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RocketMQ工作原理——消息的存储

RocketMQ中的消息存储在本地文件系统中,这些相关文件默认在当前用户主目录下的store目录中

RocketMQ工作原理——消息的存储,第1张
  • sbort:该文件在Broker启动后会自动创建,正常关闭Broker,该文件会自动消失。若在没有启动Broker的情况下,发现这个文件是存在的,则说明之前Broker的关闭时非正常的
  • checkpoint:其中存储着commitlog、consumequeue、index文件的最后刷盘时间戳
  • commitlog:其中存放着commitlog文件,而消息是写在commitlog文件中的
  • config:存放着Broker运行期间的一些配置数据
  • index:其中存放着消息索引文件indexFile
  • lock:运行期间使用到的全局资源锁

commitlog文件

目录与文件

说明:在很多资料中commitlog目录中的文件简单就成为commitlog文件,但在源码中,该文件被命名为mappedFile

commitlog目录中存放着commitlog文件,当前Broker中的所有消息都是被刷盘到了这个commitlog目录中的commitlog文件中的。commitlog文件大小为1G,文件名由20位十进制数构成,表示当前文件的第一条消息的起始位偏移量。

第一个文件名一定是20位0构成的。因为第一个文件的第一条消息的偏移量commitlog offset为0
当第一个文件放满时,则会自动生成第二个文件继续存放消息。假设第一个文件的大小是1073741820字节(1G = 173741824字节),则第二个文件名就是0000000000173741820
一次类推,第n个文件名应该是前n-1个文件大小之和作为文件名
一个Broker中所有mappedFile文件的commitlog offset是连续的

需要注意的是,一个Broker中仅包含一个commitlog目录,所有的commitlog文件都是存放在该目录中的。即无论当前Broker中存放着多少Topic的消息,这些消息都是被顺序写入到了commitlog文件中的。也就是说,这些消息在Broker中存放时并没有被按照Topic进行分类存放

mappedFile文件是顺序读写的文件,所以其访问效率很高

消息单元

RocketMQ工作原理——消息的存储,第2张

commitlog文件内容由一个个的消息单元构成。每个消息单元中包括总长度MsgLen、消息的物理位置PysicalOffset、消息体内容Body、消息体长度BodyLength、消息主题Topic、Topic长度TopicLength、消息生产者BornHost、消息发送时间戳BornTimestamp、消息所在的队列QueueId、消息在Queue中存储的偏移量QueueOffset等近20多项消息相关属性

需要注意到,消息单元中是包含Queue相关属性的。所以,我们在后续,就需要十分留意commitlog与queue间的关系是什么
一个mappedFile文件中第m个消息单元的commitlog offset偏移量L(m+1) = L(m) + MsgLen(m) (m >= 0)

consumequeue

RocketMQ工作原理——消息的存储,第3张

目录与文件

RocketMQ工作原理——消息的存储,第4张

为了提高效率,会为每个Topic在~/store/consumerqueue中创建一个目录,目录名为Topic名称。在该目录下,会再为每个该Topic的Queue建立一个目录,目录名为queueId。每个目录中存放着若干consumequeue文件,consumequeue文件是commitlog的索引文件,可以根据consumequeue定位到具体的消息。

consumequeue文件名也由20位数字构成,表示当前文件的第一个索引条目的起始位偏移量。与mappedFile文件名不同的是,其后续文件名是固定的。因为consumequeue文件大小是固定不变的。

索引条目

RocketMQ工作原理——消息的存储,第5张

每个consumequeue文件可以包含30W个索引条目,每个索引条目包含了三个消息重要属性:消息在mappedFile文件中的偏移量commitlog offset、消息长度、消息Tag的hashCode值。这三个属性占20个字节,所以每个文件的大小是固定的30W * 20字节

一个consumequeue文件中所有消息的Topic一定是相同的。但每条消息的Tag可能是不同的。

对文件的读写

RocketMQ工作原理——消息的存储,第6张

消息写入

一条消息进入到Broker后经理了一下几个过程才最终被持久化

  • Broker根据queueId,获取到该消息对应索引条目要在consumequeue目录中的写入偏移量,即QueueOffset
  • 将queueId、queueOffset等数据,与消息一起封装为消息单元
  • 将消息单元写入到commitlog
  • 同时形成消息索引条目
  • 将消息索引分发到相应的consumequeue

消息拉取

当Consumer来拉取消息时会经历以下几个步骤:

  • Consumer获取到其要消费消息所在Queue的消费偏移量offset,计算出要消费消息的消息offset
  • Consumer向Broker发送拉取请求,其中会包含其要拉取消息的Queue、消息offset即消息Tag
  • Broker计算在该consumequeue中的queueoffset
  • 从该queueoffset处开始向后查找第一个指定Tag的索引条目。
  • 解析该索引条目的前8个字节,即可定位到该消息在commitlog中的commitlog offset
  • 从对应commitlog offset中读取消息单元,并发送给Consumer

性能提升

RocketMQ中,无论是消息本身还是消息索引,都是存储在磁盘上的。其不会影响消费的速度吗?当然不会。其实RocketMQ的性能在目前的MQ产品中是非常高的。因为系统通过一系列相关机制大大提升了性能

首先,RocketMQ对文件的读写操作是通过mmap零拷贝进行的,将对文件的操作转化为直接对内存地址进行操作,从而极大地提高了文件的读写效率。

其次,consumequeue中的数据是顺序存放的,还引入了PageCache的预读取机制,使得对consumequeue文件的读取几乎接近于内存读取,即使在有消息堆积情况下也不会影响性能。

PageCache机制,页缓存机制。是操作系统对文件的缓存机制,用于加速文件的读写操作。一般来说,程序对文件进行顺序读写的速度几乎接近内存读写速度,主要原因是由于OS使用PageCache机制对读写访问进行了性能优化,将一部分的内存用于PageCache。

  • 写操作:OS会先将数据写入到PageCache中,随后会以异步方式由pdflush(page dirty flush)内核线程将PageCache中的数据刷盘到物理磁盘
  • 读操作:若用户要读取数据,其首先会从PageCache中读取,若没有命中,则OS再从物理磁盘上加载该数据到PageCache的同时,也会顺序对其相邻数据块中的数据进行预读取

RocketMQ中可能会影响性能的是对commitlog文件的读取。因为对commitlog文件来说,读取消息时会产生大量的随机访问,而随机访问会严重影响性能。不过,如果选择合适的系统IO调度算法,比如设置调度算法为Deadline(采用固态硬盘),随机读的性能也会有所提升

与Kafka的对比

RocketMQ的很多思想来源于Kafka,其中commitlog与consumequeue就是。

RocketMQ中的commitlog目录与consumequeue的结合就类似与Kafka中的partition分区目录。mappedFile文件就类似于Kafka中的segment段

Kafka中的Topic的消息被分割为一个或多个partition。paritition是一个物理概念,对应到系统上就是topic目录下的一个或多个目录。每个paritition中包含的文件称为segment,具体存放消息的文件

Kafka中消息存放的目录结构式:topic目录下有partition目录,partition目录下有segment文件

Kafka中没有二级分类标签Tag这个概念

Kafka中无索引文件。因为消息是直接写在了partition中,消费者也是直接从partition中读取数据的


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