RabbitMQ的持久化机制

一.问题的引出 
RabbitMQ的一大特色是消息的可靠性,那么它是如何保证消息可靠性的呢?——消息持久化。为了保证RabbitMQ在退出,服务重启或者crash等异常情况下,也不会丢失消息，我们可以将Queue,Exchange,Message都设置为可持久化的（durable），这样可以保证绝大部分情况下我们的RabbitMQ消息不会丢失。当然还是会有一些小概率事件会导致消息丢失。

二.Queue的持久化 
1.查看存在的队列和消息数量 
在windows环境下，在rabbitmq的安装目录/sbin下，通过rabbitmqctl.bat list_queues查看 
 
这边启动了两个producer,分别生成两个队列hello 和 hello1,并且他们都有一个消息存在 
重启RabbitMQ Server，模拟故障 
 
可以看到重启后两个队列都消失了. 
2.持久化队列 
Queue的持久化是通过durable=true来实现的。 
一般程序中这么使用：

Connection connection = connectionFactory.newConnection();
Channel channel = connection.createChannel();
//关键的是第二个参数设置为true,即durable=true.
channel.queueDeclare("queue.persistent.name", true, false, false, null);

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Channel类中queueDeclare的完整定义如下：

 /**
     * Declare a queue
     * @see com.rabbitmq.client.AMQP.Queue.Declare
     * @see com.rabbitmq.client.AMQP.Queue.DeclareOk
     * @param queue the name of the queue
     * @param durable true if we are declaring a durable queue (the queue will survive a server restart)
     * @param exclusive true if we are declaring an exclusive queue (restricted to this connection)
     * @param autoDelete true if we are declaring an autodelete queue (server will delete it when no longer in use)
     * @param arguments other properties (construction arguments) for the queue
     * @return a declaration-confirm method to indicate the queue was successfully declared
     * @throws java.io.IOException if an error is encountered
     */
    Queue.DeclareOk queueDeclare(String queue, boolean durable, boolean exclusive, boolean autoDelete,
                                 Map<String, Object> arguments) throws IOException;

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参数说明：

queue：queue的名称

exclusive：排他队列，如果一个队列被声明为排他队列，该队列仅对首次申明它的连接可见，并在连接断开时自动删除。这里需要注意三点：1. 排他队列是基于连接可见的，同一连接的不同信道是可以同时访问同一连接创建的排他队列；2.“首次”，如果一个连接已经声明了一个排他队列，其他连接是不允许建立同名的排他队列的，这个与普通队列不同；3.即使该队列是持久化的，一旦连接关闭或者客户端退出，该排他队列都会被自动删除的，这种队列适用于一个客户端发送读取消息的应用场景。

autoDelete：自动删除，如果该队列没有任何订阅的消费者的话，该队列会被自动删除。这种队列适用于临时队列。

queueDeclare相关的有4种方法，分别是：

Queue.DeclareOk queueDeclare() throws IOException;
Queue.DeclareOk queueDeclare(String queue, boolean durable, boolean exclusive, boolean autoDelete,
                                 Map<String, Object> arguments) throws IOException;
void queueDeclareNoWait(String queue, boolean durable, boolean exclusive, boolean autoDelete,
                            Map<String, Object> arguments) throws IOException;
Queue.DeclareOk queueDeclarePassive(String queue) throws IOException;

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其中需要说明的是queueDeclarePassive(String queue)可以用来检测一个queue是否已经存在。如果该队列存在，则会返回true；如果不存在，就会返回异常，但是不会创建新的队列。

我们就hello队列持久化,在声明队列名称时，持久化队列，生产端和消费端都要. 
我们重复上面的操作，但是给hello队列做持久化，而hello1不做，并重启rabbitmq. 
 
可以看到重启后，hello队列还在，hello1队列消失了，但是原本hello中的一条消息也没有保存下来。所以在这边我们仅仅做到了消息队列的持久化，还没有做消息持久化。

三.Message的持久化 
如果将Queue的持久化标识durable设置为true,则代表是一个持久的队列，那么在服务重启之后，也会存在，因为服务会把持久化的queue存放在硬盘上，当服务重启的时候，会重新加载之前被持久化的queue。队列是可以被持久化，但是里面的消息是否为持久化那还要看消息的持久化设置。也就是说，重启之前那个Queue里面还有没发出去的消息的话，重启之后那队列里面是不是还存在原来的消息，这个就要取决于发送者在发送消息时对消息的设置了。 
如果要在重启后保持消息的持久化必须设置消息是持久化的标识。

channel.basicPublish("exchange.persistent", "persistent", MessageProperties.PERSISTENT_TEXT_PLAIN, "persistent_test_message".getBytes());

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这里的关键是：MessageProperties.PERSISTENT_TEXT_PLAIN 
首先看一下basicPublish的方法：

void basicPublish(String exchange, String routingKey, BasicProperties props, byte[] body) throws IOException;
void basicPublish(String exchange, String routingKey, boolean mandatory, BasicProperties props, byte[] body)
        throws IOException;
void basicPublish(String exchange, String routingKey, boolean mandatory, boolean immediate, BasicProperties props, byte[] body)
        throws IOException;

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exchange表示exchange的名称 
routingKey表示routingKey的名称 
body代表发送的消息体 
有关mandatory和immediate的详细解释可以参考：RabbitMQ之mandatory和immediate 
这里关键的是BasicProperties props这个参数了，这里看下BasicProperties的定义：

public BasicProperties(
            String contentType,//消息类型如：text/plain
            String contentEncoding,//编码
            Map<String,Object> headers,
            //这里的deliveryMode=1代表不持久化，deliveryMode=2代表持久化。
            Integer deliveryMode,//1:nonpersistent 2:persistent
            Integer priority,//优先级
            String correlationId,
            String replyTo,//反馈队列
            String expiration,//expiration到期时间
            String messageId,
            Date timestamp,
            String type,
            String userId,
            String appId,
            String clusterId)

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上面的实现代码使用的是MessageProperties.PERSISTENT_TEXT_PLAIN，那么这个又是什么呢？

public static final BasicProperties PERSISTENT_TEXT_PLAIN =
    new BasicProperties("text/plain",
                        null,
                        null,
                        2,
                        0, null, null, null,
                        null, null, null, null,
                        null, null);

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可以看到这其实就是讲deliveryMode设置为2的BasicProperties的对象，为了方便编程而出现的一个东东。 换一种实现方式：

AMQP.BasicProperties.Builder builder = new AMQP.BasicProperties.Builder();
builder.deliveryMode(2);
AMQP.BasicProperties properties = builder.build();
channel.basicPublish("exchange.persistent", "persistent",properties, "persistent_test_message".getBytes());

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设置了队列和消息的持久化之后，当broker服务重启的之后，消息依旧存在。单只设置队列持久化，重启之后消息会丢失；单只设置消息的持久化，重启之后队列消失，既而消息也丢失。单单设置消息持久化而不设置队列的持久化显得毫无意义。 
再以上面例子,生产端生成一个消息，并重启rabbitmq. 
 
可以看到，经过队列和消息持久化后的hello, 在重启的情况下，队列和消息都存在，没有消失,消费端再重启后也是能正常接收的.

四.Exchange的持久化 
上面阐述了队列的持久化和消息的持久化，如果不设置exchange的持久化对消息的可靠性来说没有什么影响，但是同样如果exchange不设置持久化，那么当broker服务重启之后，exchange将不复存在，那么既而发送方rabbitmq producer就无法正常发送消息。这里博主建议，同样设置exchange的持久化。exchange的持久化设置也特别简单，方法如下：

Exchange.DeclareOk exchangeDeclare(String exchange, String type, boolean durable) throws IOException;
Exchange.DeclareOk exchangeDeclare(String exchange, String type, boolean durable, boolean autoDelete,
                                   Map<String, Object> arguments) throws IOException;
Exchange.DeclareOk exchangeDeclare(String exchange, String type) throws IOException;
Exchange.DeclareOk exchangeDeclare(String exchange,
                                          String type,
                                          boolean durable,
                                          boolean autoDelete,
                                          boolean internal,
                                          Map<String, Object> arguments) throws IOException;
void exchangeDeclareNoWait(String exchange,
                           String type,
                           boolean durable,
                           boolean autoDelete,
                           boolean internal,
                           Map<String, Object> arguments) throws IOException;
Exchange.DeclareOk exchangeDeclarePassive(String name) throws IOException;

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一般只需要：channel.exchangeDeclare(exchangeName, “direct/topic/header/fanout”, true);即在声明的时候讲durable字段设置为true即可。

五.关于Message的持久化的更进一步探讨 
1.消息什么时候需要持久化？ 
根据 官方博文(http://www.rabbitmq.com/blog/2011/01/20/rabbitmq-backing-stores-databases-and-disks/) 的介绍，RabbitMQ在两种情况下会将消息写入磁盘： 
- 消息本身在publish的时候就要求消息写入磁盘 
- 内存紧张，需要将部分内存中的消息转移到磁盘

2.消息什么时候会刷到磁盘？ 
- 写入文件前会有一个Buffer，大小为1M（1048576），数据在写入文件时，首先会写入到这个Buffer，如果Buffer已满，则会将Buffer写入到文件（未必刷到磁盘） 
- 有个固定的刷盘时间：25ms，也就是不管Buffer满不满，每隔25ms，Buffer里的数据及未刷新到磁盘的文件内容必定会刷到磁盘 
- 每次消息写入后，如果没有后续写入请求，则会直接将已写入的消息刷到磁盘：使用Erlang的receive x after 0来实现，只要进程的信箱里没有消息，则产生一个timeout消息，而timeout会触发刷盘操作

3.消息在磁盘文件中的格式 
消息保存于$MNESIA/msg_store_persistent/x.rdq文件中，其中x为数字编号，从0开始，每个文件最大为16M（16777216），超过这个大小会生成新的文件，文件编号加1。消息以以下格式存在于文件中：

<<Size:64, MsgId:16/binary, MsgBody>>

MsgId为RabbitMQ通过rabbit_guid:gen()每一个消息生成的GUID，MsgBody会包含消息对应的exchange，routing_keys，消息的内容，消息对应的协议版本，消息内容格式（二进制还是其它）等等。

4.文件何时删除？ 
当所有文件中的垃圾消息（已经被删除的消息）比例大于阈值（GARBAGE_FRACTION = 0.5）时，会触发文件合并操作（至少有三个文件存在的情况下），以提高磁盘利用率。 
publish消息时写入内容，ack消息时删除内容（更新该文件的有用数据大小），当一个文件的有用数据等于0时，删除该文件。

5.将queue，exchange, message等都设置了持久化之后就能保证100%保证数据不丢失了嚒？ 
答案是否定的。 
首先，从consumer端来说，如果这时autoAck=true，那么当consumer接收到相关消息之后，还没来得及处理就crash掉了，那么这样也算数据丢失，这种情况也好处理，只需将autoAck设置为false(方法定义如下)，然后在正确处理完消息之后进行手动ack（channel.basicAck）.

String basicConsume(String queue, boolean autoAck, Consumer callback) throws IOException;

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其次，关键的问题是消息在正确存入RabbitMQ之后，还需要有一段时间（这个时间很短，但不可忽视）才能存入磁盘之中，RabbitMQ并不是为每条消息都做fsync的处理，可能仅仅保存到cache中而不是物理磁盘上，在这段时间内RabbitMQ broker发生crash, 消息保存到cache但是还没来得及落盘，那么这些消息将会丢失。那么这个怎么解决呢？首先可以引入RabbitMQ的mirrored-queue即镜像队列，这个相当于配置了副本，当master在此特殊时间内crash掉，可以自动切换到slave，这样有效的保障了HA, 除非整个集群都挂掉，这样也不能完全的100%保障RabbitMQ不丢消息，但比没有mirrored-queue的要好很多，很多现实生产环境下都是配置了mirrored-queue的。还有要在producer引入事务机制或者Confirm机制来确保消息已经正确的发送至broker端，有关RabbitMQ的事务机制或者Confirm机制可以参考：RabbitMQ之消息确认机制（事务+Confirm）. 幸亏本文的主题是讨论RabbitMQ的持久化而不是可靠性，不然就一发不可收拾了。RabbitMQ的可靠性涉及producer端的确认机制、broker端的镜像队列的配置以及consumer端的确认机制，要想确保消息的可靠性越高，那么性能也会随之而降，鱼和熊掌不可兼得，关键在于选择和取舍。

相关参考链接:http://jzhihui.iteye.com/blog/1642324 
消息中间件收录集:https://blog.csdn.net/u013256816/article/details/54743481

1. RabbitMQ消息队列（三）：任务分发机制
2. RabbitMQ之mandatory和immediate
3. RabbitMQ之消息确认机制（事务+Confirm）
4. RabbitMQ持久化机制