消息中间件的通信一
文章摘要：借用小厮的一句话“消息队列的本质在于消息的发送、存储和接收”。那么，对于一款消息队列来说，如何做到消息的高效发送与接收是重点和关键
一、RocketMQ中Remoting通信模块概览
RocketMQ消息队列的整体部署架构如下图所示：
先来说下RocketMQ消息队列集群中的几个角色：
（1）NameServer：在MQ集群中做的是做命名服务，更新和路由发现 broker服务；
（2）Broker-Master：broker 消息主机服务器；
（3）Broker-Slave：broker 消息从机服务器；
（4）Producer：消息生产者；
（5）Consumer：消息消费者；
其中，RocketMQ集群的一部分通信如下：
（1）Broker启动后需要完成一次将自己注册至NameServer的操作；随后每隔30s时间定期向NameServer上报Topic路由信息；
（2）消息生产者Producer作为客户端发送消息时候，需要根据Msg的Topic从本地缓存的TopicPublishInfoTable获取路由信息。如果没有则更新路由信息会从NameServer上重新拉取；
（3）消息生产者Producer根据（2）中获取的路由信息选择一个队列（MessageQueue）进行消息发送；Broker作为消息的接收者收消息并落盘存储；
从上面（1）~（3）中可以看出在消息生产者, Broker和NameServer之间都会发生通信（ 这里只说了MQ的部分通信），因此如何设计一个良好的网络通信模块在MQ中至关重要，它将决定RocketMQ集群整体的消息传输能力与最终的性能。
rocketmq-remoting 模块是 RocketMQ消息队列中负责网络通信的模块，它几乎被其他所有需要网络通信的模块（诸如rocketmq-client、rocketmq-server、rocketmq-namesrv）所依赖和引用。为了实现客户端与服务器之间高效的数据请求与接收，RocketMQ消息队列自定义了通信协议并在Netty的基础之上扩展了通信模块。**ps:鉴于RocketMQ的通信模块是建立在Netty基础之上的，因此在阅读RocketMQ的源码之前，读者最好先对Netty的多线程模型、JAVA NIO模型均有一定的了解，这样子理解RocketMQ源码会较为快一些。**作者阅读的RocketMQ版本是4.2.0, 依赖的netty版本是4.0.42.Final. RocketMQ的代码结构图如下:
源码部分主要可以分为 rocketmq-broker，rocketmq-client，rocketmq-common，rocketmq-filterSrv，rocketmq-namesrv和rocketmq-remoting等模块，通信框架就封装在rocketmq-remoting模块中。
本文主要从RocketMQ的协议格式，消息编解码，通信方式(同步/异步/单向)和具体的发送/接收消息的通信流程来进行阐述等。
二、RocketMQ中Remoting通信模块的具体实现
1、Remoting通信模块的类结构图
从类层次结构来看：
（1）RemotingService：为最上层的接口，提供了三个方法：
1. `void start();`
2. `void shutdown();`
3. `void registerRPCHook(RPCHook rpcHook);`
（2）RemotingClient/RemotingSever：两个接口继承了最上层接口—RemotingService，分别各自为Client和Server提供所必需的方法，下面所列的是RemotingServer的方法：
void registerProcessor(final int requestCode, final NettyRequestProcessor processor,
final ExecutorService executor);
void registerDefaultProcessor(final NettyRequestProcessor processor, final ExecutorService executor);
int localListenPort();
Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService> getProcessorPair(final int requestCode);
RemotingCommand invokeSync(final Channel channel, final RemotingCommand request,
final long timeoutMillis) throws InterruptedException, RemotingSendRequestException,
RemotingTimeoutException;
void invokeAsync(final Channel channel, final RemotingCommand request, final long timeoutMillis,
final InvokeCallback invokeCallback) throws InterruptedException,
RemotingTooMuchRequestException, RemotingTimeoutException, RemotingSendRequestException;
void invokeOneway(final Channel channel, final RemotingCommand request, final long timeoutMillis)
throws InterruptedException, RemotingTooMuchRequestException, RemotingTimeoutException,
RemotingSendRequestException;
（3）NettyRemotingAbstract：Netty通信处理的抽象类，定义并封装了Netty处理的公共处理方法；
（4）NettyRemotingClient以及****NettyRemotingServer：分别实现了RemotingClient和RemotingServer, 都继承了NettyRemotingAbstract抽象类。RocketMQ中其他的组件（如client、nameServer、broker在进行消息的发送和接收时均使用这两个组件）
2、消息的协议设计与编码解码
在Client和Server之间完成一次消息发送时，需要对发送的消息进行一个协议约定，因此就有必要自定义RocketMQ的消息协议。同时，为了高效地在网络中传输消息和对收到的消息读取，就需要对消息进行编解码。在RocketMQ中， RemotingCommand 这个类在消息传输过程中对所有数据内容的封装，不但包含了所有的数据结构，还包含了编码解码操作。
RemotingCommand类的部分成员变量如下：
Header字段类型Request说明Response说明codeint请求操作码，应答方根据不同的请求码进行不同的业务处理应答响应码。0表示成功，非0则表示各种错误languageLanguageCode请求方实现的语言应答方实现的语言versionint请求方程序的版本应答方程序的版本opaqueint相当于reqeustId，在同一个连接上的不同请求标识码，与响应消息中的相对应应答不做修改直接返回flagint区分是普通RPC还是onewayRPC得标志区分是普通RPC还是onewayRPC得标志remarkString传输自定义文本信息传输自定义文本信息extFieldsHashMap请求自定义扩展信息响应自定义扩展信息
这里展示下Broker向NameServer发送一次心跳注册的报文：
[
code=103,//这里的103对应的code就是broker向nameserver注册自己的消息
language=JAVA,
version=137,
opaque=58,//这个就是requestId
flag(B)=0,
remark=null,
extFields={
brokerId=0,
clusterName=DefaultCluster,
brokerAddr=ip1: 10911,
haServerAddr=ip1: 10912,
brokerName=LAPTOP-SMF2CKDN
},
serializeTypeCurrentRPC=JSON
可见传输内容主要可以分为以下4部分：
（1）消息长度：总长度，四个字节存储，占用一个int类型；
（2）序列化类型&消息头长度：同样占用一个int类型，第一个字节表示序列化类型，后面三个字节表示消息头长度；
（3）消息头数据：经过序列化后的消息头数据；
（4）消息主体数据：消息主体的二进制字节数据内容；
消息的编码和解码分别在RemotingCommand类的encode和decode方法中完成，下面是消息编码encode方法的具体实现：
public ByteBuffer encode() {
// 1> header length size
int length = 4; //消息总长度
// 2> header data length
//将消息头编码成byte[]
byte[] headerData = this.headerEncode();
//计算头部长度
length += headerData.length;
// 3> body data length
if (this.body != null) {
//消息主体长度
length += body.length;
}
//分配ByteBuffer, 这边加了4,
//这是因为在消息总长度的计算中没有将存储头部长度的4个字节计算在内
ByteBuffer result = ByteBuffer.allocate(4 + length);
// length
//将消息总长度放入ByteBuffer
result.putInt(length);
// header length
//将消息头长度放入ByteBuffer
result.put(markProtocolType(headerData.length, serializeTypeCurrentRPC));
// header data
//将消息头数据放入ByteBuffer
result.put(headerData);
// body data;
if (this.body != null) {
//将消息主体放入ByteBuffer
result.put(this.body);
}
//重置ByteBuffer的position位置
result.flip();
return result;
}
/**
* markProtocolType方法是将RPC类型和headerData长度编码放到一个byte[4]数组中
*
* @param source
* @param type
* @return
*/
public static byte[] markProtocolType(int source, SerializeType type) {
byte[] result = new byte[4];
result[0] = type.getCode();
//右移16位后再和255与->“16-24位”
result[1] = (byte) ((source >> 16) & 0xFF);
//右移8位后再和255与->“8-16位”
result[2] = (byte) ((source >> 8) & 0xFF);
//右移0位后再和255与->“8-0位”
result[3] = (byte) (source & 0xFF);
return result;
}
消息解码decode方法是编码的逆向过程，其具体实现如下：
public static RemotingCommand decode(final ByteBuffer byteBuffer) {
//获取byteBuffer的总长度
int length = byteBuffer.limit();
//获取前4个字节，组装int类型，该长度为总长度
int oriHeaderLen = byteBuffer.getInt();
//获取消息头的长度，这里和0xFFFFFF做与运算，编码时候的长度即为24位
int headerLength = getHeaderLength(oriHeaderLen);
byte[] headerData = new byte[headerLength];
byteBuffer.get(headerData);
RemotingCommand cmd = headerDecode(headerData, getProtocolType(oriHeaderLen));
int bodyLength = length - 4 - headerLength;
byte[] bodyData = null;
if (bodyLength > 0) {
bodyData = new byte[bodyLength];
byteBuffer.get(bodyData);
}
cmd.body = bodyData;
return cmd;
}
3、消息的通信方式和通信流程
在RocketMQ消息队列中支持通信的方式主要有以下三种：
（1）同步(sync)
（2）异步(async)
（3）单向(oneway)
其中“同步”通信模式相对简单，一般用在发送心跳包场景下，无需关注其Response。本文将主要介绍RocketMQ的异步通信流程（限于篇幅，读者可以按照同样的模式进行分析同步通信流程）。
下面先给出了RocketMQ异步通信的整体流程图：
RocketMQ异步通信的整体时序图.png
下面两小节内容主要介绍了Client端发送请求消息和Server端接收消息的具体实现，其中对于Client端的回调可以参考RocketMQ的源码来分析这里就不做详细介绍。
3.1、Client发送请求消息的具体实现
当客户端调用异步通信接口—invokeAsync时候，先由RemotingClient的实现类—NettyRemotingClient根据addr获取相应的channel（如果本地缓存中没有则创建），随后调用invokeAsyncImpl方法，将数据流转给抽象类NettyRemotingAbstract处理（ 真正做完发送请求动作的是在NettyRemotingAbstract抽象类的invokeAsyncImpl方法里面）。具体发送请求消息的源代码如下所示：
/**
* invokeAsync（异步调用）
*
* @param channel
* @param request
* @param timeoutMillis
* @param invokeCallback
* @throws InterruptedException
* @throws RemotingTooMuchRequestException
* @throws RemotingTimeoutException
* @throws RemotingSendRequestException
*/
public void invokeAsyncImpl(final Channel channel, final RemotingCommand request, final long timeoutMillis,
final InvokeCallback invokeCallback)
throws InterruptedException, RemotingTooMuchRequestException, RemotingTimeoutException, RemotingSendRequestException {
//相当于request ID, RemotingCommand会为每一个request产生一个request ID, 从0开始, 每次加1
final int opaque = request.getOpaque();
boolean acquired = this.semaphoreAsync.tryAcquire(timeoutMillis, TimeUnit.MILLISECONDS);
if (acquired) {
final SemaphoreReleaseOnlyOnce once = new SemaphoreReleaseOnlyOnce(this.semaphoreAsync);
//根据request ID构建ResponseFuture
final ResponseFuture responseFuture = new ResponseFuture(opaque, timeoutMillis, invokeCallback, once);
//将ResponseFuture放入responseTable
this.responseTable.put(opaque, responseFuture);
try {
//使用Netty的channel发送请求数据
channel.writeAndFlush(request).addListener(new ChannelFutureListener() {
//消息发送后执行
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture f) throws Exception {
if (f.isSuccess()) {
//如果发送消息成功给Server，那么这里直接Set后return
responseFuture.setSendRequestOK(true);
return;
} else {
responseFuture.setSendRequestOK(false);
}
responseFuture.putResponse(null);
responseTable.remove(opaque);
try {
//执行回调
executeInvokeCallback(responseFuture);
} catch (Throwable e) {
log.warn("excute callback in writeAndFlush addListener, and callback throw", e);
} finally {
//释放信号量
responseFuture.release();
}
log.warn("send a request command to channel <{}> failed.", RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(channel));
}
});
} catch (Exception e) {
//异常处理
responseFuture.release();
log.warn("send a request command to channel <" + RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(channel) + "> Exception", e);
throw new RemotingSendRequestException(RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(channel), e);
}
} else {
if (timeoutMillis <= 0) {
throw new RemotingTooMuchRequestException("invokeAsyncImpl invoke too fast");
} else {
String info =
String.format("invokeAsyncImpl tryAcquire semaphore timeout, %dms, waiting thread nums: %d semaphoreAsyncValue: %d",
timeoutMillis,
this.semaphoreAsync.getQueueLength(),
this.semaphoreAsync.availablePermits()
);
log.warn(info);
throw new RemotingTimeoutException(info);
}
}
}
在Client端发送请求消息时有个比较重要的数据结构需要注意下：
（1）responseTable—保存请求码与响应关联映射
protected final ConcurrentHashMap<Integer /* opaque */, ResponseFuture> responseTable
opaque表示请求发起方在同个连接上不同的请求标识代码，每次发送一个消息的时候，可以选择同步阻塞/异步非阻塞的方式。无论是哪种通信方式，都会保存请求操作码至ResponseFuture的Map映射—responseTable中。
（2）ResponseFuture—保存返回响应（包括回调执行方法和信号量）
public ResponseFuture(int opaque, long timeoutMillis, InvokeCallback invokeCallback,
SemaphoreReleaseOnlyOnce once) {
this.opaque = opaque;
this.timeoutMillis = timeoutMillis;
this.invokeCallback = invokeCallback;
this.once = once;
}
对于同步通信来说，第三、四个参数为null；而对于异步通信来说，invokeCallback是在收到消息响应的时候能够根据responseTable找到请求码对应的回调执行方法，semaphore参数用作流控，当多个线程同时往一个连接写数据时可以通过信号量控制permit同时写许可的数量。
（3）异常发送流程处理—定时扫描responseTable本地缓存
在发送消息时候，如果遇到异常情况（比如服务端没有response返回给客户端或者response因网络而丢失），上面所述的responseTable的本地缓存Map将会出现堆积情况。这个时候需要一个定时任务来专门做responseTable的清理回收。在RocketMQ的客户端/服务端启动时候会产生一个频率为1s调用一次来的定时任务检查所有的responseTable缓存中的responseFuture变量，判断是否已经得到返回, 并进行相应的处理。
public void scanResponseTable() {
final List<ResponseFuture> rfList = new LinkedList<ResponseFuture>();
Iterator<Entry<Integer, ResponseFuture>> it = this.responseTable.entrySet().iterator();
while (it.hasNext()) {
Entry<Integer, ResponseFuture> next = it.next();
ResponseFuture rep = next.getValue();
if ((rep.getBeginTimestamp() + rep.getTimeoutMillis() + 1000) <= System.currentTimeMillis()) {
rep.release();
it.remove();
rfList.add(rep);
log.warn("remove timeout request, " + rep);
}
}
for (ResponseFuture rf : rfList) {
try {
executeInvokeCallback(rf);
} catch (Throwable e) {
log.warn("scanResponseTable, operationComplete Exception", e);
}
}
}
3.2、Server端接收消息并进行处理的具体实现
Server端接收消息的处理入口在NettyServerHandler类的channelRead0方法中，其中调用了processMessageReceived方法（这里省略了Netty服务端消息流转的大部分流程和逻辑）。其中服务端最为重要的处理请求方法实现如下：
public void processRequestCommand(final ChannelHandlerContext ctx, final RemotingCommand cmd) {
//根据RemotingCommand中的code获取processor和ExecutorService
final Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService> matched = this.processorTable.get(cmd.getCode());
final Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService> pair = null == matched ? this.defaultRequestProcessor : matched;
final int opaque = cmd.getOpaque();
if (pair != null) {
Runnable run = new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
//rpc hook
RPCHook rpcHook = NettyRemotingAbstract.this.getRPCHook();
if (rpcHook != null) {
rpcHook.doBeforeRequest(RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(ctx.channel()), cmd);
}
//processor处理请求
final RemotingCommand response = pair.getObject1().processRequest(ctx, cmd);
//rpc hook
if (rpcHook != null) {
rpcHook.doAfterResponse(RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(ctx.channel()), cmd, response);
}
if (!cmd.isOnewayRPC()) {
if (response != null) {
response.setOpaque(opaque);
response.markResponseType();
try {
ctx.writeAndFlush(response);
} catch (Throwable e) {
PLOG.error("process request over, but response failed", e);
PLOG.error(cmd.toString());
PLOG.error(response.toString());
}
} else {
}
}
} catch (Throwable e) {
if (!"com.aliyun.openservices.ons.api.impl.authority.exception.AuthenticationException"
.equals(e.getClass().getCanonicalName())) {
PLOG.error("process request exception", e);
PLOG.error(cmd.toString());
}
if (!cmd.isOnewayRPC()) {
final RemotingCommand response = RemotingCommand.createResponseCommand(RemotingSysResponseCode.SYSTEM_ERROR, //
RemotingHelper.exceptionSimpleDesc(e));
response.setOpaque(opaque);
ctx.writeAndFlush(response);
}
}
}
};
if (pair.getObject1().rejectRequest()) {
final RemotingCommand response = RemotingCommand.createResponseCommand(RemotingSysResponseCode.SYSTEM_BUSY,
"[REJECTREQUEST]system busy, start flow control for a while");
response.setOpaque(opaque);
ctx.writeAndFlush(response);
return;
}
try {
//封装requestTask
final RequestTask requestTask = new RequestTask(run, ctx.channel(), cmd);
//想线程池提交requestTask
pair.getObject2().submit(requestTask);
} catch (RejectedExecutionException e) {
if ((System.currentTimeMillis() % 10000) == 0) {
PLOG.warn(RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(ctx.channel()) //
+ ", too many requests and system thread pool busy, RejectedExecutionException " //
+ pair.getObject2().toString() //
+ " request code: " + cmd.getCode());
}
if (!cmd.isOnewayRPC()) {
final RemotingCommand response = RemotingCommand.createResponseCommand(RemotingSysResponseCode.SYSTEM_BUSY,
"[OVERLOAD]system busy, start flow control for a while");
response.setOpaque(opaque);
ctx.writeAndFlush(response);
}
}
} else {
String error = " request type " + cmd.getCode() + " not supported";
//构建response
final RemotingCommand response =
RemotingCommand.createResponseCommand(RemotingSysResponseCode.REQUEST_CODE_NOT_SUPPORTED, error);
response.setOpaque(opaque);
ctx.writeAndFlush(response);
PLOG.error(RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(ctx.channel()) + error);
}
}
上面的请求处理方法中根据RemotingCommand的请求业务码来匹配到相应的业务处理器；然后生成一个新的线程提交至对应的业务线程池进行异步处理。
（1）processorTable—请求业务码与业务处理、业务线程池的映射变量
protected final HashMap<Integer/* request code */, Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService>> processorTable =
new HashMap<Integer, Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService>>(64);
我想RocketMQ这种做法是为了给不同类型的请求业务码指定不同的处理器Processor处理，同时消息实际的处理并不是在当前线程，而是被封装成task放到业务处理器Processor对应的线程池中完成异步执行。( 在RocketMQ中能看到很多地方都是这样的处理，这样的设计能够最大程度的保证异步，保证每个线程都专注处理自己负责的东西）
三、总结
刚开始看RocketMQ源码—RPC通信模块可能觉得略微有点复杂，但是只要能够抓住Client端发送请求消息、Server端接收消息并处理的流程以及回调过程来分析和梳理，那么整体来说并不复杂。RPC通信部分也是RocketMQ源码中最重要的部分之一，想要对其中的全过程和细节有更为深刻的理解，还需要多在本地环境Debug和分析对应的日志。同时，鉴于篇幅所限，本篇还没有来得及对RocketMQ的Netty多线程模型进行介绍，将在消息中间件—RocketMQ的RPC通信（二）篇中来做详细地介绍。
在此顺便为自己打个Call，有兴趣的朋友可以关注下我的个人公众号：“匠心独运的博客”，对于Java并发、Spring、数据库和消息队列的一些细节、问题�
- 原文作者：知识铺
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