消息队列及常见的消息中间件概述

概述简介

消息队列 已经逐渐成为企业应用系统 内部通信 的核心手段。它具有下面这些功能：

• 低耦合
• 可靠投递
• 广播
• 流量控制
• 最终一致性

当前使用较多的 消息队列 有 RabbitMQ、RocketMQ、ActiveMQ、Kafka、ZeroMQ、MetaMQ 等，而部分 数据库 如 Redis、MySQL 以及 phxsql 也可实现消息队列的功能。
消息队列的特点

采用异步处理模式

• 消息发送者，可以发送一个消息而无须等待响应。消息发送者，将消息发送到一条 虚拟的通道（主题 或 队列）上，消息接收者 则 订阅 或是 监听 该通道。
• 一条信息可能最终转发给 一个或多个 消息接收者，这些接收者都无需对 消息发送者 做出 同步回应。整个过程都是 异步的。

应用系统之间解耦合

主要体现在如下两点：

• 发送者和接受者不必了解对方、只需要 确认消息；
• 发送者和接受者 不必同时在线。

比如在线交易系统为了保证数据的 最终一致，在 支付系统 处理完成后会把 支付结果 放到 消息中间件 里，通知 订单系统 修改 订单支付状态。两个系统是通过消息中间件解耦的。

消息队列的传递服务模型

消息队列的 传递服务模型 如下图所示：

消息队列的的传输模式

点对点模型

点对点模型 用于 消息生产者 和 消息消费者 之间 点到点 的通信。

• 消息生产者将消息发送到由某个名字标识的特定消费者。这个名字实际上对于消费服务中的一个 队列（Queue），在消息传递给消费者之前它被 存储 在这个队列中。
• 队列消息 可以放在 内存 中也可以 持久化，以保证在消息服务出现故障时仍然能够传递消息。
• 传统的点对点消息中间件通常由 消息队列服务、消息传递服务、消息队列 和 消息应用程序接口 API 组成，其典型的结构如下图所示。
  
  特点：
• 每个消息只用一个消费者；
• 发送者和接受者没有时间依赖；
• 接受者确认消息接受和处理成功。
  

发布/订阅模型（Pub/Sub）

• 发布者/订阅者 模型支持向一个特定的 消息主题 生产消息。0 或 多个订阅者 可能对接收来自 特定消息主题 的消息感兴趣。
• 在这种模型下，发布者和订阅者彼此不知道对方，就好比是匿名公告板。这种模式被概况为：多个消费者可以获得消息，在 发布者 和 订阅者 之间存在 时间依赖性。发布者需要建立一个 订阅（subscription），以便能够消费者订阅。订阅者 必须保持 持续的活动状态 并 接收消息。
• 在这种情况下，在订阅者未连接时，发布的消息将在订阅者重新连接时重新发布，如下图所示：
  

特点

• 每个消息可以有多个订阅者；
• 客户端只有订阅后才能接收到消息；
• 持久订阅和非持久订阅。
  • 持久订阅：订阅关系建立后，消息就不会消失，不管订阅者是否都在线；
  • 非持久订阅：订阅者为了接受消息，必须一直在线。 当只有一个订阅者时约等于点对点模式

消息队列引用场景

当你需要使用消息队列时，首先需要考虑它的必要性。可以使用消息队列的场景有很多，最常用的几种，是做 应用程序松耦合、异步处理模式、发布与订阅、最终一致性、错峰流控 和 日志缓冲 等。反之，如果需要 强一致性，关注业务逻辑的处理结果，则使用 RPC 显得更为合适。

异步处理

• 非核心流程异步化，减少系统响应时间，提高吞吐量。例如：短信通知、终端状态推送、App 推送、用户注册 等。
• 消息队列 一般都内置了高效的通信机制，因此也可以用于单纯的消息通讯，比如实现点对点消息队列或者聊天室等。
• 例如：用户注册
  网站用户注册，注册成功后会过一会发送邮件确认或者短信。
  

系统解耦

• 系统之间不是强耦合的，消息接受者可以随意增加，而不需要修改消息发送者的代码。消息发送者的成功不依赖消息接受者（比如：有些银行接口不稳定，但调用方并不需要依赖这些接口）。
• 不强依赖于非本系统的核心流程，对于非核心流程，可以放到消息队列中让消息消费者去按需消费，而不影响核心主流程。

最终一致性

• 最终一致性不是消息队列 的必备特性，但确实可以依靠 消息队列 来做 最终一致性 的事情。
• 先写消息再操作，确保操作完成后再修改消息状态。
• 定时任务补偿机制 实现消息可靠发送接收、业务操作的可靠执行，要注意 消息重复 与 幂等设计。
• 所有不保证 100% 不丢消息 的消息队列，理论上无法实现 最终一致性。
• 像 Kafka 一类的设计，在设计层面上就有 丢消息 的可能（比如 定时刷盘，如果掉电就会丢消息）。哪怕只丢千分之一的消息，业务也必须用其他的手段来保证结果正确。

广播

生产者/消费者 模式，只需要关心消息是否 送达队列，至于谁希望订阅和需要消费，是 下游 的事情，无疑极大地减少了开发和联调的工作量。

流量削峰和流控

当 上下游系统 处理能力存在差距的时候，利用 消息队列 做一个通用的 “漏斗”，进行限流控制。在下游有能力处理的时候，再进行分发。

• 举个例子：用户在支付系统成功结账后，订单系统会通过短信系统向用户推送扣费通知。短信系统 可能由于 短板效应，速度卡在 网关 上（每秒几百次请求），跟 前端的并发量 不是一个数量级。于是，就造成 支付系统 和 短信系统 的处理能力出现差异化。
• 然而，用户间隔半分钟左右收到短信，一般是不会有太大问题的。如果没有消息队列，两个系统之间通过 协商、滑动窗口 等复杂的方案也不是说不能实现。
• 但 系统复杂性 指数级增长，势必在 上游 或者 下游 做 存储，并且要处理 定时、拥塞 等一系列问题。而且每当有 处理能力有差距 的时候，都需要 单独 开发一套逻辑来维护这套逻辑。
• 所以，利用中间系统转储两个系统的通信内容，并在下游系统有能力处理这些消息的时候，再处理这些消息，是一套相对较通用的方式。

应用案例

• 把消息队列当成可靠的 消息暂存地，进行一定程度的 消息堆积；
• 定时进行消息投递，比如模拟 用户秒杀 访问，进行 系统性能压测
• 

日志处理

• 将消息队列用在 日志处理 中，比如 Kafka 的应用，解决海量日志传输和缓冲的问题。

应用案例

• 把日志进行集中收集，用于计算 PV、用户行为分析 等等。
  

消息通讯

• 消息队列一般都内置了 高效的通信机制，因此也可以用于单纯的 消息通讯，比如实现 点对点消息队列 或者 聊天室 等。

消息队列中 Pull 和 Push 的区别

• Push推消息模型：消息生产者将消息发送给消息队列，消息队列又将消息推给消息消费者。
• Pull拉消息模型： 消费者 请求 消息队列 接受消息，消息生产者 从 消息队列 中拉该消息。
  

消息队列技术对比

本部分主要介绍四种常用的消息队列（ActiveMQ / RabbitMQ / RocketMQ / Kafka）的主要特性、优点、缺点。

ActiveMQ

• ActiveMQ 是由 Apache 出品，ActiveMQ 是一个完全支持 JMS1.1 和 J2EE 1.4 规范的 JMS Provider 实现。它非常快速，支持 多种语言的客户端和协议，而且可以非常容易的嵌入到企业的应用环境中，并有许多高级功能。
  

主要特性

• 服从JMS规范：JMS 规范提供了良好的标准和保证，包括：同步 或 异步 的消息分发，一次和仅一次的消息分发，消息接收 和 订阅 等等。遵从 JMS 规范的好处在于，不论使用什么 JMS 实现提供者，这些基础特性都是可用的；
• 连接灵活性：ActiveMQ 提供了广泛的 连接协议，支持的协议有：HTTP/S，IP 多播，SSL，TCP，UDP 等等。对众多协议的支持让 ActiveMQ 拥有了很好的灵活性；
• 支持的协议种类多：OpenWire、STOMP、REST、XMPP、AMQP；
• 持久化插件和安全插件：ActiveMQ 提供了 多种持久化 选择。而且，ActiveMQ 的安全性也可以完全依据用户需求进行 自定义鉴权 和 授权；
• 支持的客户端语言种类多：除了 Java 之外，还有：C/C++，.NET，Perl，PHP，Python，Ruby；
• 代理集群：多个 ActiveMQ 代理 可以组成一个 集群 来提供服务；
• 异常简单的管理：ActiveMQ 是以开发者思维被设计的。所以，它并不需要专门的管理员，因为它提供了简单又实用的管理特性。 很多方法可以 监控 ActiveMQ 不同层面的数据，包括使用在 JConsole 或者在 ActiveMQ 的 Web Console 中使用 JMX。通过处理 JMX 的告警消息，通过使用 命令行脚本，甚至可以通过监控各种类型的 日志。

部署环境

ActiveMQ 可以运行在 Java 语言所支持的平台之上。使用 ActiveMQ 需要：

• Java JDK
• ActiveMQ 安装包

优点

• 跨平台 (JAVA 编写与平台无关，ActiveMQ 几乎可以运行在任何的 JVM 上)；
• 可以用 JDBC：可以将 数据持久化 到数据库。虽然使用 JDBC 会降低 ActiveMQ 的性能，但是数据库一直都是开发人员最熟悉的存储介质；
• 支持 JMS 规范：支持 JMS 规范提供的 统一接口;
• 支持 自动重连 和 错误重试机制；
• 有安全机制：支持基于 shiro，jaas 等多种 安全配置机制，可以对 Queue/Topic 进行 认证和授权；
• 监控完善：拥有完善的 监控，包括 Web Console，JMX，Shell 命令行，Jolokia 的 RESTful API；
• 界面友善：提供的 Web Console 可以满足大部分情况，还有很多 第三方的组件 可以使用，比如 hawtio；

缺点

• 社区活跃度不及 RabbitMQ 高；
• 根据其他用户反馈，会出莫名其妙的问题，会 丢失消息；
• 目前重心放到 activemq 6.0 产品 Apollo，对 5.x 的维护较少；
• 不适合用于 上千个队列 的应用场景；

RabbitMQ

RabbitMQ 于 2007 年发布，是一个在 AMQP (高级消息队列协议)基础上完成的，可复用的企业消息系统，是当前最主流的消息中间件之一。

主要特性

• 可靠性：提供了多种技术可以让你在 性能 和 可靠性 之间进行 权衡。这些技术包括 持久性机制、投递确认、发布者证实 和 高可用性机制；
• 灵活的路由：消息在到达队列前是通过 交换机 进行 路由 的。RabbitMQ 为典型的路由逻辑提供了 多种内置交换机 类型。如果你有更复杂的路由需求，可以将这些交换机组合起来使用，你甚至可以实现自己的交换机类型，并且当做 RabbitMQ 的 插件 来使用；
• 消息集群：在相同局域网中的多个 RabbitMQ 服务器可以聚合在一起，作为一个独立的逻辑代理来使用；
• 队列高可用：队列可以在集群中的机器上 进行镜像，以确保在硬件问题下还保证 消息安全；
• 支持多种协议：支持 多种消息队列协议；
• 支持多种语言：用 Erlang 语言编写，支持只要是你能想到的 所有编程语言；
• 管理界面： RabbitMQ 有一个易用的 用户界面，使得用户可以 监控 和 管理 消息 Broker 的许多方面；
• 跟踪机制：如果 消息异常，RabbitMQ 提供消息跟踪机制，使用者可以找出发生了什么；
• 插件机制：提供了许多插件，来从多方面进行扩展，也可以编写自己的插件

部署环境

RabbitMQ 可以运行在 Erlang 语言所支持的平台之上，包括 Solaris，BSD，Linux，MacOSX，TRU64，Windows 等。使用 RabbitMQ 需要：

• ErLang 语言包
• RabbitMQ 安装包

优点

• 由于 Erlang 语言的特性，消息队列性能较好，支持 高并发；
• 健壮、稳定、易用、跨平台、支持 多种语言、文档齐全；
• 有消息 确认机制 和 持久化机制，可靠性高；
• 高度可定制的 路由；
• 管理界面 较丰富，在互联网公司也有较大规模的应用，社区活跃度高。

缺点

• 尽管结合 Erlang 语言本身的并发优势，性能较好，但是不利于做 二次开发和维护；
• 实现了 代理架构，意味着消息在发送到客户端之前可以在 中央节点 上排队。此特性使得 RabbitMQ 易于使用和部署，但是使得其 运行速度较慢，因为中央节点 增加了延迟，消息封装后 也比较大；
• 需要学习 比较复杂 的 接口和协议，学习和维护成本较高。

RocketMQ

RocketMQ 出自 阿里 的开源产品，用 Java 语言实现，在设计时参考了 Kafka，并做出了自己的一些改进，消息可靠性上 比 Kafka 更好。RocketMQ 在阿里内部被广泛应用在 订单，交易，充值，流计算，消息推送，日志流式处理，binglog 分发 等场景。

主要特性

• 基于 队列模型：具有 高性能、高可靠、高实时、分布式 等特点；
• Producer、Consumer、队列 都支持 分布式；
• Producer 向一些队列轮流发送消息，队列集合 称为 Topic。Consumer 如果做 广播消费，则一个 Consumer 实例消费这个 Topic 对应的 所有队列；如果做 集群消费，则 多个 Consumer 实例 平均消费 这个 Topic 对应的队列集合；
• 能够保证 严格的消息顺序；
• 提供丰富的 消息拉取模式；
• 高效的订阅者 水平扩展能力；
• 实时 的 消息订阅机制；
• 亿级 消息堆积 能力；
• 较少的外部依赖。

部署环境

RocketMQ 可以运行在 Java 语言所支持的平台之上。使用 RocketMQ 需要：

• Java JDK
• 安装 git、Maven
• RocketMQ 安装包

优点

• 单机支持1 万以上持久化队列；
• RocketMQ 的所有消息都是持久化的，先写入系统 PAGECACHE，然后 刷盘，可以保证内存与磁盘都有一份数据，而访问时，直接从内存读取。
• 模型简单，接口易用（JMS 的接口很多场合并不太实用）；
• 性能非常好，可以允许 大量堆积消息 在 Broker 中；
• 支持 多种消费模式，包括 集群消费、广播消费等；
• 各个环节 分布式扩展设计，支持 主从 和 高可用；
• 开发度较活跃，版本更新很快。

缺点

• 支持的 客户端语言 不多，目前是 Java 及 C++，其中 C++ 还不成熟；
• RocketMQ 社区关注度及成熟度也不及前两者；
• 没有 Web 管理界面，提供了一个 CLI (命令行界面) 管理工具带来 查询、管理 和 诊断各种问题；
• 没有在 MQ 核心里实现 JMS 等接口；

Kafka

Apache Kafka 是一个 分布式消息发布订阅 系统。它最初由 LinkedIn 公司基于独特的设计实现为一个 分布式的日志提交系统 (a distributed commit log)，之后成为 Apache 项目的一部分。Kafka 性能高效、可扩展良好并且可持久化。 它的分区特性,可复制和可容错 都是其不错的特性。

主要特性

• 快速持久化：可以在 O(1) 的系统开销下进行 消息持久化；
• 高吞吐：在一台普通的服务器上既可以达到 10W/s 的 吞吐速率；
• 完全的分布式系统：Broker、Producer 和 Consumer 都原生自动支持 分布式，自动实现 负载均衡；
• 支持 同步 和 异步 复制两种 高可用机制；
• 支持 数据批量发送 和 拉取；
• 零拷贝技术(zero-copy)：减少 IO 操作步骤，提高 系统吞吐量；
• 数据迁移、扩容 对用户透明；
• 无需停机 即可扩展机器；
• 其他特性：丰富的 消息拉取模型、高效 订阅者水平扩展、实时的 消息订阅、亿级的 消息堆积能力、定期删除机制；

部署环境

使用 Kafka 需要：

• Java JDK
• Kafka 安装包

优点

客户端语言丰富：支持 Java、.Net、PHP、Ruby、Python、Go 等多种语言；

• 高性能：单机写入 TPS 约在 100 万条/秒，消息大小 10 个字节；
• 提供 完全分布式架构，并有 replica 机制，拥有较高的 可用性 和 可靠性，理论上支持 消息无限堆积；
• **支持批量操作；**消费者 采用 Pull 方式获取消息。消息有序，通过控制 能够保证所有消息被消费且仅被消费 一次；
• 有优秀的第三方 Kafka Web 管理界面 Kafka-Manager；
• 在 日志领域 比较成熟，被多家公司和多个开源项目使用。

缺点

• Kafka 单机超过 64 个 队列/分区 时，Load 时会发生明显的飙高现象。队列越多，负载越高，发送消息 响应时间变长；
• 使用 短轮询方式，实时性 取决于 轮询间隔时间；
• 消费失败 不支持重试；
• 支持 消息顺序，但是 一台代理宕机 后，就会产生 消息乱序；
• 社区更新较慢。

对比总结

总结：

• Kafka 在于分布式架构，RabbitMQ 基于 AMQP 协议来实现，RocketMQ 的思路来源于 Kafka，改成了 主从结构，在 事务性 和 可靠性 方面做了优化。
• 广泛来说，电商、金融 等对事务一致性要求很高的，可以考虑 RabbitMQ 和 RocketMQ
• 对 性能要求高 的可考虑 Kafka。