RabbitMQ/RocketMQ/Kafka知识体系

📕我是廖志伟,一名Java开发工程师、《Java项目实战——深入理解大型互联网企业通用技术》(基础篇)、(进阶篇)、(架构篇)清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、优快云博客专家、阿里云专家博主、51CTO专家博主、产品软文专业写手、技术文章评审老师、技术类问卷调查设计师、幕后大佬社区创始人、开源项目贡献者。

📘拥有多年一线研发和团队管理经验,研究过主流框架的底层源码(Spring、SpringBoot、SpringMVC、SpringCloud、Mybatis、Dubbo、Zookeeper),消息中间件底层架构原理(RabbitMQ、RocketMQ、Kafka)、Redis缓存、MySQL关系型数据库、 ElasticSearch全文搜索、MongoDB非关系型数据库、Apache ShardingSphere分库分表读写分离、设计模式、领域驱动DDD、Kubernetes容器编排等。不定期分享高并发、高可用、高性能、微服务、分布式、海量数据、性能调优、云原生、项目管理、产品思维、技术选型、架构设计、求职面试、副业思维、个人成长等内容。

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一、RabbitMQ知识体系补充说明

消息模型

RabbitMQ的消息模型是一个高度可扩展且灵活的设计,它允许应用程序以一种非阻塞的方式处理消息。以下是消息模型中每个概念的技术实现细节:

  • 直连交换器(Direct Exchange):在RabbitMQ中,交换器是用于路由消息的关键组件。Direct Exchange将消息根据路由键(消息的header中的一个属性)发送到绑定了相应路由键的队列。在内部实现中,交换器使用哈希表来存储与路由键相关的队列。

  • 扇形交换器(Fanout Exchange):Fanout Exchange的行为比较简单,它将接收到的每条消息广播到所有与它绑定的队列。在内部,Fanout Exchange只是简单地遍历所有绑定的队列并将消息发送出去,不需要匹配路由键。

  • 主题交换器(Topic Exchange):Topic Exchange允许更复杂的消息路由规则,类似于电子邮件的“订阅”系统。消息路由基于一个模式匹配规则,其中使用点(.)作为通配符,*匹配一个或多个单词,而#匹配任意数量的单词。

消息传递
  • 消息确认机制(Message Acknowledgement):RabbitMQ的确认机制确保了消息处理过程中的可靠性。客户端在处理完消息后发送一个确认信号给RabbitMQ,RabbitMQ收到确认后才会从队列中删除该消息。确认机制可以是自动的(客户端在收到消息后自动发送确认)或手动(客户端在处理完消息后显式发送确认)。

  • 事务消息(Transactional Message):事务消息确保消息处理的原子性。RabbitMQ通过事务日志来确保事务的开始、消息的发送和确认的提交或回滚。

  • 死信队列(Dead Letter Queue):Dead Letter Queue是用于处理无法被正常处理的消息的地方。这通常是由于消息处理失败或队列长度超过限制。在RabbitMQ中,可以配置队列以将无法处理的消息发送到死信队列。

集群架构
  • 镜像队列(Mirrored Queues):镜像队列在RabbitMQ集群中的不同节点上创建队列的多个副本,以确保高可用性。在内部,镜像队列使用复制机制来保持数据的一致性。

  • 联邦插件(Federation Plugin):联邦插件允许跨多个RabbitMQ集群的消息传递。在内部,联邦插件通过复制交换器来同步不同集群之间的消息。

  • 集群节点类型:RabbitMQ集群中的节点分为管理节点和普通节点。管理节点负责集群管理任务,如监控和集群状态维护,而普通节点负责消息处理。

高级特性
  • TTL消息(Time-to-Live Message):RabbitMQ允许为消息设置TTL,超过TTL的消息会被自动删除。内部实现中,RabbitMQ在消息入队时记录TTL,并在消息到期时将其删除。

  • 优先级队列(Priority Queue):RabbitMQ支持优先级队列,允许根据消息的优先级进行排序。在内部实现中,队列维护一个有序列表来存储具有不同优先级的消息。

  • RPC模式(Remote Procedure Call):RabbitMQ的RPC模式允许客户端向服务器发送消息并等待响应。内部实现中,客户端发送一个请求消息到队列,服务器从队列中获取请求并处理后发送响应消息回客户端。

二、RocketMQ知识体系补充说明

消息类型
  • 定时消息(Scheduled Message):RocketMQ的定时消息可以在消息的属性中设置一个延迟时间,该时间后消息才会被投递。内部实现中,RocketMQ使用定时任务来跟踪和延迟消息。

  • 事务消息(Transactional Message):RocketMQ支持本地事务和全局事务。本地事务是在消息发送和消费的过程中保证消息的原子性,而全局事务涉及数据库事务和消息发送事务的同步。内部实现中,RocketMQ使用两阶段提交协议来保证事务的原子性。

  • 延迟消息(Delay Message):延迟消息在一定延迟后发送,延迟时间由发送消息时设置的。内部实现中,RocketMQ使用一个定时任务来检查延迟消息并按计划投递它们。

存储机制
  • CommitLog设计:CommitLog是一个顺序写盘的日志文件,用于存储所有消息的原始数据。RocketMQ通过这种设计优化了I/O效率,并确保了消息的持久化。

  • 消息索引:消息索引是用于快速定位消息位置的数据结构。RocketMQ使用哈希表来存储消息索引,以便快速检索消息。

  • 刷盘策略:RocketMQ的刷盘策略包括同步刷盘和异步刷盘。同步刷盘确保消息在写入磁盘之前完成事务,而异步刷盘则允许在内存中暂存消息直到达到一定的阈值。

高可用设计
  • 主从同步(Master-Slave Synchronization):RocketMQ使用主从同步机制来保证数据的一致性。在内部实现中,主节点负责接收客户端发送的消息并将其写入磁盘,而从节点负责从主节点同步消息。

  • Dledger选举:Dledger选举用于处理主从切换。在主节点故障时,Dledger会选举一个新的主节点并同步数据。

  • 故障转移(Fault Transfer):在主节点故障时,故障转移机制会自动将工作切换到从节点。

扩展功能
  • 消息轨迹(Message Trace):消息轨迹允许用户追踪消息的处理过程。内部实现中,RocketMQ记录每条消息的发送、消费和处理信息。

  • ACL控制(Access Control List):RocketMQ使用ACL控制来控制对消息队列的访问。内部实现中,RocketMQ使用权限控制列表来验证客户端的访问权限。

  • 多副本机制(Replication):多副本机制提高了消息的可靠性。在内部实现中,RocketMQ使用复制机制来确保消息在不同节点之间的同步。

三、Kafka知识体系补充说明

核心组件
  • 生产者(Producer):Kafka生产者负责将消息发送到Kafka集群。内部实现中,生产者使用Kafka的客户端库来与Kafka集群进行通信。

  • 消费者(Consumer):消费者从Kafka集群中读取消息。内部实现中,消费者使用Kafka的客户端库来订阅主题并拉取消息。

  • 生产者分区策略:Kafka的生产者可以配置分区策略来决定消息发送到哪个分区。内部实现中,分区策略可以是随机选择、轮询或通过自定义逻辑选择。

  • 消费者组机制:消费者组允许多个消费者协同工作,共同消费一个主题的消息。内部实现中,消费者组通过维护消费者成员列表来协调消息的消费。

  • ISR集合(In-Sync Replicas):ISR集合记录了当前所有副本中同步的副本。在内部实现中,Kafka使用ZooKeeper来维护ISR集合。

流处理
  • KStream API:KStream API允许开发者构建流处理应用程序。内部实现中,KStream API是建立在Kafka Streams库之上的,它提供了构建流处理应用程序所需的工具和方法。

  • 状态存储:状态存储用于存储流处理应用程序的状态信息。内部实现中,状态存储可以是内存存储、文件存储或分布式存储。

  • 时间窗口:时间窗口将时间划分为不同的窗口,对窗口内的数据进行处理。内部实现中,时间窗口可以是固定窗口、滑动窗口或会话窗口。

运维监控
  • 副本同步机制:副本同步机制保证数据的一致性。在内部实现中,Kafka使用副本同步协议来确保副本之间数据的一致性。

  • 日志清理策略:日志清理策略定期清理日志文件。内部实现中,Kafka使用日志清理工具来管理日志文件。

  • JMX指标:JMX指标通过JMX接口获取集群的运行状态。内部实现中,Kafka通过JMX代理来收集和提供集群指标。

生态集成
  • Connect连接器:Connect连接器实现数据源与Kafka集群的连接。内部实现中,Connect连接器是一个独立的组件,可以与Kafka集群独立运行。

  • Schema Registry:Schema Registry存储消息的schema信息。内部实现中,Schema Registry使用注册中心来存储和版本控制schema信息。

  • KSQL引擎:KSQL引擎支持SQL查询Kafka中的数据。内部实现中,KSQL引擎是建立在Kafka Streams库之上的,它提供了查询Kafka数据所需的SQL语法和功能。

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