MQ系列8：数据存储，消息队列的高可用保障

MQ系列1：消息中间件执行原理

MQ系列2：消息中间件的技术选型

MQ系列3：RocketMQ 架构分析

MQ系列4：NameServer 原理解析

MQ系列5：RocketMQ消息的发送模式

MQ系列6：消息的消费

MQ系列7：消息通信，追求极致性能

1 介绍

在之前的章节中，我们介绍了消息的发送 和 消息通信 的原理。但是这边有一个比较核心的关键点，那就是如果已经把消息传递给Broker。在Broker在被消费之前，如何保证消息的稳定性，避免消息丢失和数据。

这时候就需要数据持久化数据来进行保障了。

根据之前我们 MQ系列2：消息中间件的技术选型 章节做的分析，RabbitMQ支持 1W+ 级别的吞吐，

Kafka 和 Rocket 支持 10W+ 级别的吞吐，想要实现这么大的吞吐，必须具备一个很强悍的存储功能。下面我们来看看。

2 Broker 存储架构

RocketMQ采用文件存储机制（类似Kafka），即直接在磁盘上使用文件来保存消息，而不是采用Redis或者MySQL之类的持久化工具。

它会把消息存储所属相关的文件存储在ROCKETMQ_HOME下，包含三个部分：

2.1 CommitLog 消息元数据

存储消息的元数据，所有消息都会顺序存入到CommitLog文件中。CommitLog由多个文件组成，每个文件固定大小1G。它有如下特征：

• 单个文件默认大小为1G
• 文件名称长度20，保存偏移量，偏移量不够20位的补0。
  • 如第1个文件没有偏移量，则为：00000000000000000000
  • 第2个文件起始偏移量为1073741824（1G=1073740842），则文件名为 00000000001073741824。
• 第一个1G文件文件写满之后之后转入第2个文件，如此反复，因为是顺序的，所以写入效率较高。

2.2 ConsumeQueue 消息逻辑队列

ConsumeQueue是指存储消息在CommitLog上的索引，一个MessageQueue一个文件，记录当前MessageQueue被哪些消费者组消费到了哪一条CommitLog。它有如下特征：

• ComsumeQueue的结构组成共 20 个字节，包含 8 字节的 commitlog 物理偏移量、4 字节的消息长度、8 字节 tag hashcode
• ConsumeQueue 里只存偏移量信息，内容精悍。加载到内存中，操作效率非常高。
• 一致性保障，CommitLog 里存储了 ConsumeQueues、Message Key、Tag 等所有信息，在 ConsumeQueue 丢失或者故障时候，数据可快速回复。
• 因为每个Topic下可能有多个Queueu，所以存储结构为：HOME/store/consumequeue/{topic}/{queueId}/{fileName}。

2.3 IndexFile 索引文件

IndexFile 是一种可选索引文件，提供了一种可以通过 key 或时间区间来查询消息的方法，并且这种查找消息的方法不影响发送与消费消息的主流程。它的特征如下：

• 算法原理：IndexFile 索引文件的底层实现 为 hash 索引，可以对照 Java 的HashMap比较，通过计算 Key 的 hashcode， 取余获得 hash 槽，并通过拉链法解决哈希冲突。
• 大小限制：IndexFile 以创建时间戳命名，单个 IndexFile 文件大小约为 400M，一个 IndexFile 可以保存 2000W 个索引。

通过上面的三个部件说明可以了解到，RocketMQ 消息存储结构主要是由 CommitLog，ConsumeQueue，IndexFile 三部分组成的。当我们发送消息的时候，会执行如下过程：

• 消息格式化成 CommitLog的字段结构，并按照顺序写入到CommitLog 文件中。
• Broker会按照 ConsumeQueue 的字段结构的要求创建一条索引记录。
• 按需创建IndexFile索引文件。

3 存储的执行过程

通过上面我们已经了解到了，Kafka 和 Rocket 均支持 10W+ 级别的吞吐，那么上述的存储结构是如何保持这样的高超性能的呢？

• 之前的章节我们已经了解到，Broker 启动时同步启动 NettyRemotingServer 进行端口监听，等坐等客户端的连接。
• 当客户端发送请求时，NettyRemotingServer WorkerGroup 处理可读事件，执行 processRequestCommand 处理来源消息数据。
• 接收到消息之后就需要存储下来了，DefaultMessageStore对数据进行校验，校验如下，校验完成之后发送存储指令。
  • Broker 无响应时拒绝消息写入
  • Broker 角色 为 SLAVE 时也拒绝写入
  • 判断是否支持写入，不支持写入时也拒绝
  • topic length 小于等于 256 字符，否则拒绝消息写入
  • 消息 length 小于等于 65536 字符，否则拒绝消息写入
  • PageCache 繁忙时报错误消息，无法写入
• DefaultMessageStore 调用 CommitLog.putMessage 存入消息
  • 获取可以写入的 CommitLog 进行写入
  • CommitLog（每个CommitLog默认1G大小） 对应 MappedFile（程序视角），当有多个 MappedFiled 时，组成 MappedFileQueue。
  • MappedFile 持有物理 CommitLog 的 fileChannel (Java NIO 文件读写的通道)，但并没有通过 fileChannel 直接访问物理 CommitLog 文件，而是映射到一个 MappedByteBuffer，并把序列化后的消息写入这个 ByteBuffer 中，已达到提升执行效率的目的。
  • 最后写入 MappedFile 相对应的 CommitLog 文件中。

4 总结

• 理解好RabbitMQ 中 Broker 存储的组成要素 CommitLog，ConsumeQueue，IndexFile。
• 当 Broker 收到消息存储请求时，通过调用 CommitLog 对应的 MappedFile，把消息写入MappedFile的MeppedByteBuffer（内存映射）。