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如何使用Spring Boot与RabbitMQ结合实现延迟队列

背景

何为延迟队列?

顾名思义,延迟队列就是进入该队列的消息会被延迟消费的队列。而一般的队列,消息一旦入队了之后就会被消费者马上消费。

延迟队列能做什么?

延迟队列多用于需要延迟工作的场景。最常见的是以下两种场景:

  1. 延迟消费。比如: 用户生成订单之后,需要过一段时间校验订单的支付状态,如果订单仍未支付则需要及时地关闭订单。
    用户注册成功之后,需要过一段时间比如一周后校验用户的使用情况,如果发现用户活跃度较低,则发送邮件或者短信来提醒用户使用。

  2. 延迟重试。比如消费者从队列里消费消息时失败了,但是想要延迟一段时间后自动重试。
    如果不使用延迟队列,那么我们只能通过一个轮询扫描程序去完成。这种方案既不优雅,也不方便做成统一的服务便于开发人员使用。但是使用延迟队列的话,我们就可以轻而易举地完成。

如何实现?
别急,在下文中,我们将详细介绍如何利用Spring Boot加RabbitMQ来实现延迟队列。

实现思路

在介绍具体的实现思路之前,我们先来介绍一下RabbitMQ的两个特性,一个是Time-To-Live Extensions,另一个是Dead Letter Exchanges。

Time-To-Live Extensions

RabbitMQ允许我们为消息或者队列设置TTL(time to live),也就是过期时间。TTL表明了一条消息可在队列中存活的最大时间,单位为毫秒。也就是说,当某条消息被设置了TTL或者当某条消息进入了设置了TTL的队列时,这条消息会在经过TTL秒后“死亡”,成为Dead Letter。如果既配置了消息的TTL,又配置了队列的TTL,那么较小的那个值会被取用。更多资料请查阅官方文档。

Dead Letter Exchange

刚才提到了,被设置了TTL的消息在过期后会成为Dead Letter。其实在RabbitMQ中,一共有三种消息的“死亡”形式:

  1. 消息被拒绝。通过调用basic.reject或者basic.nack并且设置的requeue参数为false。
  2. 消息因为设置了TTL而过期。
  3. 消息进入了一条已经达到最大长度的队列。

如果队列设置了Dead Letter Exchange(DLX),那么这些Dead Letter就会被重新publish到Dead Letter Exchange,通过Dead Letter Exchange路由到其他队列

流程图
聪明的你肯定已经想到了,如何将RabbitMQ的TTL和DLX特性结合在一起,实现一个延迟队列。

针对于上述的延迟队列的两个场景,我们分别有以下两种流程图:

延迟消费

延迟消费是延迟队列最为常用的使用模式。如下图所示,生产者产生的消息首先会进入缓冲队列(图中红色队列)。通过RabbitMQ提供的TTL扩展,这些消息会被设置过期时间,也就是延迟消费的时间。等消息过期之后,这些消息会通过配置好的DLX转发到实际消费队列(图中蓝色队列),以此达到延迟消费的效果。
图片描述

延迟重试

延迟重试本质上也是延迟消费的一种,但是这种模式的结构与普通的延迟消费的流程图较为不同,所以单独拎出来介绍。

如下图所示,消费者发现该消息处理出现了异常,比如是因为网络波动引起的异常。那么如果不等待一段时间,直接就重试的话,很可能会导致在这期间内一直无法成功,造成一定的资源浪费。那么我们可以将其先放在缓冲队列中(图中红色队列),等消息经过一段的延迟时间后再次进入实际消费队列中(图中蓝色队列),此时由于已经过了“较长”的时间了,异常的一些波动通常已经恢复,这些消息可以被正常地消费。
图片描述

代码实现

接下来我们将介绍如何在Spring Boot中实现基于RabbitMQ的延迟队列。我们假设读者已经拥有了Spring Boot与RabbitMQ的基本知识。

初始化工程

首先我们在Intellij中创建一个Spring Boot工程,并且添加spring-boot-starter-amqp扩展。

配置队列

从上述的流程图中我们可以看到,一个延迟队列的实现,需要一个缓冲队列以及一个实际的消费队列。又由于在RabbitMQ中,我们拥有两种消息过期的配置方式,所以在代码中,我们一共配置了三条队列:
- delay_queue_per_message_ttl:TTL配置在消息上的缓冲队列。
- delay_queue_per_queue_ttl:TTL配置在队列上的缓冲队列。
- delay_process_queue:实际消费队列。

我们通过Java Config的方式将上述的队列配置为Bean。由于我们添加了spring-boot-starter-amqp扩展,SpringBoot在启动时会根据我们的配置自动创建这些队列。为了方便接下来的测试,我们将delay_queue_per_message_ttl以及delay_queue_per_queue_ttl的DLX配置为同一个,且过期的消息都会通过DLX转发到delay_process_queue

delay_queue_per_message_ttl

首先介绍delay_queue_per_message_ttl的配置代码:

@Bean
Queue delayQueuePerMessageTTL() {
    return QueueBuilder.durable(DELAY_QUEUE_PER_MESSAGE_TTL_NAME)
                       .withArgument("x-dead-letter-exchange", DELAY_EXCHANGE_NAME) // DLX,dead letter发送到的exchange
                       .withArgument("x-dead-letter-routing-key", DELAY_PROCESS_QUEUE_NAME) // dead letter携带的routing key
                       .build();
}
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其中,x-dead-letter-exchange声明了队列里的死信转发到的DLX名称,x-dead-letter-routing-key声明了这些死信在转发时携带的routing-key名称。

delay_queue_per_queue_ttl

类似地,delay_queue_per_queue_ttl的配置代码:

@Bean
Queue delayQueuePerQueueTTL() {
    return QueueBuilder.durable(DELAY_QUEUE_PER_QUEUE_TTL_NAME)
                       .withArgument("x-dead-letter-exchange", DELAY_EXCHANGE_NAME) // DLX
                       .withArgument("x-dead-letter-routing-key", DELAY_PROCESS_QUEUE_NAME) // dead letter携带的routing key
                       .withArgument("x-message-ttl", QUEUE_EXPIRATION) // 设置队列的过期时间
                       .build();
}
delay_queue_per_queue_ttl队列的配置比delay_queue_per_message_ttl队列的配置多了一个x-message-ttl,该配置用来设置队列的过期时间。

delay_process_queue

delay_process_queue的配置最为简单:

@Bean
Queue delayProcessQueue() {
    return QueueBuilder.durable(DELAY_PROCESS_QUEUE_NAME)
                       .build();
}

配置Exchange

配置DLX

首先,我们需要配置DLX,代码如下:

@Bean
DirectExchange delayExchange() {
    return new DirectExchange(DELAY_EXCHANGE_NAME);
}

然后再将该DLX绑定到实际消费队列即delay_process_queue上。这样所有的死信都会通过DLX被转发到delay_process_queue

@Bean
Binding dlxBinding(Queue delayProcessQueue, DirectExchange delayExchange) {
    return BindingBuilder.bind(delayProcessQueue)
                         .to(delayExchange)
                         .with(DELAY_PROCESS_QUEUE_NAME);
}

配置延迟重试所需的Exchange

从延迟重试的流程图中我们可以看到,消息处理失败之后,我们需要将消息转发到缓冲队列,所以缓冲队列也需要绑定一个Exchange。在本例中,我们将delay_process_per_queue_ttl作为延迟重试里的缓冲队列。具体代码是如何配置的,这里就不赘述了,大家可以查阅我Github中的代码。

定义消费者

我们创建一个最简单的消费者ProcessReceiver,这个消费者监听delay_process_queue队列,对于接受到的消息,他会:

  • 如果消息里的消息体不等于FAIL_MESSAGE,那么他会输出消息体。
  • 如果消息里的消息体恰好是FAIL_MESSAGE,那么他会模拟抛出异常,然后将该消息重定向到缓冲队列(对应延迟重试场景)。

另外,我们还需要新建一个监听容器用于存放消费者,代码如下:

@Bean
SimpleMessageListenerContainer processContainer(ConnectionFactory connectionFactory, ProcessReceiver processReceiver) {
    SimpleMessageListenerContainer container = new SimpleMessageListenerContainer();
    container.setConnectionFactory(connectionFactory);
    container.setQueueNames(DELAY_PROCESS_QUEUE_NAME); // 监听delay_process_queue
    container.setMessageListener(new MessageListenerAdapter(processReceiver));
    return container;
}

至此,我们前置的配置代码已经全部编写完成,接下来我们需要编写测试用例来测试我们的延迟队列。

编写测试用例

延迟消费场景

首先我们编写用于测试TTL设置在消息上的测试代码。

我们借助spring-rabbit包下提供的RabbitTemplate类来发送消息。由于我们添加了spring-boot-starter-amqp扩展,Spring Boot会在初始化时自动地将RabbitTemplate当成bean加载到容器中。

解决了消息的发送问题,那么又该如何为每个消息设置TTL呢?这里我们需要借助MessagePostProcessor。MessagePostProcessor通常用来设置消息的Header以及消息的属性。我们新建一个ExpirationMessagePostProcessor类来负责设置消息的TTL属性:

/**
 * 设置消息的失效时间
 */
public class ExpirationMessagePostProcessor implements MessagePostProcessor {
    private final Long ttl; // 毫秒
    public ExpirationMessagePostProcessor(Long ttl) {
        this.ttl = ttl;
    }
    @Override
    public Message postProcessMessage(Message message) throws AmqpException {
        message.getMessageProperties()
               .setExpiration(ttl.toString()); // 设置per-message的失效时间
        return message;
    }
}

然后在调用RabbitTemplate的convertAndSend方法时,传入ExpirationMessagePostPorcessor即可。我们向缓冲队列中发送3条消息,过期时间依次为1秒,2秒和3秒。具体的代码如下所示:

@Test
public void testDelayQueuePerMessageTTL() throws InterruptedException {
    ProcessReceiver.latch = new CountDownLatch(3);
    for (int i = 1; i <= 3; i++) {
        long expiration = i * 1000;
        rabbitTemplate.convertAndSend(QueueConfig.DELAY_QUEUE_PER_MESSAGE_TTL_NAME,
                (Object) ("Message From delay_queue_per_message_ttl with expiration " + expiration), new ExpirationMessagePostProcessor(expiration));
    }
    ProcessReceiver.latch.await();
}

细心的朋友一定会问,为什么要在代码中加一个CountDownLatch呢?这是因为如果没有latch阻塞住测试方法的话,测试用例会直接结束,程序退出,我们就看不到消息被延迟消费的表现了。

那么类似地,测试TTL设置在队列上的代码如下:

@Test
public void testDelayQueuePerQueueTTL() throws InterruptedException {
    ProcessReceiver.latch = new CountDownLatch(3);
    for (int i = 1; i <= 3; i++) {
        rabbitTemplate.convertAndSend(QueueConfig.DELAY_QUEUE_PER_QUEUE_TTL_NAME,
                "Message From delay_queue_per_queue_ttl with expiration " + QueueConfig.QUEUE_EXPIRATION);
    }
    ProcessReceiver.latch.await();
}

我们向缓冲队列中发送3条消息。理论上这3条消息会在4秒后同时过期。

延迟重试场景

我们同样还需测试延迟重试场景。

@Test
public void testFailMessage() throws InterruptedException {
    ProcessReceiver.latch = new CountDownLatch(6);
    for (int i = 1; i <= 3; i++) {
        rabbitTemplate.convertAndSend(QueueConfig.DELAY_PROCESS_QUEUE_NAME, ProcessReceiver.FAIL_MESSAGE);
    }
    ProcessReceiver.latch.await();
}

我们向delay_process_queue发送3条会触发FAIL的消息,理论上这3条消息会在4秒后自动重试。

查看测试结果

延迟消费场景

延迟消费的场景测试我们分为了TTL设置在消息上和TTL设置在队列上两种。首先,我们先看一下TTL设置在消息上的测试结果:

图片描述

从上图中我们可以看到,ProcessReceiver分别经过1秒、2秒、3秒收到消息。测试结果表明消息不仅被延迟消费了,而且每条消息的延迟时间是可以被个性化设置的。TTL设置在消息上的延迟消费场景测试成功。
然后,TTL设置在队列上的测试结果如下图:

图片描述

从上图中我们可以看到,ProcessReceiver经过了4秒的延迟之后,同时收到了3条消息。测试结果表明消息不仅被延迟消费了,同时也证明了当TTL设置在队列上的时候,消息的过期时间是固定的。TTL设置在队列上的延迟消费场景测试成功。

延迟重试场景

接下来,我们再来看一下延迟重试的测试结果:

图片描述

ProcessReceiver首先收到了3条会触发FAIL的消息,然后将其移动到缓冲队列之后,过了4秒,又收到了刚才的那3条消息。延迟重试场景测试成功。

总结

本文首先介绍了延迟队列的概念以及用途,并且通过代码详细讲解了如何通过Spring Boot和RabbitMQ实现一个延迟队列。希望本文能够对大家平时的学习和工作能有所启发和帮助。

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