MQ的一些高级应用、如何确保消息的可靠性以及延迟消息的应用

发送消息时丢失：
- 生产者发送消息时连接MQ失败
- 生产者发送消息到达MQ后未找到Exchange
- 生产者发送消息到达MQ的Exchange后，未找到合适的Queue
- 消息到达MQ后，处理消息的进程发生异常
MQ导致消息丢失：
- 消息到达MQ，保存到队列后，尚未消费就突然宕机
消费者处理消息时：
- 消息接收后尚未处理突然宕机
- 消息接收后处理过程中抛出异常

1.生产者重试机制

首先第一种情况，就是生产者发送消息时，出现了网络故障，导致与MQ的连接中断。

为了解决这个问题，SpringAMQP提供的消息发送时的重试机制。即：当RabbitTemplate与MQ连接超时后，多次重试。

只需要修改一下配置文件即可：

spring:
  rabbitmq:
    connection-timeout: 1s # 设置MQ的连接超时时间
    template:
      retry:
        enabled: true # 开启超时重试机制
        initial-interval: 1000ms # 失败后的初始等待时间
        multiplier: 1 # 失败后下次的等待时长倍数，下次等待时长 = initial-interval * multiplier
        max-attempts: 3 # 最大重试次数

注意：当网络不稳定的时候，利用重试机制可以有效提高消息发送的成功率。不过SpringAMQP提供的重试机制是阻塞式的重试，也就是说多次重试等待的过程中，当前线程是被阻塞的。

如果对于业务性能有要求，建议禁用重试机制。如果一定要使用，请合理配置等待时长和重试次数，当然也可以考虑使用异步线程来执行发送消息的代码。

2.生产者确认机制

一般情况下，只要生产者与MQ之间的网路连接顺畅，基本不会出现发送消息丢失的情况，因此大多数情况下我们无需考虑这种问题。

不过，在少数情况下，也会出现消息发送到MQ之后丢失的现象，比如：

MQ内部处理消息的进程发生了异常
生产者发送消息到达MQ后未找到Exchange
生产者发送消息到达MQ的Exchange后，未找到合适的Queue，因此无法路由

针对上述情况，RabbitMQ提供了生产者消息确认机制，包括Publisher Confirm和Publisher Return两种。在开启确认机制的情况下，当生产者发送消息给MQ后，MQ会根据消息处理的情况返回不同的回执。

具体如图所示：

当消息投递到MQ，但是路由失败时，通过Publisher Return返回异常信息，同时返回ack的确认信息，代表投递成功
临时消息投递到了MQ，并且入队成功，返回ACK，告知投递成功
持久消息投递到了MQ，并且入队完成持久化，返回ACK ，告知投递成功
其它情况都会返回NACK，告知投递失败

其中ack和nack属于Publisher Confirm机制，ack是投递成功；nack是投递失败。而return则属于Publisher Return机制。

默认两种机制都是关闭状态，需要通过配置文件来开启。

在生产者的yml配置文件中加入配置：

spring:
  rabbitmq:
    publisher-confirm-type: correlated # 开启publisher confirm机制，并设置confirm类型
    publisher-returns: true # 开启publisher return机制

这里publisher-confirm-type有三种模式可选：

none：关闭confirm机制
simple：同步阻塞等待MQ的回执
correlated：MQ异步回调返回回执

一般我们推荐使用correlated，回调机制。

二、MQ的可靠性

1.数据的持久化

数据的持久化包括交换机持久化、队列持久化、消息持久化，其实这边的配置挺简单的，也是在MQ控制台上勾选对应持久化选项就好了，这里不多赘述。

2.LazyQueue

在默认情况下，RabbitMQ会将接收到的信息保存在内存中以降低消息收发的延迟。但在某些特殊情况下，这会导致消息积压，比如：

消费者宕机或出现网络故障
消息发送量激增，超过了消费者处理速度
消费者处理业务发生阻塞

一旦出现消息堆积问题，RabbitMQ的内存占用就会越来越高，直到触发内存预警上限。此时RabbitMQ会将内存消息刷到磁盘上，这个行为成为PageOut. PageOut会耗费一段时间，并且会阻塞队列进程。因此在这个过程中RabbitMQ不会再处理新的消息，生产者的所有请求都会被阻塞。

为了解决这个问题，从RabbitMQ的3.6.0版本开始，就增加了Lazy Queues的模式，也就是惰性队列。惰性队列的特征如下：

接收到消息后直接存入磁盘而非内存
消费者要消费消息时才会从磁盘中读取并加载到内存（也就是懒加载）
支持数百万条的消息存储

而在3.12版本之后，LazyQueue已经成为所有队列的默认格式。因此官方推荐升级MQ为3.12版本或者所有队列都设置为LazyQueue模式。

这时候有读者会想，LazyQueue是将消息存在磁盘中，要读的时候才到磁盘加载，这样效率不会很低吗？

LazyQueue的这种设计确实意味着在消费消息时，需要从磁盘读取数据，这可能会比直接从内存中读取消息效率低。但是，RabbitMQ在设计LazyQueue时也考虑到了性能优化，例如使用预取策略，只在需要时将一批消息加载到内存中，减少了磁盘读取的次数。此外，RabbitMQ还采用了一些磁盘读写优化技术，如顺序写入和批量写入，以提高性能。

总的来说，LazyQueue适用于消息量较大、消息消费速度较慢的场景。它可以处理大量的消息，而不会对内存造成过大的压力。虽然从磁盘读取消息可能会增加一些延迟，但是这种延迟通常在可接受的范围内，并且可以通过优化措施来减少。因此，LazyQueue并不会导致效率显著低下，而是提供了一种在资源有限的情况下处理大量消息的有效方式。

如何开启LazyQueue模式呢？

可以在MQ控制台面板上直接勾选，也可以通过代码开启：

@Bean
public Queue lazyQueue(){
    return QueueBuilder
            .durable("lazy.queue")
            .lazy() // 开启Lazy模式
            .build();
}

当然也可以基于注解的形式来开启：

@RabbitListener(queuesToDeclare = @Queue(
        name = "lazy.queue",
        durable = "true",
        arguments = @Argument(name = "x-queue-mode", value = "lazy")
))
public void listenLazyQueue(String msg){
    log.info("接收到 lazy.queue的消息：{}", msg);
}

三、消费者的可靠性

当RabbitMQ向消费者投递消息以后，需要知道消费者的处理状态如何。因为消息投递给消费者并不代表就一定被正确消费了，可能出现的故障有很多，比如：

消息投递的过程中出现了网络故障
消费者接收到消息后突然宕机
消费者接收到消息后，因处理不当导致异常
...

一旦发生上述情况，消息也会丢失。因此，RabbitMQ必须知道消费者的处理状态，一旦消息处理失败才能重新投递消息。

但问题来了：RabbitMQ如何得知消费者的处理状态呢？

1.消费者确认机制

为了确认消费者是否成功处理消息，RabbitMQ提供了消费者确认机制（Consumer Acknowledgement）。即：当消费者处理消息结束后，应该向RabbitMQ发送一个回执，告知RabbitMQ自己消息处理状态。回执有三种可选值：

ack：成功处理消息，RabbitMQ从队列中删除该消息
nack：消息处理失败，RabbitMQ需要再次投递消息
reject：消息处理失败并拒绝该消息，RabbitMQ从队列中删除该消息

一般reject方式用的较少，除非是消息格式有问题，那就是开发问题了。因此大多数情况下我们需要将消息处理的代码通过try catch机制捕获，消息处理成功时返回ack，处理失败时返回nack.

由于消息回执的处理代码比较统一，因此SpringAMQP帮我们实现了消息确认。并允许我们通过配置文件设置ACK处理方式，有三种模式：

none：不处理。即消息投递给消费者后立刻ack，消息会立刻从MQ删除。非常不安全，不建议使用
manual：手动模式。需要自己在业务代码中调用api，发送ack或reject，存在业务入侵，但更灵活
auto：自动模式。SpringAMQP利用AOP对我们的消息处理逻辑做了环绕增强，当业务正常执行时则自动返回ack. 当业务出现异常时，根据异常判断返回不同结果：
- 如果是业务异常，会自动返回nack；
- 如果是消息处理或校验异常，自动返回reject;

也是直接写个配置就好了

spring:
  rabbitmq:
    listener:
      simple:
        acknowledge-mode: none # 不做处理  auto # 自动ack

2.失败重试机制

当消费者出现异常后，消息会不断requeue（重入队）到队列，再重新发送给消费者。如果消费者再次执行依然出错，消息会再次requeue到队列，再次投递，直到消息处理成功为止。

极端情况就是消费者一直无法执行成功，那么消息requeue就会无限循环，导致mq的消息处理飙升，带来不必要的压力：

当然，上述极端情况发生的概率还是非常低的，不过不怕一万就怕万一。为了应对上述情况Spring又提供了消费者失败重试机制：在消费者出现异常时利用本地重试，而不是无限制的requeue到mq队列。

修改consumer服务的application.yml文件，添加内容：

spring:
  rabbitmq:
    listener:
      simple:
        retry:
          enabled: true # 开启消费者失败重试
          initial-interval: 1000ms # 初识的失败等待时长为1秒
          multiplier: 1 # 失败的等待时长倍数，下次等待时长 = multiplier * last-interval
          max-attempts: 3 # 最大重试次数
          stateless: true # true无状态；false有状态。如果业务中包含事务，这里改为false

重启consumer服务，重复之前的测试。可以发现：

消费者在失败后消息没有重新回到MQ无限重新投递，而是在本地重试了3次
本地重试3次以后，抛出了AmqpRejectAndDontRequeueException异常。查看RabbitMQ控制台，发现消息被删除了，说明最后SpringAMQP返回的是reject

结论：

开启本地重试时，消息处理过程中抛出异常，不会requeue到队列，而是在消费者本地重试
重试达到最大次数后，Spring会返回reject，消息会被丢弃

3.业务幂等性

何为幂等性？

幂等是一个数学概念，用函数表达式来描述是这样的：f(x) = f(f(x))，例如求绝对值函数。

在程序开发中，则是指同一个业务，执行一次或多次对业务状态的影响是一致的。例如：

根据id删除数据
查询数据
新增数据

但数据的更新往往不是幂等的，如果重复执行可能造成不一样的后果。比如：

取消订单，恢复库存的业务。如果多次恢复就会出现库存重复增加的情况
退款业务。重复退款对商家而言会有经济损失。

所以，我们要尽可能避免业务被重复执行。

然而在实际业务场景中，由于意外经常会出现业务被重复执行的情况，例如：

页面卡顿时频繁刷新导致表单重复提交
服务间调用的重试
MQ消息的重复投递

我们在用户支付成功后会发送MQ消息到交易服务，修改订单状态为已支付，就可能出现消息重复投递的情况。如果消费者不做判断，很有可能导致消息被消费多次，出现业务故障。

举例：

假如用户刚刚支付完成，并且投递消息到交易服务，交易服务更改订单为已支付状态。
由于某种原因，例如网络故障导致生产者没有得到确认，隔了一段时间后重新投递给交易服务。
但是，在新投递的消息被消费之前，用户选择了退款，将订单状态改为了已退款状态。
退款完成后，新投递的消息才被消费，那么订单状态会被再次改为已支付。业务异常。

因此，我们必须想办法保证消息处理的幂等性。这里给出两种方案：

唯一消息ID
业务状态判断

3.1唯一消息ID

这个思路非常简单：

每一条消息都生成一个唯一的id，与消息一起投递给消费者。
消费者接收到消息后处理自己的业务，业务处理成功后将消息ID保存到数据库
如果下次又收到相同消息，去数据库查询判断是否存在，存在则为重复消息放弃处理。

我们该如何给消息添加唯一ID呢？

其实很简单，SpringAMQP的MessageConverter自带了MessageID的功能，我们只要开启这个功能即可。

以Jackson的消息转换器为例：

@Bean
public MessageConverter messageConverter(){
    // 1.定义消息转换器
    Jackson2JsonMessageConverter jjmc = new Jackson2JsonMessageConverter();
    // 2.配置自动创建消息id，用于识别不同消息，也可以在业务中基于ID判断是否是重复消息
    jjmc.setCreateMessageIds(true);
    return jjmc;
}

3.2业务判断

业务判断就是基于业务本身的逻辑或状态来判断是否是重复的请求或消息，不同的业务场景判断的思路也不一样。

例如我们当前案例中，处理消息的业务逻辑是把订单状态从未支付修改为已支付。因此我们就可以在执行业务时判断订单状态是否是未支付，如果不是则证明订单已经被处理过，无需重复处理。

相比较而言，消息ID的方案需要改造原有的数据库，所以我更推荐使用业务判断的方案。

以支付修改订单的业务为例，我们需要修改OrderServiceImpl中的markOrderPaySuccess方法：

    @Override
    public void markOrderPaySuccess(Long orderId) {
        // 1.查询订单
        Order old = getById(orderId);
        // 2.判断订单状态
        if (old == null || old.getStatus() != 1) {
            // 订单不存在或者订单状态不是1，放弃处理
            return;
        }
        // 3.尝试更新订单
        Order order = new Order();
        order.setId(orderId);
        order.setStatus(2);
        order.setPayTime(LocalDateTime.now());
        updateById(order);
    }

其实也算是一种乐观锁了，如果不知道乐观锁是什么意思的话，可以参考我的另外一篇文章：

详解秒杀系统设计中所遇到的问题以及解决方案-优快云博客

@Override
public void markOrderPaySuccess(Long orderId) {
    // UPDATE `order` SET status = ? , pay_time = ? WHERE id = ? AND status = 1
    lambdaUpdate()
            .set(Order::getStatus, 2)
            .set(Order::getPayTime, LocalDateTime.now())
            .eq(Order::getId, orderId)
            .eq(Order::getStatus, 1)
            .update();
}

4.兜底方案

虽然我们利用各种机制尽可能增加了消息的可靠性，但也不好说能保证消息100%的可靠。万一真的MQ通知失败该怎么办呢？

有没有其它兜底方案，能够确保订单的支付状态一致呢？

其实思想很简单：既然MQ通知不一定发送到交易服务，那么交易服务就必须自己主动去查询支付状态。这样即便支付服务的MQ通知失败，我们依然能通过主动查询来保证订单状态的一致。

那么问题来了，我们到底该在什么时间主动查询支付状态呢？

这个时间是无法确定的，因此，通常我们采取的措施就是利用定时任务定期查询，例如每隔20秒就查询一次，并判断支付状态。如果发现订单已经支付，则立刻更新订单状态为已支付即可。

定时任务大家之前学习过，具体的实现这里就不再赘述了。

定时任务的学习可以参考我的另一篇文章：通过SpringTask模拟打印机定时向数据库传入模拟数据-优快云博客

至此，消息可靠性的问题已经解决了。

四、延迟消息

首先我们来学习一下基于死信交换机的延迟消息方案。

1.死信交换机

什么是死信？

当一个队列中的消息满足下列情况之一时，可以成为死信（dead letter）：

消费者使用basic.reject或 basic.nack声明消费失败，并且消息的requeue参数设置为false
消息是一个过期消息，超时无人消费
要投递的队列消息满了，无法投递

如果一个队列中的消息已经成为死信，并且这个队列通过dead-letter-exchange属性指定了一个交换机，那么队列中的死信就会投递到这个交换机中，而这个交换机就称为死信交换机（Dead Letter Exchange）。而此时加入有队列与死信交换机绑定，则最终死信就会被投递到这个队列中。

死信交换机有什么作用呢？

收集那些因处理失败而被拒绝的消息
收集那些因队列满了而被拒绝的消息
收集因TTL（有效期）到期的消息

基于死信交换机实现的延迟消息如下：

1）假如我们现在发送一条消息到ttl.fanout，RoutingKey为blue，并设置消息的有效期为5000毫秒

2）消息肯定会被投递到ttl.queue之后，由于没有消费者，因此消息无人消费。5秒之后，消息的有效期到期，成为死信

3）死信被再次投递到死信交换机test.direct，并沿用之前的RoutingKey，也就是blue：

4）由于direct.queue1与test.direct绑定的key是blue，因此最终消息被成功路由到direct.queue1，如果此时有消费者与direct.queue1绑定，也就能成功消费消息了。但此时已经是5秒钟以后了

5）也就是说，publisher发送了一条消息，但最终consumer在5秒后才收到消息。我们成功实现了延迟消息。