[转载] 基于Redis实现分布式消息队列

转载自http://www.linuxidc.com/Linux/2015-05/117661.htm

1、为什么需要消息队列？
当系统中出现“生产“和“消费“的速度或稳定性等因素不一致的时候，就需要消息队列，作为抽象层，弥合双方的差异。

举个例子：业务系统触发短信发送申请，但短信发送模块速度跟不上，需要将来不及处理的消息暂存一下，缓冲压力。
再举个例子：调远程系统下订单成本较高，且因为网络等因素，不稳定，攒一批一起发送。
再举个栗子，交互模块5：00到24：00和电商系统联通，和内部ERP断开。1：00到4：00和ERP联通，和电商系统断开。
再举个例子，服务员点菜快，厨师做菜慢。
再举个例子，到银行办事的人多，提供服务的窗口少。
乖乖排队吧。

2、使用消息队列有什么好处？
2.1、提高系统响应速度
使用了消息队列，生产者一方，把消息往队列里一扔，就可以立马返回，响应用户了。无需等待处理结果。

处理结果可以让用户稍后自己来取，如医院取化验单。也可以让生产者订阅（如：留下手机号码或让生产者实现listener接口、加入监听队列），有结果了通知。获得约定将结果放在某处，无需通知。

2.2、提高系统稳定性
考虑电商系统下订单，发送数据给生产系统的情况。
电商系统和生产系统之间的网络有可能掉线，生产系统可能会因维护等原因暂停服务。

如果不使用消息队列，电商系统数据发布出去，顾客无法下单，影响业务开展。
两个系统间不应该如此紧密耦合。应该通过消息队列解耦。同时让系统更健壮、稳定。

3、为什么需要分布式？
3.1、多系统协作需要分布式
消息队列中的数据需要在多个系统间共享数据才能发挥价值。
所以必须提供分布式通信机制、协同机制。

3.2、单系统内部署环境需要分布式
单系统内部，为了更好的性能、为了避免单点故障，多为集群环境。
集群环境中，应用运行在多台服务器的多个JVM中；数据也保存在各种类型的数据库或非数据库的多个节点上。
为了满足多节点协作需要，需要提供分布式的解决方案。

4、分布式环境下需要解决哪些问题
4.1、并发问题
需进行良好的并发控制。确保“线程安全“。

不要出现一个订单被出货两次。不要出现顾客A下的单，发货发给了顾客B等情况。

4.2、简单的、统一的操作机制
需定义简单的，语义明确的，业务无关的，恰当稳妥的统一的访问方式。

4.3、容错
控制好单点故障，确保数据安全。

4.4、可横向扩展
可便捷扩容。

5、如何实现？
成熟的消息队列中间件产品太多了，族繁不及备载。

成熟产品经过验证，接口规范，可扩展性强。

结合事业环境因素、组织过程遗产、实施运维考虑、技术路线考虑、开发人员情况等原因综合考虑，基于Redis自己做一个是最可行的选择。

如何做呢？
请听下回分解。

Ubuntu 14.04下Redis安装及简单测试 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101544.htm

Redis集群明细文档 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-09/90118.htm

Ubuntu 12.10下安装Redis（图文详解）+ Jedis连接Redis http://www.linuxidc.com/Linux/2013-06/85816.htm

Redis系列-安装部署维护篇 http://www.linuxidc.com/Linux/2012-12/75627.htm

CentOS 6.3安装Redis http://www.linuxidc.com/Linux/2012-12/75314.htm

Redis安装部署学习笔记 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-07/104306.htm

Redis配置文件redis.conf 详解 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-11/92524.htm

1、消息队列需提供哪些功能？
在功能设计上，我崇尚奥卡姆剃刀法则。
对于消息队列，只需要两个方法： 生产 和 消费。
具体的业务场景是任务队列，代码设计如下：

public abstract class TaskQueue{
private final String name ;
public String getName(){return this.name;}

public abstract void addTask(Serializable taskId);
public abstract Serializable popTask();
}

同时支持多个队列，每个队列都应该有个名字。final确保TaskQueue是线程安全的。TaskQueue的实现类也应该确保线程安全。

addTask向队列中添加一个任务。队列中仅保存任务的id，不存储任务的业务数据。

popTask从队列中取出一个任务来执行。
这种设计不是特别友好，因为她需要调用者自行保证任务执行成功，如果执行失败，自行确保重新把任务放回队列。 无论如何，这种机制是可以工作的。想想奥卡姆剃刀法则，我们先按照这个设计实现出来看看。
如果调用者把业务数据存在数据库中，业务数据中包含“状态“列，标识任务是否被执行，调用者需要自行管理这个状态，并控制事务。

popTask采用阻塞方式，还是非阻塞方式呢？
如果采用阻塞方式，队列中没任务的时候，客户端不会断开连接，只是等。
一般情况下，客户端会有多个worker抢着干活儿，几条狼一起等一个肉包子，画面太美。连接是重要资源，如果一直没活儿干，先放回池里，也不错。
先采用非阻塞的方式吧，如果队列是空的，popTask返回null，立即返回。

2、后续可能提供的功能
2.1、引入Task生命周期概念
应用场景不同，需求也不同。
在严格的应用场景中，需要确保每个Task执行“成功“了。
对于上面提到的popTask后不管的“模式“，这是另外一种“运行模式“，两种模式可以并行存在。

在这种新模式下，Task状态有3种：新创建（new，刚调用addTask加到队列中）、正在执行（in－process，调用popTask后，调用finish前）、完成（done，执行OK了，调用finishTask后）。
调整后的代码如下：

public abstract class TaskQueue{

private final String name ;
public String getName(){return this.name;}

public abstract int getMode();

public abstract void addTask(Serializable taskId);
public abstract Serializable popTask();
public abstract void finishTask(Serializable taskId);
}

2.2、增加批量取出任务的功能
popTask()一次取出一个任务，太磨叽了。
好比我们要买5瓶水，开车去超市买，每去一次买1瓶，有点儿啥。
我们需要一个一次取多个任务的方法。

public abstract class TaskQueue{
... ...
public abstract Serializable[] popTasks(long cnt);
}1
2.3、增加阻塞等待机制
想象一种场景：
小明同学，取出一个任务，发现干不了，放回队列，再去取，取出来发现还是干不了，又放回去。反反复复。
小明童鞋肿么了？可能是他干活需要网络，网络断了。可能是他做任务需要写磁盘，磁盘满了。

如果小明像邻居家的孩子一样优秀，当他发现哪里不对的时候，他应该冷静下来，歇会儿。

但他万一不是呢？只有我们能帮他了。

假如队列中有10000个待办任务。
这时候小明来了。他失败100次后，我们应该拦他吗？不应该，除非他主动要求（在系统参数中配置）。5000次后呢？也不应该，除非他主动要求。我们的原则是：我们做的所有事情，对于调用者，都是可以预期的。

我们可以在系统参数中要求调用者设置一个阀值N，如果不设置，默认为100。连续失败N次后，让调用者睡一会儿，睡多长时间，让调用者配置。

假如我们的底层实现中包含待办子队列、重做子队列和完成子队列（这种设计好复杂！pop的时候先pop重做，还是先pop待办，复杂死了！但愿不需要这样）。
待办子队列中有10000个任务。

在小明失败10000次后，所有的任务都在重做子队列了。这时候我们应该拦他吗？
重做子队列要不要设置大小，超过之后，让下一个访问者等。
等的话就会涉及超时，超时后，任务也不能丢弃。
太复杂 了！设置一个连续失败次数的限制就够了！

2.4、考虑增加Task类
不保存任务的相关数据是基本原则，绝对不动摇。
增加Task类可以管理下生命周期，更有用的是，可以把Task本身设计成Listener，代码大概时这样的：

public abstract class Task{

public Serializable getId();
public int getState();

pubic void doTask();

public void whenAdded(final TaskQueue tq);
public void whenPoped(final TaskQueue tq);
// public void whenFaild(final TaskQueue tq);
public void whenFinished(final TaskQueue tq);
}

通过Task接口，我们可以对调用过程进行更强势的管理（如进行事务控制），对调用者施加更强的控制，用户也可以获得更多的交互机会，同TaskQueue有更好的交互（如在whenFinished中做持久化工作）。

但这些真的有必要吗？是不是太侵入了？注解的方式会好些吗？
再考虑吧。

2.5、增加系统参数
貌似需要个Config类了，不爽！
本来想做一个很小很精致的小东西的，如果必须再加吧。
如果做的话，需要支持properties、注解设置、api方式设置、Spring注入式设置，烦。

1、Redis是什么鬼？
Redis是一个简单的，高效的，分布式的，基于内存的缓存工具。
假设好服务器后，通过网络连接（类似数据库），提供Key－Value式缓存服务。

简单，是Redis突出的特色。
简单可以保证核心功能的稳定和优异。

2、性能
性能方面：Redis是足够高效的。
和Memecached对比，在数据量较小大情况下，Redis性能更优秀。
数据量大到一定程度的时候，Memecached性能稍好。

简单结论：但总体上讲Redis性能已经足够好。

// Ref： Redis性能测试 /article/5167948.html
原则：Value大小不要超过1390Byte。

经实验得知：
List操作和字符串操作性能相当，略差，几乎可以忽略。
使用Jedis自带pool，“每次从pool中取用完放回“ 和 “重用单个连接“ 相比，平均用时是3倍。这部分需要继续研究底层机制，采用更合理的实验方法进一步获得数据。
使用Jedis自带pool，性能上是满足当前访问量需要的，等有时间了再进一步深入。

3、数据类型
Redis支持5种数据类型：字符串、Map、List、Set、Sorted Set。
List特别适合用于实现队列。提供的操作包括：
从左侧（或右侧）放入一个元素，从右侧（或左侧）取出一个元素，读取某个范围的元素，删除某个范围的元素。

Sorted Set中元素是唯一的，可以通过名字找。
Map可以高效地通过key找。
假如我们需要实现finishTash（taskId），需要通过名字在队列中找元素，上面两个可能会用到。

4、原子操作
实现分布式队列首要问题是：不能出现并发问题。

Redis是底层是单线程的，命令执行是原子操作，支持事务，契合了我们的需求。

Redis直接提供的命令都是原子操作，包括lpush、rpop、blpush、brpop等。

Redis支持事务。通过类似 begin…[cancel]…commit的语法，提供begin…commit之间的命令为原子操作的功能，之间命令对数据的改变对其他操作是不可见的。类似关系型数据库中的存储过程，同时提供了最高级别的事务隔离级别。

Redis支持脚本，每个脚本的执行是原子性的。

做了一下并发测试：
写了个小程序，随机对List做push或pop操作，push的比pop的稍多。
记录每次处理的详细信息到数据库。
最后把List中数据都pop出来，详细记录每次pop详细信息。
统计push和pop是否相等，统计针对每条数据是否都有push和pop。
500并发，没有出现并发问题。

5、集群
实现分布式队列另一个重要问题是：不能出现单点故障。

Redis支持Master－Slave数据复制，从服务器设置 slave－of master－ip：port 即可。
集群功能可以由客户端提供。
客户端使用哨兵，可自动切换主服务器。

由于队列操作都是写操作，从服务器主要目的是备份数据，保证数据安全。

如果想基于 sharding 做多master集群，可以结合 zookeeper 自己做。

Redis 3.0支持集群了，还没细看，应该是个好消息，等大家都用起来，没什么问题的话，可以考虑试试看。

如果 master 宕掉，怎么办？
“哨兵”会选出一个新的master来。产生过程中，消息队列暂停服务。
最极端的情况，所有Redis都停了，当消息队列发现Redis停止响应时，对业务系统的请求应抛出异常，停止队列服务。
这样会影响业务，业务系统下订单、审批等操作会失败。如果可以接受，这是一种方案。
Redis整个集群宕掉，这种情况很少发生，如果真发生了，业务系统停止服务也是可以理解的。

如果想要在Redis整个集群宕掉的情况下，消息队列仍继续提供服务。
方法是这样的：
启用备用存储机制，可以是zookeeper、可以是关系型数据库、可以是另外可用的Memecached等。
本地内存存储是不可取的，首先，同步多个客户端虚拟机内存数据太复杂，相当于自己实现了一个Redis，其次，保证内存数据存储安全太复杂。
备用存储机制相当于实现了另外一个版本的消息队列，逻辑一致，底层存储不同。这个实现可以性能低一些，保证最基本的原则即可。
想要保证不出现并发问题，由于消息队列程序同时运行在多个虚拟机中，对象锁、方法锁无效。需要有一个独立于虚拟机的锁机制，zookeeper是个好选择。
将关系型数据库设置为最高级别的事务隔离级别，太傻了。除了zk有其他好办法吗？

Redis集群整个宕掉的同时Zookeeper也全军覆没怎么办？
这个问题是没有尽头的，提供了第二备用存储、第三备用存储、第四备用存储、…，理论上也会同时宕掉，那时候怎么办？
有钱任性的土豪可以继续，预算有限的情况，能做到哪步就做到哪步。

6、持久化
分布式队列的应用场景和缓存的应用场景是不一样的。

如果有没来得及持久化的数据怎么办？
从业务系统的角度，已经成功发送给消息队列了。
消息队列也以为Redis妥妥地收好了。
可Redis还没写到日记里，更没有及时通知小伙伴，挂了。可能是断电了，可能是进程被kill了。

后果会怎样？
已经执行过的任务会再次执行一遍。
已经放到队列中的任务，消失了。
标记为已经完成的任务，状态变为“进行中”了，然后又被执行了一遍。
后果不可接受。

分布式队列不允许丢数据。
从业务角度，哪怕丢1条数据也是无法接受的。
从运维角度，Redis丢数据后，如果可以及时发现并补救，也是可以接受的。

从架构角度，队列保存在Redis中，业务数据（包括任务状态）保存在关系型数据库中。
任务状态是从业务角度确定的，消息队列不应该干涉。如果业务状态没有统一的规范和定义，从业务数据比对任务队列是否全面正确，就只能交给业务开发方来做。
从分工上来看，任务队列的目的是管理任务执行的状态，业务系统把这个职责交给了任务队列，业务系统自身的任务状态维护未必准确。
结论：任务队列不能推卸责任，不能丢数据是核心功能，不能打折扣。

采用 Master－Slave 数据复制模式，配置bgsave，追加存储到aof。

在从服务器上配置bgsave，不影响master性能。

队列操作都是写操作，master任务繁重，能让slave分担的持久化工作，就不要master做。

rdb和aof两种方法都用上，多重保险。
appendfsync设为always。// 单节点测性能，连续100000次算平均时间，和per second比对，性能损失不大。
性能会有些许损失，但任务执行为异步操作，无需用户同步等待，为了保证数据安全，这样是值得的。

当运维需要重启Master服务器的时候，采取这样的顺序：
1. 通过 cli shutdown 停止master服务器， master交代完后事后，关掉自己。这时候“哨兵”会找一个新的master出来。
万万不可以直接kill或者直接打开防火墙中断master和slave之间的连接。
master 对外防火墙，停止对外服务，Master 自动切换到其他服务器上， 原 Master 继续持久化 aof，发送到原来各从服务器。
2. 在原 master 上进行运维操作。
3. 启动原 master，这时候它已经是从服务器了。耐心等待它从新 master 获取最新数据。观察 redis 日志输出，确认数据安全。
4. 对新的 master 重复1-3的操作。
5. 将以上操作写成脚本，自动化执行，避免人为错误。

1、访问Redis的工具类
public class RedisManager {

private static Pool<Jedis> pool;

protected final static Logger logger = Logger.getLogger(RedisManager.class);

static{
try {
init();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}

public static void init() throws Exception {

Properties props = ConfigManager.getProperties("redis");
logger.debug("初始化Redis连接池。");
if(props==null){
throw new RuntimeException("没有找到redis配置文件");
}
// 创建jedis池配置实例
JedisPoolConfig jedisPoolConfig = new JedisPoolConfig();
// 设置池配置项值
int poolMaxTotal = Integer.valueOf(props.getProperty("redis.pool.maxTotal").trim());
jedisPoolConfig.setMaxTotal(poolMaxTotal);

int poolMaxIdle = Integer.valueOf(props.getProperty("redis.pool.maxIdle").trim());
jedisPoolConfig.setMaxIdle(poolMaxIdle);

long poolMaxWaitMillis = Long.valueOf(props.getProperty("redis.pool.maxWaitMillis").trim());
jedisPoolConfig.setMaxWaitMillis(poolMaxWaitMillis);

logger.debug(String.format("poolMaxTotal: %s , poolMaxIdle : %s , poolMaxWaitMillis : %s ",
poolMaxTotal,poolMaxIdle,poolMaxWaitMillis));

// 根据配置实例化jedis池
String connectMode = props.getProperty("redis.connectMode");
String hostPortStr = props.getProperty("redis.hostPort");

logger.debug(String.format("host : %s ",hostPortStr));
logger.debug(String.format("mode : %s ",connectMode));

if(StringUtils.isEmpty(hostPortStr)){
throw new OptimusException("redis配置文件未配置主机-端口集");
}
String[] hostPortSet = hostPortStr.split(",");
if("single".equals(connectMode)){
String[] hostPort = hostPortSet[0].split(":");
pool = new JedisPool(jedisPoolConfig, hostPort[0], Integer.valueOf(hostPort[1].trim()));
}else if("sentinel".equals(connectMode)){
Set<String> sentinels = new HashSet<String>();
for(String hostPort : hostPortSet){
sentinels.add(hostPort);
}
pool = new JedisSentinelPool("mymaster", sentinels, jedisPoolConfig);
}
}

/**
* 使用完成后，必须调用 returnResource 还回。
* @return 获取Jedis对象
*/
public static Jedis getResource(){
Jedis jedis = pool.getResource();
if(logger.isDebugEnabled()){
logger.debug("获得链接：" + jedis);
}
return jedis;
}

/**
* 获取Jedis对象。
*
* 用完后，需要调用returnResource放回连接池。
*
* @param db 数据库序号
* @return
*/
public static Jedis getResource(int db){
Jedis jedis = pool.getResource();
jedis.select(db);
if(logger.isDebugEnabled()){
logger.debug("获得链接：" + jedis);
}
return jedis;
}

/**
* @param jedis
*/
public static void returnResource(Jedis jedis){
if(jedis!=null){
pool.returnResource(jedis);
if(logger.isDebugEnabled()){
logger.debug("放回链接：" + jedis);
}
}
}

/**
* 需要通过Spring确认这个方法被调用。
* @throws Exception
*/
public static void destroy() throws Exception {
pool.destroy();
}
}

这个类没有通过技术手段强制调用returnResource和destroy，需要想想办法。

2、队列接口
public interface TaskQueue {

/**
* 获取队列名
* @return
*/
String getName();

/**
* 往队列中添加任务
* @param task
*/
void pushTask(String task);

/**
* 从队列中取出一个任务
* @return
*/
String popTask();

}

用String类型描述任务，也可以考虑byte[]，要求对每个任务描述的数据尽可能短。

3、队列的Redis实现类
/**
* 任务队列Redis实现。
*
* 采用每次获取Jedis并放回pool的方式。
* 如果获得Jedis后一直不放手，反复重用，两个操作耗时可以降低1/3。
* 暂时先忍受这种低性能，不明确Jedis是否线程安全。
*
*/
public class TaskQueueRedisImpl implements TaskQueue {

private final static int REDIS_DB_IDX = 9;

private final static Logger logger = Logger.getLogger(TaskQueueRedisImpl.class);

private final String name;

/**
* 构造函数。
*
* @param name
*/
public TaskQueueRedisImpl(String name) {
this.name = name;
}

/* (non-Javadoc)
* @see com.gwssi.common.mq.TaskQueue#getName()
*/
public String getName() {
return this.name;
}
/* (non-Javadoc)
* @see com.gwssi.common.mq.TaskQueue#pushTask(String)
*/
public void pushTask(String task) {
Jedis jedis = null;
try{
jedis = RedisManager.getResource(REDIS_DB_IDX);
jedis.lpush(this.name, task);
}catch(Throwable e){
logger.error(e.getMessage(),e);
}finally{
if(jedis!=null){
RedisManager.returnResource(jedis);
}
}
}

/* (non-Javadoc)
* @see com.gwssi.common.mq.TaskQueue#popTask()
*/
public String popTask() {
Jedis jedis = null;
String task = null;
try{
jedis = RedisManager.getResource(REDIS_DB_IDX);
task = jedis.rpop(this.name);
}catch(Throwable e){
logger.error(e.getMessage(),e);
}finally{
if(jedis!=null){
RedisManager.returnResource(jedis);
}
}
return task;
}

}

4、获取队列实例的工具类
/**
* <pre>
* // 获得队列
* TaskQueue tq = TaskQueueManager.get(TaskQueueManager.SMS_QUEUE);
*
* // 添加任务到队列
* String task = "task id";
* tq.pushTask(task);
*
* // 从队列中取出任务执行
* String taskToDo = tq.popTask();
* </pre>
* @author liuhailong
*/
public class TaskQueueManager {

protected final static Logger logger = Logger.getLogger(TaskQueueManager.class);

private static Map<String, TaskQueueRedisImpl> queneMap = new ConcurrentHashMap<String, TaskQueueRedisImpl>();

/**
* 短信队列名。
*/
public static final String SMS_QUEUE = "SMS_QUEUE";

/**
* 规则队列名。
*/
public static final String RULE_QUEUE = "RULE_QUEUE";

private static void initQueneMap() {
logger.debug("初始化任务队列...");
queneMap.put(RULE_QUEUE, new TaskQueueRedisImpl(RULE_QUEUE));
logger.debug("建立队列："+RULE_QUEUE);
queneMap.put(SMS_QUEUE, new TaskQueueRedisImpl(SMS_QUEUE));
logger.debug("建立队列："+SMS_QUEUE);
}

static {
initQueneMap();
}

public static TaskQueue get(String name){
return getRedisTaskQueue(name);
}

public static TaskQueue getRedisTaskQueue(String name){
return queneMap.get(name);
}

}

和具体的队列过于紧耦合，但简单好用。
先跑起来再说。

5、向队列中添加任务的代码
TaskQueue tq = TaskQueueManager.get(TaskQueueManager.SMS_QUEUE);
tq.pushTask(smsMessageId);1
6、从队列中取出任务执行的代码
public class SmsSendTask{

protected final static Logger logger = Logger.getLogger(SmsSendTask.class);

protected static SmsSendService smsSendService = new SmsSendServiceUnicomImpl();
/**
* 入口方法。
*/
public void execute() {
TaskQueue taskQueue = null;
String task = null;
try {
taskQueue = TaskQueueManager.get(TaskQueueManager.SMS_QUEUE);

// 非线程安全
Set<Serializable> executedTaskSet = new HashSet<Serializable>();

task = taskQueue.popTask();
while(task!=null){
// 判断是否把所有任务都执行一遍了，避免死循环
if(executedTaskSet.contains(task)){
taskQueue.pushTask(task);
break;
}

executeSingleTask(taskQueue,task);

task = taskQueue.popTask();
}
}catch(Throwable e){
logger.error(e.getMessage(),e);
e.printStackTrace();
}
}

/**
* 发送单条短信。
*
* 取出任务并执行，如果失败，放回任务列表。
*
* @param taskQueue
* @param task
*/
@SuppressWarnings({ "rawtypes", "unchecked" })
private void executeSingleTask(TaskQueue taskQueue, String task) {
try {
// do the job
String smsId = task;
Map<String,String> sms = smsSendService.getSmsList(smsId);

smsSendService.send(sms);

smsSendService.updateSmsStatus(task,SmsSendService.STATUS_SENT);

String opType = "2";
TaskQueueUtil.taskLog(taskQueue.getName(), opType, task);
} catch (Throwable e) {
if(task!=null){
taskQueue.pushTask(task);
smsSendService.updateSmsStatus(task,SmsSendService.STATUS_WAIT);
if(logger.isDebugEnabled()){
logger.error(String.format("任务%s执行失败：%s，重新放回队列", task, e.getMessage()));
}
}else {
e.printStackTrace();
}
}
}

}

这部分代码是固定模式，而且不这样做存在重大缺陷，会有任务执行失败，被丢弃，这部分代码应该写到队列实现中。
有空再改。