RabbitMQ基础和原理

一、RabbitMQ基础知识

一、背景

       RabbitMQ是一个由erlang开发的AMQP（Advanced Message Queue ）的开源实现。AMQP 的出现其实也是应了广大人民群众的需求，虽然在同步消息通讯的世界里有很多公开标准（如 COBAR的 IIOP ，或者是 SOAP 等），但是在异步消息处理中却不是这样，只有大企业有一些商业实现（如微软的 MSMQ ，IBM 的 Websphere MQ 等），因此，在 2006 年的 6 月，Cisco 、Redhat、iMatix 等联合制定了 AMQP 的公开标准。

　　RabbitMQ是由RabbitMQ Technologies Ltd开发并且提供商业支持的。该公司在2010年4月被SpringSource（VMWare的一个部门）收购。在2013年5月被并入Pivotal。其实VMWare，Pivotal和EMC本质上是一家的。不同的是VMWare是独立上市子公司，而Pivotal是整合了EMC的某些资源，现在并没有上市。

　　RabbitMQ的官网是http://www.rabbitmq.com

花絮：本篇文章是一个系列的文章，本片是开篇，后续会陆陆续续的整理出来，我会现在我自己个人博客发表出来(www.battleheart.cn)，因为在自己的博客里面可以先修改了完善有些不对的地方，等完善后再发到博客园，免得误导大家。

二、基础概念

      讲解基础概念的前面，我们先来整体构造一个结构图，这样会方便们更好地去理解RabbitMQ的基本原理。

图一

   通过上面这张应用相结合的结构图既能够清晰的看清楚整体的send Message到Receive Message的一个大致的流程。当然上面有很多名词都相比还没有介绍到，不要着急接下来我们就开始对其进行详细的讲解。

　Queue

   Queue（队列）RabbitMQ的作用是存储消息，队列的特性是先进先出。上图可以清晰地看到Client A和Client B是生产者，生产者生产消息最终被送到RabbitMQ的内部对象Queue中去，而消费者则是从Queue队列中取出数据。可以简化成表示为：

    生产者Send Message “A”被传送到Queue中，消费者发现消息队列Queue中有订阅的消息，就会将这条消息A读取出来进行一些列的业务操作。这里只是一个消费正对应一个队列Queue，也可以多个消费者订阅同一个队列Queue，当然这里就会将Queue里面的消息平分给其他的消费者，但是会存在一个一个问题就是如果每个消息的处理时间不同，就会导致某些消费者一直在忙碌中，而有的消费者处理完了消息后一直处于空闲状态，因为前面已经提及到了Queue会平分这些消息给相应的消费者。这里我们就可以使用prefetchCount来限制每次发送给消费者消息的个数。详情见下图所示：

    这里的prefetchCount=1是指每次从Queue中发送一条消息来。等消费者处理完这条消息后Queue会再发送一条消息给消费者。

    Exchange

    我们在开篇的时候就留了一个坑，就是那个应用结构图里面，消费者Client A和消费者Client B是如何知道我发送的消息是给Queue1还是给Queue2，有没有过这个问题，那么我们就来解开这个面纱，看看到底是个什么构造。首先明确一点就是生产者产生的消息并不是直接发送给消息队列Queue的，而是要经过Exchange（交换器），由Exchange再将消息路由到一个或多个Queue，当然这里还会对不符合路由规则的消息进行丢弃掉，这里指的是后续要谈到的Exchange Type。那么Exchange是怎样将消息准确的推送到对应的Queue的呢？那么这里的功劳最大的当属Binding，RabbitMQ是通过Binding将Exchange和Queue链接在一起，这样Exchange就知道如何将消息准确的推送到Queue中去。简单示意图如下所示：

     在绑定（Binding）Exchange和Queue的同时，一般会指定一个Binding Key，生产者将消息发送给Exchange的时候，一般会产生一个Routing Key，当Routing Key和Binding Key对应上的时候，消息就会发送到对应的Queue中去。那么Exchange有四种类型，不同的类型有着不同的策略。也就是表明不同的类型将决定绑定的Queue不同，换言之就是说生产者发送了一个消息，Routing Key的规则是A，那么生产者会将Routing Key=A的消息推送到Exchange中，这时候Exchange中会有自己的规则，对应的规则去筛选生产者发来的消息，如果能够对应上Exchange的内部规则就将消息推送到对应的Queue中去。那么接下来就来详细讲解下Exchange里面类型。

     Exchange Type

    我来用表格来描述下类型以及类型之间的区别。

• fanout

        fanout类型的Exchange路由规则非常简单，它会把所有发送到该Exchange的消息路由到所有与它绑定的Queue中。

    上图所示，生产者（P）生产消息1将消息1推送到Exchange，由于Exchange Type=fanout这时候会遵循fanout的规则将消息推送到所有与它绑定Queue，也就是图上的两个Queue最后两个消费者消费。

• direct

        direct类型的Exchange路由规则也很简单，它会把消息路由到那些binding key与routing key完全匹配的Queue中

     当生产者（P）发送消息时Rotuing key=booking时，这时候将消息传送给Exchange，Exchange获取到生产者发送过来消息后，会根据自身的规则进行与匹配相应的Queue，这时发现Queue1和Queue2都符合，就会将消息传送给这两个队列，如果我们以Rotuing key=create和Rotuing key=confirm发送消息时，这时消息只会被推送到Queue2队列中，其他Routing Key的消息将会被丢弃。

• topic

      前面提到的direct规则是严格意义上的匹配，换言之Routing Key必须与Binding Key相匹配的时候才将消息传送给Queue，那么topic这个规则就是模糊匹配，可以通过通配符满足一部分规则就可以传送。它的约定是：

1. routing key为一个句点号“. ”分隔的字符串（我们将被句点号“. ”分隔开的每一段独立的字符串称为一个单词），如“stock.usd.nyse”、“nyse.vmw”、“quick.orange.rabbit”
2. binding key与routing key一样也是句点号“. ”分隔的字符串
3. binding key中可以存在两种特殊字符“*”与“#”，用于做模糊匹配，其中“*”用于匹配一个单词，“#”用于匹配多个单词（可以是零个）

　　当生产者发送消息Routing Key=F.C.E的时候，这时候只满足Queue1，所以会被路由到Queue中，如果Routing Key=A.C.E这时候会被同是路由到Queue1和Queue2中，如果Routing Key=A.F.B时，这里只会发送一条消息到Queue2中。

• headers

headers类型的Exchange不依赖于routing key与binding key的匹配规则来路由消息，而是根据发送的消息内容中的headers属性进行匹配。
在绑定Queue与Exchange时指定一组键值对；当消息发送到Exchange时，RabbitMQ会取到该消息的headers（也是一个键值对的形式），对比其中的键值对是否完全匹配Queue与Exchange绑定时指定的键值对；如果完全匹配则消息会路由到该Queue，否则不会路由到该Queue。
该类型的Exchange没有用到过（不过也应该很有用武之地），所以不做介绍。

这里在对其进行简要的表格整理：

Exchange规则

类型名称	类型描述
fanout	把所有发送到该Exchange的消息路由到所有与它绑定的Queue中
direct	Routing Key==Binding Key
topic	我这里自己总结的简称模糊匹配
headers	Exchange不依赖于routing key与binding key的匹配规则来路由消息，而是根据发送的消息内容中的headers属性进行匹配。

　　补充说明：

　　ConnectionFactory、Connection、Channel

　　ConnectionFactory、Connection、Channel都是RabbitMQ对外提供的API中最基本的对象。Connection是RabbitMQ的socket链接，它封装了socket协议相关部分逻辑。ConnectionFactory为Connection的制造工厂。
　　Channel是我们与RabbitMQ打交道的最重要的一个接口，我们大部分的业务操作是在Channel这个接口中完成的，包括定义Queue、定义Exchange、绑定Queue与Exchange、发布消息等。

　　Connection就是建立一个TCP连接，生产者和消费者的都是通过TCP的连接到RabbitMQ Server中的，这个后续会再程序中体现出来。

　　Channel虚拟连接，建立在上面TCP连接的基础上，数据流动都是通过Channel来进行的。为什么不是直接建立在TCP的基础上进行数据流动呢？如果建立在TCP的基础上进行数据流动，建立和关闭TCP连接有代价。频繁的建立关闭TCP连接对于系统的性能有很大的影响，而且TCP的连接数也有限制，这也限制了系统处理高并发的能力。但是，在TCP连接中建立Channel是没有上述代价的。

　　整理就到这里了。参考内容：

　　http://blog.csdn.net/whycold/article/details/41119807

　　http://blog.csdn.net/anzhsoft/article/details/19563091

希望这篇文章的能对RabbitMQ有一个初步的了解。

二、RabbitMQ的应用场景以及基本原理介绍

1.背景

RabbitMQ是一个由erlang开发的AMQP(Advanved Message Queue)的开源实现。

2.应用场景

2.1异步处理

场景说明：用户注册后，需要发注册邮件和注册短信,传统的做法有两种1.串行的方式;2.并行的方式
(1)串行方式:将注册信息写入数据库后,发送注册邮件,再发送注册短信,以上三个任务全部完成后才返回给客户端。 这有一个问题是,邮件,短信并不是必须的,它只是一个通知,而这种做法让客户端等待没有必要等待的东西.

(2)并行方式:将注册信息写入数据库后,发送邮件的同时,发送短信,以上三个任务完成后,返回给客户端,并行的方式能提高处理的时间。

假设三个业务节点分别使用50ms,串行方式使用时间150ms,并行使用时间100ms。虽然并性已经提高的处理时间,但是,前面说过,邮件和短信对我正常的使用网站没有任何影响，客户端没有必要等着其发送完成才显示注册成功,英爱是写入数据库后就返回.
(3)消息队列
引入消息队列后，把发送邮件,短信不是必须的业务逻辑异步处理

由此可以看出,引入消息队列后，用户的响应时间就等于写入数据库的时间+写入消息队列的时间(可以忽略不计),引入消息队列后处理后,响应时间是串行的3倍,是并行的2倍。

2.2 应用解耦

场景：双11是购物狂节,用户下单后,订单系统需要通知库存系统,传统的做法就是订单系统调用库存系统的接口.

这种做法有一个缺点:

• 当库存系统出现故障时,订单就会失败。(这样马云将少赚好多好多钱^ ^)

• 订单系统和库存系统高耦合.
  引入消息队列

• 

• 订单系统:用户下单后,订单系统完成持久化处理,将消息写入消息队列,返回用户订单下单成功。

• 库存系统:订阅下单的消息,获取下单消息,进行库操作。
  就算库存系统出现故障,消息队列也能保证消息的可靠投递,不会导致消息丢失(马云这下高兴了).

流量削峰

流量削峰一般在秒杀活动中应用广泛
场景:秒杀活动，一般会因为流量过大，导致应用挂掉,为了解决这个问题，一般在应用前端加入消息队列。
作用:
1.可以控制活动人数，超过此一定阀值的订单直接丢弃(我为什么秒杀一次都没有成功过呢^^)
2.可以缓解短时间的高流量压垮应用(应用程序按自己的最大处理能力获取订单)

1.用户的请求,服务器收到之后,首先写入消息队列,加入消息队列长度超过最大值,则直接抛弃用户请求或跳转到错误页面.
2.秒杀业务根据消息队列中的请求信息，再做后续处理.

3.系统架构

几个概念说明:
Broker:它提供一种传输服务,它的角色就是维护一条从生产者到消费者的路线，保证数据能按照指定的方式进行传输,
Exchange：消息交换机,它指定消息按什么规则,路由到哪个队列。
Queue:消息的载体,每个消息都会被投到一个或多个队列。
Binding:绑定，它的作用就是把exchange和queue按照路由规则绑定起来.
Routing Key:路由关键字,exchange根据这个关键字进行消息投递。
vhost:虚拟主机,一个broker里可以有多个vhost，用作不同用户的权限分离。
Producer:消息生产者,就是投递消息的程序.
Consumer:消息消费者,就是接受消息的程序.
Channel:消息通道,在客户端的每个连接里,可建立多个channel.

4.任务分发机制

4.1Round-robin dispathching循环分发

RabbbitMQ的分发机制非常适合扩展,而且它是专门为并发程序设计的,如果现在load加重,那么只需要创建更多的Consumer来进行任务处理。

4.2Message acknowledgment消息确认

为了保证数据不被丢失,RabbitMQ支持消息确认机制,为了保证数据能被正确处理而不仅仅是被Consumer收到,那么我们不能采用no-ack，而应该是在处理完数据之后发送ack.
在处理完数据之后发送ack,就是告诉RabbitMQ数据已经被接收,处理完成,RabbitMQ可以安全的删除它了.
如果Consumer退出了但是没有发送ack,那么RabbitMQ就会把这个Message发送到下一个Consumer，这样就保证在Consumer异常退出情况下数据也不会丢失.
RabbitMQ它没有用到超时机制.RabbitMQ仅仅通过Consumer的连接中断来确认该Message并没有正确处理，也就是说RabbitMQ给了Consumer足够长的时间做数据处理。
如果忘记ack,那么当Consumer退出时,Mesage会重新分发,然后RabbitMQ会占用越来越多的内存.

5.Message durability消息持久化

要持久化队列queue的持久化需要在声明时指定durable=True;
这里要注意,队列的名字一定要是Broker中不存在的,不然不能改变此队列的任何属性.
队列和交换机有一个创建时候指定的标志durable,durable的唯一含义就是具有这个标志的队列和交换机会在重启之后重新建立,它不表示说在队列中的消息会在重启后恢复
消息持久化包括3部分
1. exchange持久化,在声明时指定durable => true

hannel.ExchangeDeclare(ExchangeName, "direct", durable: true, autoDelete: false, arguments: null);//声明消息队列，且为可持久化的

2.queue持久化,在声明时指定durable => true

channel.QueueDeclare(QueueName, durable: true, exclusive: false, autoDelete: false, arguments: null);//声明消息队列，且为可持久化的

• 3.消息持久化,在投递时指定delivery_mode => 2(1是非持久化).

channel.basicPublish("", queueName, MessageProperties.PERSISTENT_TEXT_PLAIN, msg.getBytes());  

• 如果exchange和queue都是持久化的,那么它们之间的binding也是持久化的,如果exchange和queue两者之间有一个持久化，一个非持久化,则不允许建立绑定.

注意：一旦创建了队列和交换机,就不能修改其标志了,例如,创建了一个non-durable的队列,然后想把它改变成durable的,唯一的办法就是删除这个队列然后重现创建。

6.Fair dispath 公平分发

你可能也注意到了,分发机制不是那么优雅,默认状态下,RabbitMQ将第n个Message分发给第n个Consumer。n是取余后的,它不管Consumer是否还有unacked Message，只是按照这个默认的机制进行分发.
那么如果有个Consumer工作比较重,那么就会导致有的Consumer基本没事可做,有的Consumer却毫无休息的机会,那么,Rabbit是如何处理这种问题呢?

通过basic.qos方法设置prefetch_count=1，这样RabbitMQ就会使得每个Consumer在同一个时间点最多处理一个Message，换句话说,在接收到该Consumer的ack前,它不会将新的Message分发给它

channel.basic_qos(prefetch_count=1) 

• 注意，这种方法可能会导致queue满。当然，这种情况下你可能需要添加更多的Consumer，或者创建更多的virtualHost来细化你的设计。

7.分发到多个Consumer

7.1Exchange

先来温习以下交换机路由的几种类型:
Direct Exchange:直接匹配,通过Exchange名称+RountingKey来发送与接收消息.
Fanout Exchange:广播订阅,向所有的消费者发布消息,但是只有消费者将队列绑定到该路由器才能收到消息,忽略Routing Key.
Topic Exchange：主题匹配订阅,这里的主题指的是RoutingKey,RoutingKey可以采用通配符,如:*或#，RoutingKey命名采用.来分隔多个词,只有消息这将队列绑定到该路由器且指定RoutingKey符合匹配规则时才能收到消息;
Headers Exchange:消息头订阅,消息发布前,为消息定义一个或多个键值对的消息头,然后消费者接收消息同时需要定义类似的键值对请求头:(如:x-mactch=all或者x_match=any)，只有请求头与消息头匹配,才能接收消息,忽略RoutingKey.
默认的exchange:如果用空字符串去声明一个exchange，那么系统就会使用”amq.direct”这个exchange，我们创建一个queue时,默认的都会有一个和新建queue同名的routingKey绑定到这个默认的exchange上去

channel.BasicPublish("", "TaskQueue", properties, bytes);

• 因为在第一个参数选择了默认的exchange，而我们申明的队列叫TaskQueue，所以默认的，它在新建一个也叫TaskQueue的routingKey，并绑定在默认的exchange上，导致了我们可以在第二个参数routingKey中写TaskQueue，这样它就会找到定义的同名的queue，并把消息放进去。

如果有两个接收程序都是用了同一个的queue和相同的routingKey去绑定direct exchange的话，分发的行为是负载均衡的，也就是说第一个是程序1收到，第二个是程序2收到，以此类推。
如果有两个接收程序用了各自的queue，但使用相同的routingKey去绑定direct exchange的话，分发的行为是复制的，也就是说每个程序都会收到这个消息的副本。行为相当于fanout类型的exchange。
下面详细来说:

7.2 Bindings 绑定

绑定其实就是关联了exchange和queue，或者这么说:queue对exchange的内容感兴趣,exchange要把它的Message deliver到queue。

7.3Direct exchange

Driect exchange的路由算法非常简单:通过bindingkey的完全匹配，可以用下图来说明.

Exchange和两个队列绑定在一起,Q1的bindingkey是orange，Q2的binding key是black和green.
当Producer publish key是orange时,exchange会把它放到Q1上,如果是black或green就会到Q2上,其余的Message被丢弃.

7.4 Multiple bindings

多个queue绑定同一个key也是可以的,对于下图的例子,Q1和Q2都绑定了black,对于routing key是black的Message，会被deliver到Q1和Q2，其余的Message都会被丢弃.

7.5 Topic exchange

对于Message的routing_key是有限制的，不能使任意的。格式是以点号“.”分割的字符表。比如：”stock.usd.nyse”, “nyse.vmw”, “quick.orange.rabbit”。你可以放任意的key在routing_key中，当然最长不能超过255 bytes。
对于routing_key，有两个特殊字符

• *(星号)代表任意一个单词

• #(hash)0个或多个单词
  
  Producer发送消息时需要设置routing_key，routing_key包含三个单词和连个点号o,第一个key描述了celerity(灵巧),第二个是color(色彩),第三个是物种:
  在这里我们创建了两个绑定： Q1 的binding key 是”.orange.“； Q2 是 “..rabbit” 和 “lazy.#”：

  • Q1感兴趣所有orange颜色的动物
  • Q2感兴趣所有rabbits和所有的lazy的.
    例子:rounting_key 为 “quick.orange.rabbit”将会发送到Q1和Q2中
    rounting_key 为”lazy.orange.rabbit.hujj.ddd”会被投递到Q2中,#匹配0个或多个单词。

8.消息序列化

RabbitMQ使用ProtoBuf序列化消息,它可作为RabbitMQ的Message的数据格式进行传输,由于是结构化的数据,这样就极大的方便了Consumer的数据高效处理,当然也可以使用XML，与XML相比,ProtoBuf有以下优势:
1.简单
2.size小了3-10倍
3.速度快了20-100倍
4.易于编程
6.减少了语义的歧义.