阅模型可以实现一对多通信。

因此，rocketmq 的文件设计必须满足发布订阅模型的需求。

那么仅仅 commitlog 文件是否可以满足需求吗？

假如有一个 consumerGroup 消费者，订阅主题 my-mac-topic ，因为 commitlog 包含所有的消息数据，查询该主题下的消息数据，需要遍历数据文件 commitlog , 这样的效率是极其低下的。

进入 rocketmq 存储目录，显示见下图：

消费文件按照主题存储，每个主题下有不同的队列，图中 my-mac-topic 有 16 个队列 ;
每个队列目录下，存储 consumequeue 文件，每个 consumequeue 文件也是顺序写入，数据格式见下图。

每个 consumequeue 包含 30 万个条目，每个条目大小是 20 个字节，每个文件的大小是 30 万 * 20 = 60万字节，每个文件大小约5.72M 。和 commitlog 文件类似，consumequeue 文件的名称也是以偏移量来命名的，可以通过消息的逻辑偏移量定位消息位于哪一个文件里。

消费文件按照主题-队列来保存，这种方式特别适配发布订阅模型。

消费者从 broker 获取订阅消息数据时，不用遍历整个 commitlog 文件，只需要根据逻辑偏移量从 consumequeue 文件查询消息偏移量 , 最后通过定位到 commitlog 文件，获取真正的消息数据。

这样就可以简化消费查询逻辑，同时因为同一主题下，消费者可以订阅不同的队列或者 tag ，同时提高了系统的可扩展性。

4 索引文件

每个消息在业务层面的唯一标识码要设置到 keys 字段，方便将来定位消息丢失问题。服务器会为每个消息创建索引（哈希索引），应用可以通过 topic、key 来查询这条消息内容，以及消息被谁消费。

由于是哈希索引，请务必保证key尽可能唯一，这样可以避免潜在的哈希冲突。

//订单Id

String orderId = "1234567890";

message.setKeys(orderId);

从开源的控制台中根据主题和 key 查询消息列表：

进入索引文件目录，如下图所以：

索引文件名 fileName 是以创建时的时间戳命名的，固定的单个 IndexFile 文件大小约为 400 M 。

IndexFile 的文件逻辑结构类似于 JDK 的 HashMap 的数组加链表结构。

索引文件主要由 Header、Slot Table (默认 500 万个条目)、Index Linked List（默认最多包含 2000万个条目）三部分组成。

假如订单系统发送两条消息 A 和 B , 他们的 key 都是 “1234567890” ，我们依次存储消息 A , 消息 B 。

因为这两个消息的 key 的 hash 值相同，它们对应的哈希槽（深黄色）也会相同，哈希槽会保存的最新的消息 B 的索引条目序号 , 序号值是 4 ，也就是第二个深绿色条目。

而消息 B 的索引条目信息的最后 4 个字节会保存上一条消息对应的索引条目序号，索引序号值是 3 , 也就是消息 A 。

5 写到最后

Databases are specializing – the “one size fits all” approach no longer applies ------ MongoDB设计哲学

RocketMQ 存储模型设计得非常精巧，笔者觉得每种设计都有其底层思考，这里总结了三点：

完美适配消息队列发布订阅模型；
数据文件，消费文件，索引文件各司其职，同时以数据文件为核心，异步构建消费文件 + 索引文件这种模式非常容易扩展到主从复制的架构；
充分考虑业务的查询场景，支持消息 key ，消息 offsetMsgId 查询消息数据。也支持消费者通过 tag 来订阅主题下的不同消息，提升了消费者的灵活性。

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