专栏首页微观技术关于消息队列,面试官一般都会问哪些?

关于消息队列,面试官一般都会问哪些?

1、为什么要使用消息队列?

解耦

看这么个场景。A 系统发送数据到 BCD 三个系统,通过接口调用发送。如果 E 系统也要这个数据呢?那如果 C 系统现在不需要了呢?A 系统负责人几乎崩溃......

在这个场景中,A 系统跟其它各种乱七八糟的系统严重耦合,A 系统产生一条比较关键的数据,很多系统都需要 A 系统将这个数据发送过来。A 系统要时时刻刻考虑 BCDE 四个系统如果挂了该咋办?要不要重发,要不要把消息存起来?头发都白了啊!

如果使用 MQ,A 系统产生一条数据,发送到 MQ 里面去,哪个系统需要数据自己去 MQ 里面消费。如果新系统需要数据,直接从 MQ 里消费即可;如果某个系统不需要这条数据了,就取消对 MQ 消息的消费即可。这样下来,A 系统压根儿不需要去考虑要给谁发送数据,不需要维护这个代码,也不需要考虑人家是否调用成功、失败超时等情况。

总结:通过一个 MQ,Pub/Sub 发布订阅消息这么一个模型,A 系统就跟其它系统彻底解耦了。

面试技巧:你需要去考虑一下你负责的系统中是否有类似的场景,就是一个系统或者一个模块,调用了多个系统或者模块,互相之间的调用很复杂,维护起来很麻烦。但是其实这个调用是不需要直接同步调用接口的,如果用 MQ 给它异步化解耦,也是可以的,你就需要去考虑在你的项目里,是不是可以运用这个 MQ 去进行系统的解耦。在简历中体现出来这块东西,用 MQ 作解耦。

异步

再来看一个场景,A 系统接收一个请求,需要在自己本地写库,还需要在 BCD 三个系统写库,自己本地写库要 3ms,BCD 三个系统分别写库要 300ms、450ms、200ms。最终请求总延时是 3 + 300 + 450 + 200 = 953ms,接近 1s,用户感觉搞个什么东西,慢死了慢死了。用户通过浏览器发起请求,等待个 1s,这几乎是不可接受的。

一般互联网类的企业,对于用户直接的操作,一般要求是每个请求都必须在 200 ms 以内完成,对用户几乎是无感知的。

如果使用 MQ,那么 A 系统连续发送 3 条消息到 MQ 队列中,假如耗时 5ms,A 系统从接受一个请求到返回响应给用户,总时长是 3 + 5 = 8ms,对于用户而言,其实感觉上就是点个按钮,8ms 以后就直接返回了,爽!网站做得真好,真快!

削峰

每天 0:00 到 12:00,A 系统风平浪静,每秒并发请求数量就 50 个。结果每次一到 12:00 ~ 13:00 ,每秒并发请求数量突然会暴增到 5k+ 条。但是系统是直接基于 MySQL 的,大量的请求涌入 MySQL,每秒钟对 MySQL 执行约 5k 条 SQL。

一般的 MySQL,扛到每秒 2k 个请求就差不多了,如果每秒请求到 5k 的话,可能就直接把 MySQL 给打死了,导致系统崩溃,用户也就没法再使用系统了。但是高峰期一过,到了下午的时候,就成了低峰期,可能也就 1w 的用户同时在网站上操作,每秒中的请求数量可能也就 50 个请求,对整个系统几乎没有任何的压力。

如果使用 MQ,每秒 5k 个请求写入 MQ,A 系统每秒钟最多处理 2k 个请求,因为 MySQL 每秒钟最多处理 2k 个。A 系统从 MQ 中慢慢拉取请求,每秒钟就拉取 2k 个请求,不要超过自己每秒能处理的最大请求数量就 ok,这样下来,哪怕是高峰期的时候,A 系统也绝对不会挂掉。而 MQ 每秒钟 5k 个请求进来,就 2k 个请求出去,结果就导致在中午高峰期(1 个小时),可能有几十万甚至几百万的请求积压在 MQ 中。

这个短暂的高峰期积压是 ok 的,因为高峰期过了之后,每秒钟就 50 个请求进 MQ,但是 A 系统依然会按照每秒 2k 个请求的速度在处理。所以说,只要高峰期一过,A 系统就会快速将积压的消息给解决掉。

2、消息队列有什么优缺点?

优点:解耦、异步、削峰。

缺点:

  • 系统可用性降低。系统引入的外部依赖越多,越容易挂掉。本来你就是 A 系统调用 BCD 三个系统的接口就好了,人 ABCD 四个系统好好的,没啥问题,你偏加个 MQ 进来,万一 MQ 挂了咋整,MQ 一挂,整套系统崩溃的,你不就完了?
  • 系统复杂度提高。硬生生加个 MQ 进来,你怎么保证消息没有重复消费?怎么处理消息丢失的情况?怎么保证消息传递的顺序性?头大头大,问题一大堆,痛苦不已。
  • 一致性问题 A 系统处理完了直接返回成功了,人都以为你这个请求就成功了;但是问题是,要是 BCD 三个系统那里,BD 两个系统写库成功了,结果 C 系统写库失败了,咋整?你这数据就不一致了。

所以消息队列实际是一种非常复杂的架构,你引入它有很多好处,但是也得针对它带来的坏处做各种额外的技术方案和架构来规避掉,做好之后,你会发现,妈呀,系统复杂度提升了一个数量级,也许是复杂了 10 倍。但是关键时刻,用,还是得用的。

3、如何保证消息队列的高可用?

Kafka 一个最基本的架构认识:由多个 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 RabbmitMQ 之类的,并不是分布式消息队列,它就是传统的消息队列,只不过提供了一些集群、HA(High Availability, 高可用性) 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。比如说,我们假设创建了一个 topic,指定其 partition 数量是 3 个,分别在三台机器上。但是,如果第二台机器宕机了,会导致这个 topic 的 1/3 的数据就丢了,因此这个是做不到高可用的。

Kafka 0.8 以后,提供了 HA 机制,就是 replica(复制品) 副本机制。每个 partition 的数据都会同步到其它机器上,形成自己的多个 replica 副本。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 上的数据即可。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 会均匀地将一个 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。如果这个宕机的 broker 上面有某个 partition 的 leader,那么此时会从 follower 中重新选举一个新的 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,但是只有当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。

4、如何保证消息消费的幂等性?

首先,比如 RabbitMQ、RocketMQ、Kafka,都有可能会出现消息重复消费的问题,正常。因为这问题通常不是 MQ 自己保证的,是由我们开发来保证的。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,代表消息的序号,然后 consumer 消费了数据之后,每隔一段时间(定时定期),会把自己消费过的消息的 offset 提交一下,表示“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。

举个栗子。有这么个场景。数据 1/2/3 依次进入 kafka,kafka 会给这三条数据每条分配一个 offset,代表这条数据的序号,我们就假设分配的 offset 依次是 152/153/154。消费者从 kafka 去消费的时候,也是按照这个顺序去消费。假如当消费者消费了 offset=153 的这条数据,刚准备去提交 offset 到 zookeeper,此时消费者进程被重启了。那么此时消费过的数据 1/2 的 offset 并没有提交,kafka 也就不知道你已经消费了 offset=153 这条数据。那么重启之后,消费者会找 kafka 说,嘿,哥儿们,你给我接着把上次我消费到的那个地方后面的数据继续给我传递过来。由于之前的 offset 没有提交成功,那么数据 1/2 会再次传过来,如果此时消费者没有去重的话,那么就会导致重复消费。

如果消费者干的事儿是拿一条数据就往数据库里写一条,会导致说,你可能就把数据 1/2 在数据库里插入了 2 次,那么数据就错啦。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。

举个例子吧。假设你有个系统,消费一条消息就往数据库里插入一条数据,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,自己判断一下是否已经消费过了,若是就直接扔了,这样不就保留了一条数据,从而保证了数据的正确性。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。

所以第二个问题来了,怎么保证消息队列消费的幂等性?其实还是得结合业务来思考,我这里给几个思路:

  • 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。
  • 比如你是写 Redis,那没问题了,反正每次都是 set,天然幂等性。
  • 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。
  • 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。因为有唯一键约束了,重复数据插入只会报错,不会导致数据库中出现脏数据。

5、如何处理消息丢失问题?

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,但其实你才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。

这不是跟 RabbitMQ 差不多吗,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。但是此时确实还是可能会有重复消费,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。

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 partition 的 leader。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,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 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。

生产者会不会弄丢数据?

如果按照上述的思路设置了 acks=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。如果不满足这个条件,生产者会自动不断的重试,重试无限次。

6、如何保证消息传递的顺序性?

我举个例子,我们以前做过一个 mysql binlog 同步的系统,压力还是非常大的,日同步数据要达到上亿,就是说数据从一个 mysql 库原封不动地同步到另一个 mysql 库里面去(mysql -> mysql)。常见的一点在于说比如大数据 team,就需要同步一个 mysql 库过来,对公司的业务系统的数据做各种复杂的操作。

你在 mysql 里增删改一条数据,对应出来了增删改 3 条 binlog 日志,接着这三条 binlog 发送到 MQ 里面,再消费出来依次执行,起码得保证人家是按照顺序来的吧?不然本来是:增加、修改、删除;你楞是换了顺序给执行成删除、修改、增加,不全错了么。

本来这个数据同步过来,应该最后这个数据被删除了;结果你搞错了这个顺序,最后这个数据保留下来了,数据同步就出错了。

先看看顺序会错乱的场景:

  • Kafka:比如说我们建了一个 topic,有三个 partition。生产者在写的时候,其实可以指定一个 key,比如说我们指定了某个订单 id 作为 key,那么这个订单相关的数据,一定会被分发到同一个 partition 中去,而且这个 partition 中的数据一定是有顺序的。消费者从 partition 中拉取数据的时候,也一定是有顺序的。到这里,顺序还是 ok 的,没有错乱。接着,我们在消费者里可能会搞多个线程来并发处理消息。因为如果消费者是单线程消费处理,而处理比较耗时的话,比如处理一条消息耗时几十 ms,那么 1 秒钟只能处理几十条消息,这吞吐量太低了。而多个线程并发跑的话,顺序可能就乱掉了。

解决方案

Kafka

  • 一个 topic,一个 partition,一个 consumer,内部单线程消费,单线程吞吐量太低,一般不会用这个。
  • 写 N 个内存 queue,具有相同 key 的数据都到同一个内存 queue;然后对于 N 个线程,每个线程分别消费一个内存 queue 即可,这样就能保证顺序性。

7、 如何解决消息队列的延时以及过期失效问题?消息队列满了以后该怎么处理?有几百万消息持续积压几小时,说说怎么解决?

你看这问法,其实本质针对的场景,都是说,可能你的消费端出了问题,不消费了;或者消费的速度极其慢。接着就坑爹了,可能你的消息队列集群的磁盘都快写满了,都没人消费,这个时候怎么办?或者是这整个就积压了几个小时,你这个时候怎么办?或者是你积压的时间太长了,导致比如 RabbitMQ 设置了消息过期时间后就没了怎么办?

所以就这事儿,其实线上挺常见的,一般不出,一出就是大 case。一般常见于,举个例子,消费端每次消费之后要写 mysql,结果 mysql 挂了,消费端 hang 那儿了,不动了;或者是消费端出了个什么岔子,导致消费速度极其慢。

面试题剖析

关于这个事儿,我们一个一个来梳理吧,先假设一个场景,我们现在消费端出故障了,然后大量消息在 mq 里积压,现在出事故了,慌了。

大量消息在 mq 里积压了几个小时了还没解决

几千万条数据在 MQ 里积压了七八个小时,从下午 4 点多,积压到了晚上 11 点多。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,让它恢复消费速度,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,一分钟就是 18 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,只能临时紧急扩容了,具体操作步骤和思路如下:

  • 先修复 consumer 的问题,确保其恢复消费速度,然后将现有 consumer 都停掉。
  • 新建一个 topic,partition 是原来的 10 倍,临时建立好原先 10 倍的 queue 数量。
  • 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。
  • 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。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。
  • 等快速消费完积压数据之后,得恢复原先部署的架构,重新用原先的 consumer 机器来消费消息。

mq 中的消息过期失效了

假设你用的是 RabbitMQ,RabbtiMQ 是可以设置过期时间的,也就是 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。

mq 都快写满了

如果消息积压在 mq 里,你很长时间都没有处理掉,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。

8、Kafka、ActiveMQ、RabbitMQ、RocketMQ 有什么优缺点 ?

特性

ActiveMQ

RabbitMQ

RocketMQ

Kafka

单机吞吐量

万级,比 RocketMQ、Kafka 低一个数量级

同 ActiveMQ

10 万级,支撑高吞吐

10 万级,高吞吐,一般配合大数据类的系统来进行实时数据计算、日志采集等场景

topic 数量对吞吐量的影响

topic 可以达到几百/几千的级别,吞吐量会有较小幅度的下降,这是 RocketMQ 的一大优势,在同等机器下,可以支撑大量的 topic

topic 从几十到几百个时候,吞吐量会大幅度下降,在同等机器下,Kafka 尽量保证 topic 数量不要过多,如果要支撑大规模的 topic,需要增加更多的机器资源

时效性

ms 级

微秒级,这是 RabbitMQ 的一大特点,延迟最低

ms 级

延迟在 ms 级以内

可用性

高,基于主从架构实现高可用

同 ActiveMQ

非常高,分布式架构

非常高,分布式,一个数据多个副本,少数机器宕机,不会丢失数据,不会导致不可用

消息可靠性

有较低的概率丢失数据

基本不丢

经过参数优化配置,可以做到 0 丢失

同 RocketMQ

功能支持

MQ 领域的功能极其完备

基于 erlang 开发,并发能力很强,性能极好,延时很低

MQ 功能较为完善,还是分布式的,扩展性好

功能较为简单,主要支持简单的 MQ 功能,在大数据领域的实时计算以及日志采集被大规模使用

综上,各种对比之后,有如下建议:

  • 一般的业务系统要引入 MQ,最早大家都用 ActiveMQ,但是现在确实大家用的不多了,没经过大规模吞吐量场景的验证,社区也不是很活跃,所以大家还是算了吧,我个人不推荐用这个了;
  • 后来大家开始用 RabbitMQ,但是确实 erlang 语言阻止了大量的 Java 工程师去深入研究和掌控它,对公司而言,几乎处于不可控的状态,但是确实人家是开源的,比较稳定的支持,活跃度也高;
  • 不过现在确实越来越多的公司会去用 RocketMQ,确实很不错,毕竟是阿里出品,但社区可能有突然黄掉的风险(目前 RocketMQ 已捐给 Apache,但 GitHub 上的活跃度其实不算高)对自己公司技术实力有绝对自信的,推荐用 RocketMQ,否则回去老老实实用 RabbitMQ 吧,人家有活跃的开源社区,绝对不会黄。
  • 所以中小型公司,技术实力较为一般,技术挑战不是特别高,用 RabbitMQ 是不错的选择;大型公司,基础架构研发实力较强,用 RocketMQ 是很好的选择。
  • 如果是大数据领域的实时计算、日志采集等场景,用 Kafka 是业内标准的,绝对没问题,社区活跃度很高,绝对不会黄,何况几乎是全世界这个领域的事实性规范。

本文分享自微信公众号 - 微观技术(weiguanjishu),作者:TomGE

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原始发表时间:2020-08-25

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