如何保证消息队列的高可用和幂等性以及数据丢失,顺序一致性

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_云起
2.7 2018.09.24 17:50* 字数 5973

(1)RabbitMQ的高可用性

RabbitMQ是比较有代表性的,因为是基于主从做高可用性的,我们就以他为例子讲解第一种MQ的高可用性怎么实现。

rabbitmq有三种模式:单机模式,普通集群模式,镜像集群模式

1)单机模式

就是demo级别的,一般就是你本地启动了玩玩儿的,没人生产用单机模式


2)普通集群模式

意思就是在多台机器上启动多个rabbitmq实例,每个机器启动一个。但是你创建的queue,只会放在一个rabbtimq实例上,但是每个实例都同步queue的元数据。完了你消费的时候,实际上如果连接到了另外一个实例,那么那个实例会从queue所在实例上拉取数据过来。

这种方式确实很麻烦,也不怎么好,没做到所谓的分布式,就是个普通集群。因为这导致你要么消费者每次随机连接一个实例然后拉取数据,要么固定连接那个queue所在实例消费数据,前者有数据拉取的开销,后者导致单实例性能瓶颈。

而且如果那个放queue的实例宕机了,会导致接下来其他实例就无法从那个实例拉取,如果你开启了消息持久化,让rabbitmq落地存储消息的话,消息不一定会丢,得等这个实例恢复了,然后才可以继续从这个queue拉取数据。

所以这个事儿就比较尴尬了,这就没有什么所谓的高可用性可言了,这方案主要是提高吞吐量的,就是说让集群中多个节点来服务某个queue的读写操作。



3)镜像集群模式

这种模式,才是所谓的rabbitmq的高可用模式,跟普通集群模式不一样的是,你创建的queue,无论元数据还是queue里的消息都会存在于多个实例上,然后每次你写消息到queue的时候,都会自动把消息到多个实例的queue里进行消息同步。

这样的话,好处在于,你任何一个机器宕机了,没事儿,别的机器都可以用。坏处在于,第一,这个性能开销也太大了吧,消息同步所有机器,导致网络带宽压力和消耗很重!第二,这么玩儿,就没有扩展性可言了,如果某个queue负载很重,你加机器,新增的机器也包含了这个queue的所有数据,并没有办法线性扩展你的queue

那么怎么开启这个镜像集群模式呢?我这里简单说一下,避免面试人家问你你不知道,其实很简单rabbitmq有很好的管理控制台,就是在后台新增一个策略,这个策略是镜像集群模式的策略,指定的时候可以要求数据同步到所有节点的,也可以要求就同步到指定数量的节点,然后你再次创建queue的时候,应用这个策略,就会自动将数据同步到其他的节点上去了。


(2)kafka的高可用性

kafka一个最基本的架构认识:多个broker组成,每个broker是一个节点;你创建一个topic,这个topic可以划分为多个partition,每个partition可以存在于不同的broker上,每个partition就放一部分数据。

这就是天然的分布式消息队列,就是说一个topic的数据,是分散放在多个机器上的,每个机器就放一部分数据。

实际上rabbitmq之类的,并不是分布式消息队列,他就是传统的消息队列,只不过提供了一些集群、HA的机制而已,因为无论怎么玩儿,rabbitmq一个queue的数据都是放在一个节点里的,镜像集群下,也是每个节点都放这个queue的完整数据。

kafka 0.8以前,是没有HA机制的,就是任何一个broker宕机了,那个broker上的partition就废了,没法写也没法读,没有什么高可用性可言。

kafka 0.8以后,提供了HA机制,就是replica副本机制。每个partition的数据都会同步到吉他机器上,形成自己的多个replica副本。然后所有replica会选举一个leader出来,那么生产和消费都跟这个leader打交道,然后其他replica就是follower。写的时候,leader会负责把数据同步到所有follower上去,读的时候就直接读leader上数据即可。只能读写leader?很简单,要是你可以随意读写每个follower,那么就要care数据一致性的问题,系统复杂度太高,很容易出问题。kafka会均匀的将一个partition的所有replica分布在不同的机器上,这样才可以提高容错性。

这么搞,就有所谓的高可用性了,因为如果某个broker宕机了,没事儿,那个broker上面的partition在其他机器上都有副本的,如果这上面有某个partition的leader,那么此时会重新选举一个新的leader出来,大家继续读写那个新的leader即可。这就有所谓的高可用性了。

写数据的时候,生产者就写leader,然后leader将数据落地写本地磁盘,接着其他follower自己主动从leader来pull数据。一旦所有follower同步好数据了,就会发送ack给leader,leader收到所有follower的ack之后,就会返回写成功的消息给生产者。(当然,这只是其中一种模式,还可以适当调整这个行为)

消费的时候,只会从leader去读,但是只有一个消息已经被所有follower都同步成功返回ack的时候,这个消息才会被消费者读到。


怎么保证消息队列消费的幂等性?

先大概说一说可能会有哪些重复消费的问题。

首先就是比如rabbitmq、rocketmq、kafka,都有可能会出现消费重复消费的问题,正常。因为这问题通常不是mq自己保证的,是给你保证的。然后我们挑一个kafka来举个例子,说说怎么重复消费吧。

kafka实际上有个offset的概念,就是每个消息写进去,都有一个offset,代表他的序号,然后consumer消费了数据之后,每隔一段时间,会把自己消费过的消息的offset提交一下,代表我已经消费过了,下次我要是重启啥的,你就让我继续从上次消费到的offset来继续消费吧。

但是凡事总有意外,比如我们之前生产经常遇到的,就是你有时候重启系统,看你怎么重启了,如果碰到点着急的,直接kill进程了,再重启。这会导致consumer有些消息处理了,但是没来得及提交offset,尴尬了。重启之后,少数消息会再次消费一次。

其实重复消费不可怕,可怕的是你没考虑到重复消费之后,怎么保证幂等性。

给你举个例子吧。假设你有个系统,消费一条往数据库里插入一条,要是你一个消息重复两次,你不就插入了两条,这数据不就错了?但是你要是消费到第二次的时候,自己判断一下已经消费过了,直接扔了,不就保留了一条数据?

一条数据重复出现两次,数据库里就只有一条数据,这就保证了系统的幂等性

幂等性,我通俗点说,就一个数据,或者一个请求,给你重复来多次,你得确保对应的数据是不会改变的,不能出错。


其实还是得结合业务来思考,我这里给几个思路:

(1)比如你拿个数据要写库,你先根据主键查一下,如果这数据都有了,你就别插入了,update一下好吧

(2)比如你是写redis,那没问题了,反正每次都是set,天然幂等性

(3)比如你不是上面两个场景,那做的稍微复杂一点,你需要让生产者发送每条数据的时候,里面加一个全局唯一的id,类似订单id之类的东西,然后你这里消费到了之后,先根据这个id去比如redis里查一下,之前消费过吗?如果没有消费过,你就处理,然后这个id写redis。如果消费过了,那你就别处理了,保证别重复处理相同的消息即可。

还有比如基于数据库的唯一键来保证重复数据不会重复插入多条,我们之前线上系统就有这个问题,就是拿到数据的时候,每次重启可能会有重复,因为kafka消费者还没来得及提交offset,重复数据拿到了以后我们插入的时候,因为有唯一键约束了,所以重复数据只会插入报错,不会导致数据库中出现脏数据

如何保证MQ的消费是幂等性的,需要结合具体的业务来看


数据丢失怎么办(如何保证消息的可靠性传输)

(1)rabbitmq

1)生产者弄丢了数据

生产者将数据发送到rabbitmq的时候,可能数据就在半路给搞丢了,因为网络啥的问题,都有可能。

此时可以选择用rabbitmq提供的事务功能,就是生产者发送数据之前开启rabbitmq事务(channel.txSelect),然后发送消息,如果消息没有成功被rabbitmq接收到,那么生产者会收到异常报错,此时就可以回滚事务(channel.txRollback),然后重试发送消息;如果收到了消息,那么可以提交事务(channel.txCommit)。但是问题是,rabbitmq事务机制一搞,基本上吞吐量会下来,因为太耗性能。

所以一般来说,如果你要确保说写rabbitmq的消息别丢,可以开启confirm模式,在生产者那里设置开启confirm模式之后,你每次写的消息都会分配一个唯一的id,然后如果写入了rabbitmq中,rabbitmq会给你回传一个ack消息,告诉你说这个消息ok了。如果rabbitmq没能处理这个消息,会回调你一个nack接口,告诉你这个消息接收失败,你可以重试。而且你可以结合这个机制自己在内存里维护每个消息id的状态,如果超过一定时间还没接收到这个消息的回调,那么你可以重发。

事务机制和cnofirm机制最大的不同在于,事务机制是同步的,你提交一个事务之后会阻塞在那儿,但是confirm机制是异步的,你发送个消息之后就可以发送下一个消息,然后那个消息rabbitmq接收了之后会异步回调你一个接口通知你这个消息接收到了。

所以一般在生产者这块避免数据丢失,都是用confirm机制的。

2)rabbitmq弄丢了数据

就是rabbitmq自己弄丢了数据,这个你必须开启rabbitmq的持久化,就是消息写入之后会持久化到磁盘,哪怕是rabbitmq自己挂了,恢复之后会自动读取之前存储的数据,一般数据不会丢。除非极其罕见的是,rabbitmq还没持久化,自己就挂了,可能导致少量数据会丢失的,但是这个概率较小。

设置持久化有两个步骤,第一个是创建queue的时候将其设置为持久化的,这样就可以保证rabbitmq持久化queue的元数据,但是不会持久化queue里的数据;第二个是发送消息的时候将消息的deliveryMode设置为2,就是将消息设置为持久化的,此时rabbitmq就会将消息持久化到磁盘上去。必须要同时设置这两个持久化才行,rabbitmq哪怕是挂了,再次重启,也会从磁盘上重启恢复queue,恢复这个queue里的数据。

而且持久化可以跟生产者那边的confirm机制配合起来,只有消息被持久化到磁盘之后,才会通知生产者ack了,所以哪怕是在持久化到磁盘之前,rabbitmq挂了,数据丢了,生产者收不到ack,你也是可以自己重发的。

哪怕是你给rabbitmq开启了持久化机制,也有一种可能,就是这个消息写到了rabbitmq中,但是还没来得及持久化到磁盘上,结果不巧,此时rabbitmq挂了,就会导致内存里的一点点数据会丢失。

3)消费端弄丢了数据

rabbitmq如果丢失了数据,主要是因为你消费的时候,刚消费到,还没处理,结果进程挂了,比如重启了,那么就尴尬了,rabbitmq认为你都消费了,这数据就丢了。

这个时候得用rabbitmq提供的ack机制,简单来说,就是你关闭rabbitmq自动ack,可以通过一个api来调用就行,然后每次你自己代码里确保处理完的时候,再程序里ack一把。这样的话,如果你还没处理完,不就没有ack?那rabbitmq就认为你还没处理完,这个时候rabbitmq会把这个消费分配给别的consumer去处理,消息是不会丢的。


(2)kafka

1)消费端弄丢了数据

唯一可能导致消费者弄丢数据的情况,就是说,你那个消费到了这个消息,然后消费者那边自动提交了offset,让kafka以为你已经消费好了这个消息,其实你刚准备处理这个消息,你还没处理,你自己就挂了,此时这条消息就丢咯。

这不是一样么,大家都知道kafka会自动提交offset,那么只要关闭自动提交offset,在处理完之后自己手动提交offset,就可以保证数据不会丢。但是此时确实还是会重复消费,比如你刚处理完,还没提交offset,结果自己挂了,此时肯定会重复消费一次,自己保证幂等性就好了。

生产环境碰到的一个问题,就是说我们的kafka消费者消费到了数据之后是写到一个内存的queue里先缓冲一下,结果有的时候,你刚把消息写入内存queue,然后消费者会自动提交offset。

然后此时我们重启了系统,就会导致内存queue里还没来得及处理的数据就丢失了



2)kafka弄丢了数据

这块比较常见的一个场景,就是kafka某个broker宕机,然后重新选举partiton的leader时。大家想想,要是此时其他的follower刚好还有些数据没有同步,结果此时leader挂了,然后选举某个follower成leader之后,他不就少了一些数据?这就丢了一些数据啊。

生产环境也遇到过,我们也是,之前kafka的leader机器宕机了,将follower切换为leader之后,就会发现说这个数据就丢了

所以此时一般是要求起码设置如下4个参数:

给这个topic设置replication.factor参数:这个值必须大于1,要求每个partition必须有至少2个副本

在kafka服务端设置min.insync.replicas参数:这个值必须大于1,这个是要求一个leader至少感知到有至少一个follower还跟自己保持联系,没掉队,这样才能确保leader挂了还有一个follower吧

在producer端设置acks=all:这个是要求每条数据,必须是写入所有replica之后,才能认为是写成功了

在producer端设置retries=MAX(很大很大很大的一个值,无限次重试的意思):这个是要求一旦写入失败,就无限重试,卡在这里了

我们生产环境就是按照上述要求配置的,这样配置之后,至少在kafka broker端就可以保证在leader所在broker发生故障,进行leader切换时,数据不会丢失

3)生产者会不会弄丢数据

如果按照上述的思路设置了ack=all,一定不会丢,要求是,你的leader接收到消息,所有的follower都同步到了消息之后,才认为本次写成功了。如果没满足这个条件,生产者会自动不断的重试,重试无限次。

数据的顺序性

1)rabbitmq保证数据的顺序性

如果存在多个消费者,那么就让每个消费者对应一个queue,然后把要发送 的数据全都放到一个queue,这样就能保证所有的数据只到达一个消费者从而保证每个数据到达数据库都是顺序的。

(1)rabbitmq:拆分多个queue,每个queue一个consumer,就是多一些queue而已,确实是麻烦点;或者就一个queue但是对应一个consumer,然后这个consumer内部用内存队列做排队,然后分发给底层不同的worker来处理

1)kafka保证数据的顺序性

 kafka 写入partion时指定一个key,列如订单id,那么消费者从partion中取出数据的时候肯定是有序的,当开启多个线程的时候可能导致数据不一致,这时候就需要内存队列,将相同的hash过的数据放在一个内存队列里,这样就能保证一条线程对应一个内存队列的数据写入数据库的时候顺序性的,从而可以开启多条线程对应多个内存队列

(2)kafka:一个topic,一个partition,一个consumer,内部单线程消费,写N个内存queue,然后N个线程分别消费一个内存queue即可



MQ积压几百万条数据怎么办?


这个是我们真实遇到过的一个场景,确实是线上故障了,这个时候要不然就是修复consumer的问题,让他恢复消费速度,然后傻傻的等待几个小时消费完毕。这个肯定不能在面试的时候说吧。

一个消费者一秒是1000条,一秒3个消费者是3000条,一分钟是18万条,1000多万条

所以如果你积压了几百万到上千万的数据,即使消费者恢复了,也需要大概1小时的时间才能恢复过来

一般这个时候,只能操作临时紧急扩容了,具体操作步骤和思路如下:

1)先修复consumer的问题,确保其恢复消费速度,然后将现有cnosumer都停掉

2)新建一个topic,partition是原来的10倍,临时建立好原先10倍或者20倍的queue数量

3)然后写一个临时的分发数据的consumer程序,这个程序部署上去消费积压的数据,消费之后不做耗时的处理,直接均匀轮询写入临时建立好的10倍数量的queue

4)接着临时征用10倍的机器来部署consumer,每一批consumer消费一个临时queue的数据

5)这种做法相当于是临时将queue资源和consumer资源扩大10倍,以正常的10倍速度来消费数据

6)等快速消费完积压数据之后,得恢复原先部署架构,重新用原先的consumer机器来消费消息

(2)这里我们假设再来第二个坑

假设你用的是rabbitmq,rabbitmq是可以设置过期时间的,就是TTL,如果消息在queue中积压超过一定的时间就会被rabbitmq给清理掉,这个数据就没了。那这就是第二个坑了。这就不是说数据会大量积压在mq里,而是大量的数据会直接搞丢。

这个情况下,就不是说要增加consumer消费积压的消息,因为实际上没啥积压,而是丢了大量的消息。我们可以采取一个方案,就是批量重导,这个我们之前线上也有类似的场景干过。就是大量积压的时候,我们当时就直接丢弃数据了,然后等过了高峰期以后,比如大家一起喝咖啡熬夜到晚上12点以后,用户都睡觉了。

这个时候我们就开始写程序,将丢失的那批数据,写个临时程序,一点一点的查出来,然后重新灌入mq里面去,把白天丢的数据给他补回来。也只能是这样了。

假设1万个订单积压在mq里面,没有处理,其中1000个订单都丢了,你只能手动写程序把那1000个订单给查出来,手动发到mq里去再补一次


(3)然后我们再来假设第三个坑

如果走的方式是消息积压在mq里,那么如果你很长时间都没处理掉,此时导致mq都快写满了,咋办?这个还有别的办法吗?没有,谁让你第一个方案执行的太慢了,你临时写程序,接入数据来消费,消费一个丢弃一个,都不要了,快速消费掉所有的消息。然后走第二个方案,到了晚上再补数据吧。

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