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RabbitMQ在分布式系统的应用

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作者:吕舜,MaxLeap 团队_Service&Infra成员。
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由于之前做的项目中需要在多个节点之间可靠地通信,所以废弃了之前使用的Redis pub/sub(因为集群有单点问题,且有诸多限制),改用了RabbitMQ。使用期间得到不少收获,也踩了不少坑,所以在此分享下心得。

怎么保证可靠性的?

RabbitMQ提供了几种特性,牺牲了一点性能代价,提供了可靠性的保证。

  • 持久化

当RabbitMQ退出时,默认会将消息和队列都清除,所以需要在第一次声明队列和发送消息时指定其持久化属性为true,这样RabbitMQ会将队列、消息和状态存到RabbitMQ本地的数据库,重启后会恢复。

durable=true
channel.queueDeclare("task_queue", durable, false, false, null);//队列 
channel.basicPublish("", "task_queue",
    MessageProperties.PERSISTENT_TEXT_PLAIN,
    message.getBytes());//消息
注:当声明的队列已经存在时,尝试重新定义它的durable是不生效的。
  • 接收应答

客户端接收消息的模式默认是自动应答,但是通过设置autoAck为false可以让客户端主动应答消息。当客户端拒绝此消息或者未应答便断开连接时,就会使得此消息重新入队(在版本2.7.0以前是到重新加入到队尾,2.7.0及以后是保留消息在队列中的原来位置)。

autoAck = false;
requeue = true;
channel.basicConsume(queue, autoAck, callback);
channel.basicAck();//应答
channel.basicReject(deliveryTag, requeue);//拒绝
channel.basicRecover(requeue);//恢复
  • 发送确认

默认情况下,发送端不关注发出去的消息是否被消费掉了。可设置channel为confirm模式,所有发送的消息都会被确认一次,用户可以自行根据server发回的确认消息查看状态。详细介绍见:confirms

channel.confirmSelect(); // 进入confirm模式
do publish messages... // 每个消息都会被编号,从1开始
channel.getNextPublishSeqNo() // 查看下一个要发送的消息的序号
channel.waitForConfirms(); // 等待所有消息发送并确认
  • 事务:和confirm模式不能同时使用,而且会带来大量的多余开销,导致吞吐量下降很多,故而不推荐。
channel.txSelect();
try {
    do something...
    channel.txCommit();
} catch (e){
    channel.txRollback();
}
  • 消息队列的高可用(主备模式)

相比于路由和绑定,可以视为是共享于所有的节点的,消息队列默认只存在于第一次声明它的节点上,这样一旦这个节点挂了,这个队列中未处理的消息就没有了。 幸好,RabbitMQ提供了将它备份到其他节点的机制,任何时候都有一个master负责处理请求,其他slaves负责备份,当master挂掉,会将最早创建的那个slave提升为master。

命令:rabbitmqctl set_policy ha-all “^ha\.” ‘{“ha-mode”:”all”}’:设置所有以’ha’开头的queue在所有节点上拥有备份。详细语法点这里;也可以在界面上配置。

图片描述

注:由于exclusive类型的队列会在client和server连接断开时被删掉,所以对它设置持久化属性和备份都是没有意义的。
  • 顺序保证

直接上图好了:

图片描述

一些需要注意的地方

  • 集群配置:

一个集群中多个节点共享一份.erlang.cookie文件;若是没有启用RABBITMQ_USE_LONGNAME,需要在每个节点的hosts文件中指定其他节点的地址,不然会找不到其他集群中的节点。

  • 脑裂:

RabbitMQ集群对于网络分区的处理和忍受能力不太好,推荐使用federation或者shovel插件去解决。federation详见高级->Federation。但是,情况已经发生了,怎么去解决呢?放心,还是有办法恢复的。当网络断断续续时,会使得节点之间的通信断掉,进而造成集群被分隔开的情况。这样,每个小集群之后便只处理各自本地的连接和消息,从而导致数据不同步。当重新恢复网络连接时,它们彼此都认为是对方挂了-_-||,便可以判断出有网络分区出现了。但是RabbitMQ默认是忽略掉不处理的,造成两个节点继续各自为政(路由,绑定关系,队列等可以独立地创建删除,甚至主备队列也会每一方拥有自己的master)。可以更改配置使得连接恢复时,会根据配置自动恢复。

  • ignore:默认,不做任何处理

  • pause-minority:断开连接时,判断当前节点是否属于少数派(节点数少于或者等于一半),如果是,则暂停直到恢复连接。

  • {pause_if_all_down, [nodes], ignore | autoheal}:断开连接时,判断当前集群中节点是否有节点在nodes中,如果有,则继续运行,否则暂停直到恢复连接。这种策略下,当恢复连接时,可能会有多个分区存活,所以,最后一个参数决定它们怎么合并。

  • autoheal:当恢复连接时,选择客户端连接数最多的节点状态为主,重启其他节点。

配置:**【详见下文:集群配置】

  • 多次ack:客户端多次应答同一条消息,会使得该客户端收不到后续消息。

结合Docker使用

集群版本的实现:详见我自己写的一个例子rabbitmq-server-cluster

消息队列中间件的比较

  • RabbitMQ:
    • 优点:支持很多协议如:AMQP,XMPP,STMP,STOMP;灵活的路由;成熟稳定的集群方案;负载均衡;数据持久化等。
    • 缺点:速度较慢;比较重量级,安装需要依赖Erlang环境。
  • Redis:
    • 优点:比较轻量级,易上手
    • 缺点:单点问题,功能单一
  • Kafka:
    • 优点:高吞吐;分布式;快速持久化;负载均衡;轻量级
    • 缺点:极端情况下会丢消息

最后附一张网上截取的测试结果:

图片描述

更多性能参数见:RabbitMQ Performance Measurements

如果有兴趣简单了解下RabbitMQ,可以继续往下看~

几个重要的概念

  • Virtual Host:包含若干个Exchange和Queue,表示一个节点;
  • Exchange:接受客户端发送的消息,并根据Binding将消息路由给服务器中的队列,Exchange分为direct、fanout、topic三种;
  • Binding:连接Exchange和Queue,包含路由规则;
  • Queue:消息队列,存储还未被消费的消息;
  • Message:Header+Body;
  • Channel:通道,执行AMQP的命令;一个连接可创建多个通道以节省资源。

Client

RabbitMQ官方实现了很多热门语言的客户端,就不一一列举啦,以java为例,直接开始正题:

  • 建立连接:
ConnectionFactory factory = new ConnectionFactory();
factory.setHost("localhost");
  • 可以加上断开重试机制:
factory.setAutomaticRecoveryEnabled(true);
factory.setNetworkRecoveryInterval(10000);
  • 创建连接和通道:
Connection connection = factory.newConnection();
Channel channel = connection.createChannel();
  • 一对一:一个生产者,一个消费者

图片描述

生产者:

channel.queueDeclare(QUEUE_NAME, false, false, false, null);
channel.basicPublish("", QUEUE_NAME, null, message.getBytes());

消费者:

Consumer consumer = new DefaultConsumer(channel) {
  @Override
  public void handleDelivery(String consumerTag, Envelope envelope, AMQP.BasicProperties properties, byte[] body)
      throws IOException {
    String message = new String(body, "UTF-8");
    System.out.println(" [x] Received '" + message + "'");
  }
};
channel.basicConsume(QUEUE_NAME, autoAck, consumer);
  • 一对多:一个生产者,多个消费者

图片描述

代码同上,只不过会有多个消费者,消息会轮序发给各个消费者。

如果设置了autoAck=false,那么可以实现公平分发(即对于某个特定的消费者,每次最多只发送指定条数的消息,直到其中一条消息应答后,再发送下一条)。需要在消费者中加上:

int prefetchCount = 1;
channel.basicQos(prefetchCount);

其他同上。

  • 广播

图片描述

生产者:

channel.exchangeDeclare(EXCHANGE_NAME, "fanout");
String queueName = channel.queueDeclare().getQueue();
channel.queueBind(queueName, EXCHANGE_NAME, "");
channel.basicPublish(EXCHANGE_NAME, "", null, message.getBytes());

消费者同上。

  • Routing:指定路由规则

图片描述

生产者:

String queueName = channel.queueDeclare().getQueue();
channel.queueBind(queueName, EXCHANGE_NAME, routingKey);
channel.basicPublish(EXCHANGE_NAME, routingKey, null, message.getBytes());

消费者同上。

  • Topics:支持通配符的Routing

图片描述

*可以表示一个单词 
#可以表示一个或多个单词

生产者:

channel.exchangeDeclare(EXCHANGE_NAME, "topic");
String queueName = channel.queueDeclare().getQueue();
channel.queueBind(queueName, EXCHANGE_NAME, bindingKey);

消费者同上。

  • RPC

图片描述

其实就是一对一模式的一种用法:

首先,客户端发送一条消息到服务端声明的队列,消息属性中包含reply_tocorrelation_id

- reply_to 是客户端创建的消息的队列,用来接收远程调用结果
- correlation_id 是消息的标识,服务端回应的消息属性中会带上以便知道是哪条消息的结果。

然后,服务端接收到消息,处理,并返回一条结果到reply_to队列中,最终,客户端接收到返回消息,继续向下处理。

Server

支持各大主流操作系统,这里以Unix为例介绍下常用配置和命令:

安装

由于RabbitMQ是依赖于Erlang的,所以得首先安装最近版本的Erlang。
单点的安装比较简单,下载解压即可。

下载地址:http://www.rabbitmq.com/download.html

  • 配置:(一般的,用默认的即可。)
  • $RABBITMQ_HOME/etc/rabbitmq/rabbitmq-env.conf: 环境变量默认配置(也可在启动脚本中设置,且以启动命令中的配置为准)。常用的有:
    • RABBITMQ_NODENAME:节点名称,默认是rabbit@$HOSTNAME。
    • RABBITMQ_NODE_PORT:协议端口号,默认5672。
    • RABBITMQ_SERVER_START_ARGS:覆盖rabbitmq.config中的一些配置。
  • $RABBITMQ_HOME/etc/rabbitmq/rabbitmq.config: 核心组件,插件,erlang服务等配置,常用的有:
    • disk_free_limit:队列持久化等信息都是存到RabbitMQ本地的数据库中的,默认限制50000000(也就是最多只让它使用50M空间啦,不够可以上调,也支持空闲空间百分比的配置)。要是超标了,它就罢工了……
    • vm_memory_high_watermark:内存使用,默认0.4(最多让它使用40%的内存,超标罢工)

(注:若启动失败了,可以在启动日志中查看到具体的错误信息。)

  • 命令:
$RABBITMQ_HOME/sbin/rabbitmq-server:启动脚本,会打印出配置文件,插件,集群等信息;加上-detached为后台启动;
/sbin/rabbitmqctl status:查看启动状态
/sbin/rabbitmqctl add_user admin admin:添加新用户admin,密码admin;默认只有一个guest用户,但只限本机访问。
/sbin/rabbitmqctl set_user_tags admin administrator:将admin设置为管理员权限
/sbin/rabbitmqctl set_permissions -p / admin ".*" ".*" ".*" 赋予admin所有权限
/sbin/rabbitmqctl stop:关闭

集群

集群节点共享所有的状态和数据,如:用户、路由、绑定等信息(队列有点特殊,虽然从所有节点都可达,但是只存在于第一次声明它的那个节点上,解决方案——详见上文:消息队列的高可用);每个节点都可以接收连接,处理数据。

集群节点有两种,disc:默认,信息存在本地数据库;ram:加入集群时,添加–ram参数,信息存在内存,可提高性能。

  • 配置:(一般的,用默认的即可。)
  • $RABBITMQ_HOME/etc/rabbitmq/rabbitmq-env.conf:
    • RABBITMQ_USE_LONGNAME:默认false,(默Rene的,RABBITMQ_NODENAME中@后面的\$HOSTNAME是主机名,所以需要集群中每个节点的hosts文件包含其他节点主机名到地址的映射。但是如果设置为true,就可以定义RABBITMQ_NODENAME中的$HOSTNAME为域名了)
    • RABBITMQ_DIST_PORT:集群端口号,默认RABBITMQ_NODE_PORT + 20000
  • $RABBITMQ_HOME/etc/rabbitmq/rabbitmq.config:
    • cluster_nodes:设置后,在启动时会尝试自动连接加入的节点并组成集群。
    • cluster_partition_handling:【详见上文:网络分区的处理】

更多详细的配置见:配置

  • 命令:
rabbitmqctl stop_app
rabbitmqctl join_cluster [--ram] nodename@hostname:将当前节点加入到集群中;默认是以disc节点加入集群,加上--ram为ram节点。
rabbitmqctl start_app
rabbitmqctl cluster_status:查看集群状态

(注:如果加入集群失败,可先查看)

  • 每个节点的$HOME/.erlang.cookie内容一致;
  • 如果hostname是主机名,那么此hostname和地址的映射需要加入hosts文件中;
  • 如果使用的是域名,那么需要设置RABBITMQ_USE_LONGNAME为true。
    (注:docker版集群的见:rabbitmq-server-cluster)

高级

AMQP协议简介

RabbitMQ原生支持AMQP 0-9-1并扩展实现了了一些常用的功能:AMQP 0-9-1

包含三层:

  • 模型层: 最高层,提供了客户端调用的命令,如:queue.declare,basic.ack,consume等。
  • 会话层:将命令从客户端传递给服务器,再将服务器的应答传递给客户端,会话层为这个传递过程提供可靠性、同步机制和错误处理。
  • 传输层:主要传输二进制数据流,提供帧的处理、信道复用、错误检测和数据表示。

图片描述

注:其他协议的支持见:RabbitMQ支持的协议

常用插件

管理界面(神器)

启动后,执行rabbitmq-plugins enable rabbitmq_management→访问http://localhost:15672→查看节点状态,队列信息等等,甚至可以动态配置消息队列的主备策略,如下图:

图片描述

Federation

启用Federation插件,使得不同集群的节点之间可以传递消息,从而模拟出类似集群的效果。这样可以有几点好处:

  • 松耦合:联合在一起的不同集群可以有各自的用户,权限等信息,无需一致;此外,这些集群的RabbitMQ和Erlang的版本可以不一致。
  • 远程网络连接友好:由于通信是遵循AMQP协议的,故而对断断续续的网络连接容忍度高。
  • 自定义:可以自主选择哪些组件启用federation。

几个概念:

  • Upstreams:定义上游节点信息,如下:
rabbitmqctl set_parameter federation-upstream my-upstream '{"uri":"amqp://server-name","expires":3600000}' 定义一个my-upstream
  • uri是其上游节点的地址,多个upstream的节点无需在同一集群中。
  • expires表示断开连接3600000ms后其上游节点会缓存消息。
  • Upstream sets:多个Upstream的集合;默认有个all,会将所有的Upstream加进去。
  • Policies:定义哪些exchanges,queues关联到哪个Upstream或者Upstream set,如:
rabbitmqctl set_policy --apply-to exchanges federate-me "^amq\." '{"federation-upstream-set":"all"}'
  • 将此节点所有以amq.开头的exchange联合到上游节点的同名exchange。
    注:
    • 由于下游节点的exchange可以继续作为其他节点的上游,故可设置成循环,广播等形式。
    • 通过max_hops参数控制传递层数。
    • 模拟集群,可以将多个节点两两互连,并设置max_hops=1。

图片描述

rabbitmq-plugins enable rabbitmq_federation

如果启用了管理界面,可以添加:

rabbitmq-plugins enable rabbitmq_federation_management

这样就可以在界面配置Upstream和Policy了。

注:如果在一个集群中使用federation,需要该集群每个节点都启用Federation插件;
注:更多插件请见:插件

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