实现稳定、高性能：消息中间件MetaQ高性能原因分析

简介

MetaQ是一款高性能的消息中间件，经过几年的发展，已经非常成熟稳定，历经多年双11的零点峰值压测，表现堪称完美。

MetaQ当前最新最稳定的文本是3.x系统，MetaQ 3.x重新设计和实现，比之前的版本更优秀。虽然MetaQ借鉴了linkedin 的消息中间件kafak思想，但已经是青出于蓝而胜于蓝。

本文不对MetaQ做全面的介绍，只选择高性能这点来分析。

性能测试对比图

核心功能

MetaQ作为一款消息中间件，消息中间件该有的功能，MetaQ也有。本文并不全面介绍MetaQ方面方面，只是选取性能这一角度，来剖析其高性能的原因。

功能组件

• MetaQ Server最为核心的组件，它主要可以接收应用程序发送过来的消息并存储，然后再投递。
• MetaQ Master是MetaQ Server逻辑上的角色，和MySQL Master概念类型，对外提供发送消息、订阅消息以及维护着管理信息。
• MetaQ Slave是MetaQ Server逻辑上的角色，和MySQL Slave概念类型，对外提供订阅消息功能。
• MetaQ Client主要是应用程序使用，使用MetaQ Client来发送消息、订阅消息、其它控制信息。
• 其它无数据管理及控制信息组件提供订阅关系管理功能，MetaQ Server服务发现功能。

发送消息

MetaQ Client 发送消息，MetaQ Server收到消息，并存储到文件系统。也就是说MetaQ会有大量write系统调用。

订阅消息

MetaQ Client 订阅消息，因其是Pull的模型。MetaQ Server收到Pull消息的请求，会从磁盘上读取出消息，然后返回给MetaQ Client。这一步有大量的read系统调用。

矛盾

从上面的功能上看，Metaq Server要支持大量的磁盘IO操作，因为其是构建文件系统之上的消息中间件。既然使用了文件系统来存储数据，但磁盘QPS每秒也就是几百。MetaQ Server又必须高性能（如MetaQ Server性能是10W级别的QPS）,才能在可接收的成本范围内，满足业务需求(不丢消息)。如何在QPS只有几百的磁盘上，构建出一个高性能的MetaQ消息间件正是本文的中心。

高性能

前面介绍了MetaQ高性能的难点，那么我们如何解决这些难点。要解决这些难点，就必须找出这些难点。那么要写一个高性能的消息中间件，会有哪些会部分会对影响性能。

影响性能的关键几点

序列化与反序列化

从MetaQ Cleint要发送消息，必须要先序列化，然后才能通过网络发送出去。 MetaQ Server收到消息后，要进行反序列化，才能解析出消息内容，最后序列化存储到文件系统。

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MetaQ Client收到消息，首页MetaQ Server必须从文件中读取消息，然后通过网络发送给MetaQ Client，收到消息，进行反序列化，应用才能识别消息内容。

MetaQ核心功能，都要通过序列化与反序列化，所以其性能，对MetaQ性能有关键性的影响，其实不是对MetaQ,只要使用了序列化与反序列化，其对性能影响都很大。

write性能

因为MetaQ Server会有大量的write系统调用 ，所以其性能对MetaQ性能有着重要的影响。

read性能

因为MetaQ Server会有大量的read系统调用 ，所以其性能对MetaQ性能有着重要的影响。

网络框架

因为发送消息，订阅消息都必须经过网络，如果网络组件性能不好，对MetaQ性能有着关键的影响。

如何高性能

序列化与反序列化

要解决序列化与反序列化性能问题，我们就必须寻种各种序列化与反序列化技术性能对比，从而选出一个高性能的序列化与反序列化技术来作为MetaQ。

我们来看下Java世界可以选择的序列化与反序列化技术

从图中性能数据，可以看出，个人认为Google出品的Protocol Buffers应该是最佳选择，不管软件的质量、社区活跃、软件的后续发展上来说，都是不错的选择。

但MetaQ并没有选择Protocol Buffers作为其序列化与反序列化的技术，一个原因是Protocol Buffers居然在小版之间本都不兼容，2.3和2.5的版本都不兼容。这会带来一个严重的问题，如果MetaQ选择2.3的版本，应用程序选择了2.5，都会导致冲突，反之亦然。

MetaQ消息元数据是通过JSON来序列化与反序列化，消息Body是交给应用自己序列化与反序列化。

虽然使用Protocol Buffers性能会更好，但带给用户带来麻烦。所以MetaQ选择使用JSON。

IO优化

前面也已经介绍了，MetaQ Server 存大大量的IO，那么怎么优化呢？

read优化

read优化主要是使用了mmap文件映射技术。这样可以减少系统上下文切换和复制数据的开销。。

同时文件系统提供了文件预读的功能，也使得读取文件开销，特别是顺序读时，开销比较低。

write优化

前面也介绍了，write可能存在并发问题，那么MetaQ是如何解决的？

MetaQ消息只保留在一个物理文件上，所有的消息都会写一个物理文件，每个物理文件都是固定大小，超过设置的阀值后，自动创建新的一个文件。当磁盘快满时，会自动删除老的文件。

Group Commit技术

Group Commit也就是组提交，组提交是指可以多次分解请求只要通过一次刷新数据，就可以实现这些请求的数据都已刷新到磁盘上。

MySQL数据库能保证ACID,事务提交也使用了Group Commit来提高性能（为了保证D，数据需要持久化到文件系统）。

详细见下图

当写请求1到MetaQ Server时，把线程写入内核后，触发flush线程刷新数据到磁盘，以保证数据的可靠性。
然后再向MetaQ Client 响应发送消息成功。这个时间，只要文件系统和磁盘不损坏，数据是不会丢失的。

正在flush线程要准备刷新数据时，写请求2，写请求3，写请求4也到MetaQ Server且写入数据，这样因写请求1写数据，触发的flush顺便也把写请求2，写请求3，写请求4的数据也刷新到磁盘。这样减少了刷新磁盘的次数，性能自然就高了，同时也保证的数据的可靠性。

如何实现Group Commit,请看源码

// Synchronization flush
if (FlushDiskType.SYNC_FLUSH == this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getFlushDiskType()) {
    GroupCommitService service = (GroupCommitService) this.flushCommitLogService;
    if (msg.isWaitStoreMsgOK()) {
        request = new GroupCommitRequest(result.getWroteOffset() + result.getWroteBytes());
        service.putRequest(request);
        boolean flushOK =
                request.waitForFlush(this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig()
                    .getSyncFlushTimeout());
        if (!flushOK) {
            log.error("do groupcommit, wait for flush failed, topic: " + msg.getTopic() + " tags: "
                    + msg.getTags() + " client address: " + msg.getBornHostString());
            putMessageResult.setPutMessageStatus(PutMessageStatus.FLUSH_DISK_TIMEOUT);
        }
    }
    else {
        service.wakeup();
    }
}
// Asynchronous flush
else {
    this.flushCommitLogService.wakeup();
}

并发安全

write如何保证并发安全，在写数据前，需要抢占一个锁，因为这只是把数据写到文件系统缓存中，所以持有锁的时间非常短，对性能友好。请看代码

synchronized (this) {
    long beginLockTimestamp = this.defaultMessageStore.getSystemClock().now();

    // Here settings are stored timestamp, in order to ensure an orderly
    // global
    msg.setStoreTimestamp(beginLockTimestamp);

    MapedFile mapedFile = this.mapedFileQueue.getLastMapedFile();
    if (null == mapedFile) {
        log.error("create maped file1 error, topic: " + msg.getTopic() + " clientAddr: "
                + msg.getBornHostString());
        return new PutMessageResult(PutMessageStatus.CREATE_MAPEDFILE_FAILED, null);
    }
    result = mapedFile.appendMessage(msg, this.appendMessageCallback);
    switch (result.getStatus()) {
    case PUT_OK:
        break;
    case END_OF_FILE:
        // Create a new file, re-write the message
        mapedFile = this.mapedFileQueue.getLastMapedFile();
        if (null == mapedFile) {
            // XXX: warn and notify me
            log.error("create maped file2 error, topic: " + msg.getTopic() + " clientAddr: "
                    + msg.getBornHostString());
            return new PutMessageResult(PutMessageStatus.CREATE_MAPEDFILE_FAILED, result);
        }
        result = mapedFile.appendMessage(msg, this.appendMessageCallback);
        break;
    case MESSAGE_SIZE_EXCEEDED:
        return new PutMessageResult(PutMessageStatus.MESSAGE_ILLEGAL, result);
    case UNKNOWN_ERROR:
        return new PutMessageResult(PutMessageStatus.UNKNOWN_ERROR, result);
    default:
        return new PutMessageResult(PutMessageStatus.UNKNOWN_ERROR, result);
    }

    DispatchRequest dispatchRequest = new DispatchRequest(//
        topic,// 1
        queueId,// 2
        result.getWroteOffset(),// 3
        result.getWroteBytes(),// 4
        tagsCode,// 5
        msg.getStoreTimestamp(),// 6
        result.getLogicsOffset(),// 7
        msg.getKeys(),// 8
        /**
         * Transaction
         */
        msg.getSysFlag(),// 9
        msg.getPreparedTransactionOffset());// 10

    this.defaultMessageStore.putDispatchRequest(dispatchRequest);

    eclipseTimeInLock = this.defaultMessageStore.getSystemClock().now() - beginLockTimestamp;
} // end of synchronized

网络性能

MetaQ的网络框架，选择了Netty4。Netty4因出色的性能和易用性，成为高性能场景的不二选择。

后记

MetaQ高性能的秘密，我们从其功能结构，从功能的作用，一个个解释了可能影响性能的点，及怎么解决这些问题，提高性能。

虽然一个个点看起来简单，但要实现一个稳定、高性能的消息系统，还是不容易的。