剖析nsq消息隊列(三) 消息傳輸的可靠性和持久化[一]

[剖析nsq消息隊列-目錄](https://www.cnblogs.com/li-peng/p/11868123.html)

上兩篇帖子主要說了一下nsq的拓撲結構，如何進行故障處理和橫向擴展,保證了客戶端和服務端的長連接，連接保持了，就要傳輸數據了，nsq如何保證消息被訂閱者消費，如何保證消息不丟失，就是今天要闡述的內容。

nsq topic、channel、和消費我客戶端的結構如上圖，一個topic下有多個channel每個channel可以被多個客戶端訂閱。
消息處理的大概流程:當一個消息被nsq接收後，傳給相應的topic,topic把消息傳遞給所有的channel ,channel根據算法選擇一個訂閱客戶端，把消息發送給客戶端進行處理。
看上去這個流程是沒有問題的，我們來思考幾個問題

網絡傳輸的不確定性，比如超時；客戶端處理消息時崩潰等，消息如何重傳；
如何標識消息被客戶端成功處理完畢；
消息的持久化，nsq服務端重新啓動時消息不丟失；

服務端對發送中的消息處理邏輯

之前的帖子說過客戶端和服務端進行連接後，會啓動一個gorouting來發送信息給客戶端

    go p.messagePump(client, messagePumpStartedChan)

然後會監聽客戶端發過來的命令client.Reader.ReadSlice('\n')
服務端會定時檢查client端的連接狀態，讀取客戶端發過來的各種命令，發送心跳等。每一個連接最終的目的就是監聽channel的消息，發送給客戶端進行消費。
當有消息發送給訂閱客戶端的時候，當然選擇哪個client也是有無則的，這個以後講，

func (p *protocolV2) messagePump(client *clientV2, startedChan chan bool) {
    // ...
    for {
        // ...
        case b := <-backendMsgChan:
            if sampleRate > 0 && rand.Int31n(100) > sampleRate {
                continue
            }

            msg, err := decodeMessage(b)
            if err != nil {
                p.ctx.nsqd.logf(LOG_ERROR, "failed to decode message - %s", err)
                continue
            }
            msg.Attempts++

            subChannel.StartInFlightTimeout(msg, client.ID, msgTimeout)
            client.SendingMessage()
            err = p.SendMessage(client, msg)
            if err != nil {
                goto exit
            }
            flushed = false
        case msg := <-memoryMsgChan:
            if sampleRate > 0 && rand.Int31n(100) > sampleRate {
                continue
            }
            msg.Attempts++

            subChannel.StartInFlightTimeout(msg, client.ID, msgTimeout)
            client.SendingMessage()
            err = p.SendMessage(client, msg)
            if err != nil {
                goto exit
            }
            flushed = false
        case <-client.ExitChan:
            goto exit
        }
    }

// ...
}

看一下這個方法調用subChannel.StartInFlightTimeout(msg, client.ID, msgTimeout)，在發送給客戶端之前，把這個消息設置爲在飛翔中，

// pushInFlightMessage atomically adds a message to the in-flight dictionary
func (c *Channel) pushInFlightMessage(msg *Message) error {
    c.inFlightMutex.Lock()
    _, ok := c.inFlightMessages[msg.ID]
    if ok {
        c.inFlightMutex.Unlock()
        return errors.New("ID already in flight")
    }
    c.inFlightMessages[msg.ID] = msg
    c.inFlightMutex.Unlock()
    return nil
}

然後發送給客戶端進行處理。
在發送中的數據，存在的各種不確定性，nsq的處理方式是：對發送給客戶端信息設置爲在飛翔中，如果在如果處理成功就把這個消息從飛翔中的狀態中去掉，如果在規定的時間內沒有收到客戶端的反饋，則認爲這個消息超時，然後重新歸隊，兩次進行處理。所以無論是哪種特殊情況，nsq統一認爲消息爲超時。

服務端處理超時消息

nsq對超時消息的處理，借鑑了redis的過期算法，但也不太一樣redis的更復雜一些，因爲redis是單線程的，還要處理佔用cpu時間等等，nsq因爲gorouting的存在要很簡單很多。
簡單來說，就是在nsq啓動的時候啓動協程去處理channel的過期數據

func (n *NSQD) Main() error {
    // ...
    // 啓動協程去處理channel的過期數據    
    n.waitGroup.Wrap(n.queueScanLoop)
    n.waitGroup.Wrap(n.lookupLoop)
    if n.getOpts().StatsdAddress != "" {
        n.waitGroup.Wrap(n.statsdLoop)
    }

    err := <-exitCh
    return err
}

當然不是每一個channel啓動一個協程來處理過期數據，而是有一些規定，我們看一下一些默認值，然後再展開講算法

    return &Options{
        // ...

        HTTPClientConnectTimeout: 2 * time.Second,
        HTTPClientRequestTimeout: 5 * time.Second,
        // 內存最大隊列數
        MemQueueSize:    10000,
        MaxBytesPerFile: 100 * 1024 * 1024,
        SyncEvery:       2500,
        SyncTimeout:     2 * time.Second,

        // 掃描channel的時間間隔
        QueueScanInterval:        100 * time.Millisecond,
        // 刷新掃描的時間間隔        
        QueueScanRefreshInterval: 5 * time.Second,
        QueueScanSelectionCount:  20,
        // 最大的掃描池數量        
        QueueScanWorkerPoolMax:   4,
        // 標識百分比        
        QueueScanDirtyPercent:    0.25,
        // 消息超時
        MsgTimeout:    60 * time.Second,
        MaxMsgTimeout: 15 * time.Minute,
        MaxMsgSize:    1024 * 1024,
        MaxBodySize:   5 * 1024 * 1024,
        MaxReqTimeout: 1 * time.Hour,
        ClientTimeout: 60 * time.Second,

        // ...
    }

這些參數都可以在啓動nsq的時候根據自己需要來指定，我們主要說一下這幾個：

QueueScanWorkerPoolMax就是最大協程數，默認是4，這個數是掃描所有channel的最大協程數，當然channel的數量小於這個參數的話，就調整協程的數量，以最小的爲準，比如channel的數量爲2個，而默認的是4個，那就調掃描的數量爲2個
QueueScanSelectionCount 每次掃描最大的channel數量，默認是20，如果channel的數量小於這個值，則以channel的數量爲準。
QueueScanDirtyPercent 標識髒數據 channel的百分比，默認爲0.25，eg: channel數量爲10,則一次最多掃描10個，查看每個channel是否有過期的數據，如果有，則標記爲這個channel是有髒數據的，如果有髒數據的channel的數量佔這次掃描的10個channel的比例超過這個百分比,則直接再次進行掃描一次，而不用等到下一次時間點。
QueueScanInterval 掃描channel的時間間隔，默認的是每100毫秒掃描一次。
QueueScanRefreshInterval 刷新掃描的時間間隔目前的處理方式是調整channel的協程數量。
這也就是nsq處理過期數據的算法，總結一下就是，使用協程定時去掃描隨機的channel裏是否有過期數據。

func (n *NSQD) queueScanLoop() {
    workCh := make(chan *Channel, n.getOpts().QueueScanSelectionCount)
    responseCh := make(chan bool, n.getOpts().QueueScanSelectionCount)
    closeCh := make(chan int)

    workTicker := time.NewTicker(n.getOpts().QueueScanInterval)
    refreshTicker := time.NewTicker(n.getOpts().QueueScanRefreshInterval)

    channels := n.channels()
    n.resizePool(len(channels), workCh, responseCh, closeCh)

    for {
        select {
        case <-workTicker.C:
            if len(channels) == 0 {
                continue
            }
        case <-refreshTicker.C:
            channels = n.channels()
            n.resizePool(len(channels), workCh, responseCh, closeCh)
            continue
        case <-n.exitChan:
            goto exit
        }

        num := n.getOpts().QueueScanSelectionCount
        if num > len(channels) {
            num = len(channels)
        }

    loop:
        // 隨機channel    
        for _, i := range util.UniqRands(num, len(channels)) {
            workCh <- channels[i]
        }

        numDirty := 0
        for i := 0; i < num; i++ {
            if <-responseCh {
                numDirty++
            }
        }

        if float64(numDirty)/float64(num) > n.getOpts().QueueScanDirtyPercent {
            goto loop
        }
    }

exit:
    n.logf(LOG_INFO, "QUEUESCAN: closing")
    close(closeCh)
    workTicker.Stop()
    refreshTicker.Stop()
}

在掃描channel的時候，如果發現有過期數據後，會重新放回到隊列，進行重發操作。

func (c *Channel) processInFlightQueue(t int64) bool {
    // ...
    for {
        c.inFlightMutex.Lock()
        msg, _ := c.inFlightPQ.PeekAndShift(t)
        c.inFlightMutex.Unlock()

        if msg == nil {
            goto exit
        }
        dirty = true

        _, err := c.popInFlightMessage(msg.clientID, msg.ID)
        if err != nil {
            goto exit
        }
        atomic.AddUint64(&c.timeoutCount, 1)
        c.RLock()
        client, ok := c.clients[msg.clientID]
        c.RUnlock()
        if ok {
            client.TimedOutMessage()
        }
        //重新放回隊列進行消費處理。      
        c.put(msg)
    }

exit:
    return dirty
}

客戶端對消息的處理和響應

之前的帖子中的例子中有說過，客戶端要消費消息，需要實現接口

type Handler interface {
    HandleMessage(message *Message) error
}

在服務端發送消息給客戶端後，如果在處理業務邏輯時，如果發生錯誤則給服務器發送Requeue命令告訴服務器，重新發送消息進處理。如果處理成功，則發送Finish命令

func (r *Consumer) handlerLoop(handler Handler) {
    r.log(LogLevelDebug, "starting Handler")

    for {
        message, ok := <-r.incomingMessages
        if !ok {
            goto exit
        }

        if r.shouldFailMessage(message, handler) {
            message.Finish()
            continue
        }

        err := handler.HandleMessage(message)
        if err != nil {
            r.log(LogLevelError, "Handler returned error (%s) for msg %s", err, message.ID)
            if !message.IsAutoResponseDisabled() {
                message.Requeue(-1)
            }
            continue
        }

        if !message.IsAutoResponseDisabled() {
            message.Finish()
        }
    }

exit:
    r.log(LogLevelDebug, "stopping Handler")
    if atomic.AddInt32(&r.runningHandlers, -1) == 0 {
        r.exit()
    }
}

服務端收到命令後，對飛翔中的消息進行處理，如果成功則去掉，如果是Requeue則執行歸隊和重發操作，或者進行defer隊列處理。

消息的持久化

默認的情況下，只有內存隊列不足時MemQueueSize:10000時，纔會把數據保存到文件內進行持久到硬盤。

    select {
    case c.memoryMsgChan <- m:
    default:
        b := bufferPoolGet()
        err := writeMessageToBackend(b, m, c.backend)
        bufferPoolPut(b)
        c.ctx.nsqd.SetHealth(err)
        if err != nil {
            c.ctx.nsqd.logf(LOG_ERROR, "CHANNEL(%s): failed to write message to backend - %s",
                c.name, err)
            return err
        }
    }
    return nil

如果將 --mem-queue-size 設置爲 0，所有的消息將會存儲到磁盤。我們不用擔心消息會丟失，nsq 內部機制保證在程序關閉時將隊列中的數據持久化到硬盤，重啓後就會恢復。
nsq自己開發了一個庫go-diskqueue來持久會消息到內存。這個庫的代碼量不多，理解起來也不難,代碼邏輯我想下一篇再講。
看一下保存在硬盤後的樣子：

剖析nsq消息隊列(三) 消息傳輸的可靠性和持久化[一]

服務端對發送中的消息處理邏輯

客戶端對消息的處理和響應

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