软件架构设计与模式之：消息队列与事件驱动架构-EW帮帮网

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.背景介绍

消息队列简介

什么是消息队列？

消息队列又称为消息管道、消息路由、消息交换机或队列，是一个用于存放信息的先入先出（FIFO）数据结构。简单来说，消息队列就是用来存储、传递和接收消息的一段独立于业务流程的数据结构。它提供异步通信和处理机制，可以减少应用程序间的耦合度，实现分布式系统之间的数据共享。通常情况下，消息队列为应用程序提供了以下的优点：

1.异步通信：消息队列能够提供低延迟的异步通信能力，使得用户得到较好的响应时间。 2.削峰填谷：通过将工作负载平摊到多个消费者上，可以避免单个消费者因处理不过来的请求而拖累整个系统。 3.解耦合：消息队列降低了应用程序间的耦合性，实现了松耦合的系统架构。 4.广播通知：由于消费者数量众多，所以消息队列支持向多个订阅者发送广播消息，节省通信开销。 5.可靠传输：消息队列提供了一个可靠的传输机制来确保信息的传递。 6.扩展性强：消息队列可以很容易地横向扩展，提升性能和吞吐量。 7.高可用性：消息队列通过冗余机制和高可用性保证消息的最终一致性。

为何需要事件驱动架构

我们已经知道什么是消息队列，那么消息队列是如何工作的呢？消息队列是一种异步通信模型，在一些情况下，应用程序需要等待消息队列中的消息被处理完毕后才能继续运行，比如购物网站上的订单支付。这种同步的方式会影响用户体验，不利于提升应用程序的并发能力。为了提升系统的响应速度，需要采用异步的方式进行通信，也就是事件驱动模型。

事件驱动模型就是基于事件驱动的应用编程模型，应用程序只需关注事件的发生，无须考虑消息的具体内容。事件驱动模型的特点如下：

1.异步通信：事件驱动模型能够提供高吞吐量的异步通信能力，降低系统的耦合程度。 2.解耦合：事件驱动模型让事件的发布方和订阅方之间没有直接的依赖关系，实现了模块化，更易维护和扩展。 3.灵活性：事件驱动模型能够适应不同类型的事件。 4.无状态性：事件驱动模型对事件的处理没有状态，消除了系统中数据的保存和同步问题。

总结

消息队列是一个用来存储、传递和接收消息的一段独立于业务流程的数据结构，它能提供异步通信和处理机制，有效地协调分布式系统之间的通信，是构建面向事件驱动架构的基础。事件驱动架构则是基于事件驱动的应用编程模型，采用异步方式进行通信，更具弹性和可扩展性。两者互相配合，能够极大地提升系统的响应速度和并发能力。

2.核心概念与联系

概念定义

生产者（Producer）：消息的创建者，是指产生消息的实体，即在产生一条消息时所处的位置。

消费者（Consumer）：消息的接受者，是指处理消息的实体，即从消息队列中取走消息并执行某种动作的位置。

主题（Topic）：消息的集合，所有的消息都要属于一个主题，每个主题都由一个唯一的名称标识。

分区（Partition）：主题中的消息被划分成若干个分区，每个分区都是完全独立的，不存在任何相互关系，每个分区只能被同一个消费者消费。每个分区都有一个标识符，并且可以在多个消费者间共享。

消息（Message）：消息队列中的消息，可以是一个简单的字符串消息，也可以是一个复杂的数据对象。

Broker：消息代理，是消息队列服务器的实体，作为中介角色，它提供各种消息队列服务，包括存储、转发和消费消息等。

Producer API：生产者API，是指供生产者调用的方法接口。

Consumer API：消费者API，是指供消费者调用的方法接口。

基本原理

生产者把消息发布到指定的主题中，消费者可以订阅这个主题，当消息发布时，消息会自动进入该主题的指定分区。消费者会轮询查询该主题的某个分区是否有消息。如果有消息，则可以从该分区中消费掉该消息，如果没有消息，则会阻塞等待直到消息出现。因此，生产者和消费者在这里都不需要等待对方完成任务，只需要按照约定的协议交流即可，实现异步通信。

如图所示，生产者用生产者API发布消息到主题A的一个分区上，然后消费者C开始轮询主题A的分区是否有消息，如果有消息，则从该分区中消费掉消息。消费者C可以选择自己感兴趣的消息类型进行过滤。轮询过程可以使用长轮询或者短轮询两种方式。长轮询要求消费者一直保持连接，直到消息发布；短轮询允许消费者每隔一段时间就查询一次是否有新消息到达。通过这种方式，消费者可以做到快速及时的接收消息，有效利用资源并提升整体性能。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

消息队列工作原理

首先，生产者把消息发布到指定的主题中，消息会自动进入该主题的指定分区。然后，消费者可以订阅这个主题，当消息发布时，消息会自动进入该主题的指定分区。消费者会轮询查询该主题的某个分区是否有消息。如果有消息，则可以从该分区中消费掉该消息，如果没有消息，则会阻塞等待直到消息出现。因此，生产者和消费者在这里都不需要等待对方完成任务，只需要按照约定的协议交流即可，实现异步通信。

如下图所示，生产者用生产者API发布消息到主题A的一个分区上，然后消费者C开始轮询主题A的分区是否有消息，如果有消息，则从该分区中消费掉消息。

在消费者C开始轮询主题A的分区是否有消息时，需要设置一个超时时间，如果时间内没有消息发布到主题A的分区，则消费者C就会继续等待。当消息发布到主题A的一个分区后，它就会被消费者C消费掉。这时，生产者可以继续发布新的消息，继续向主题A的另一个分区推送消息。

但是，如果消费者C一直没有消费到消息，可能会导致消费者C阻塞等待。为了解决这一问题，消息队列还提供许多其他功能特性。

队列安全机制

在消息队列中，消息经过持久化存储后，才可以被消费者消费，所以，消息队列在处理消息时必然涉及到数据的一致性和完整性。针对这一问题，消息队列引入了一系列的队列安全机制，包括事务（Transaction），幂等（Idempotence），事务是指将一组操作作为一个整体来执行，要么都执行，要么都不执行；幂等是指一个操作的任意重复执行结果都与原始结果相同，即对相同输入，不管调用多少次，其作用都是一样的。

生产者把消息发布到消息队列，可以开启事务或者采用默认的非事务模式。消费者读取消息前，也可以开启事务。事务模式下，生产者和消费者要么都成功，要么都失败，中间不会有一半成功的情况。事务超时的设置对于事务的可靠性有着至关重要的作用。

幂等模式要求生产者在同样的消息多次重复发布时，它们的副作用与一次发布时是一致的，即对相同输入，不管调用多少次，其作用都是一样的。例如，系统接收到重复的登陆请求时，只需要完成一次登陆即可，不需要重复记录。

集群消费

集群消费是指消费者订阅了一个主题，但是消费者实例不是只有一个，而是集群形式部署，多个消费者共同消费。集群消费能够更好地利用服务器的资源，提升消费效率。一般情况下，消息队列服务器会设置多个消费者实例，这些消费者实例在逻辑上是分开的，但实际上都绑定到了同一个客户端连接上，共同消费消息。因此，消息队列可以自动地把消息分派给消费者实例，实现集群消费。

集群消费的好处之一是增加系统容错能力。假设某个消费者出现故障，消息队列服务器能够快速识别出问题所在并将其移除，确保集群中正常消费者始终占据主导地位，提高集群消费的稳定性。

集群消费的好处之二是增加系统的并行处理能力。由于消息队列服务器能够将消息分派给多个消费者实例，因此它能够显著提升消费者的处理能力，缩短平均处理时间，从而提升整个系统的处理性能。

分布式负载均衡

在消息队列中，一般是通过多个消费者实例共同消费多个主题来实现分布式负载均衡。消费者实例可以动态地加入或退出，从而实时调整负载均衡的策略。消费者实例可以选择消费特定主题或主题分区，从而获得更细粒度的控制。

消费者实例选择消费哪些主题分区，可以参考多级缓存技术。每个消费者实例都会记录自己的消费偏移，并定期向消息队列服务器提交确认，表示自己已经成功消费了某条消息。当消息队列服务器发现消费者实例失败，它会将其从集群中剔除，重新分配消息，确保整个集群始终处于健康状态。

安全认证与授权

消息队列通常通过网络进行通信，受限于网络的传输层安全性问题，可能会受到中间人攻击、重放攻击和报文篡改等安全风险。为了防止这些攻击，消息队列可以通过SSL加密算法、Kerberos集成认证、访问控制列表（ACL）等安全机制来进行安全认证与授权。

数据迁移与备份

当消息队列服务器发生故障时，它会丢弃当前积压的消息，甚至可能导致消息永久丢失。为了避免这种情况，消息队列服务器需要周期性地对消息进行备份，同时也需要能够进行数据迁移。

数据迁移通常需要将消息从当前服务器复制到另一台服务器，然后更新消费者实例的消费偏移。数据迁移的过程可以分为手动和自动两种方式。

手动数据迁移通常由管理员来操作，将旧服务器上的消息复制到新服务器上，然后更新消费者实例的消费偏移。自动数据迁移通常由消息队列服务器自动完成，由旧服务器主动向新服务器请求数据迁移。

4.具体代码实例和详细解释说明

RabbitMQ

RabbitMQ是一个开源的AMQP（Advanced Message Queuing Protocol）消息代理。AMQP是消息队列协议，它是一个应用层协议，是由一个组织定义的消息中间件之间的通信标准。RabbitMQ是实现了AMQP协议的 messaging broker。

安装RabbitMQ Server

sudo apt install rabbitmq-server

启动服务

sudo systemctl start rabbitmq-server.service

停止服务

sudo systemctl stop rabbitmq-server.service

生产者

创建一个名为“myexchange”的Exchange，类型为direct。

channel = connection.channel()
channel.exchange_declare(exchange='myexchange', exchange_type='direct')

创建一个名为“myqueue”的Queue，将其绑定到“myexchange”上，routing_key设置为“info”。

result = channel.queue_declare(queue='myqueue', exclusive=True)
queue_name = result.method.queue
channel.queue_bind(exchange='myexchange', queue=queue_name, routing_key='info')

发送消息

message = 'Hello World!'
properties = pika.BasicProperties(content_type='text/plain', delivery_mode=1) # 设置消息持久化
channel.basic_publish(exchange='myexchange', routing_key='info', body=message, properties=properties)
print(" [x] Sent %r" % message)
connection.close()

消费者

创建一个名为“myexchange”的Exchange，类型为direct。

channel = connection.channel()
channel.exchange_declare(exchange='myexchange', exchange_type='direct')

创建一个名为“myqueue”的Queue，将其绑定到“myexchange”上，routing_key设置为“info”，开启消费模式。

result = channel.queue_declare(queue='myqueue', exclusive=False)
queue_name = result.method.queue
channel.queue_bind(exchange='myexchange', queue=queue_name, routing_key='info')

channel.basic_consume(callback,
                      queue=queue_name,           # 指定队列
                      no_ack=True)                # 不需要回复确认

回调函数接收消息，打印消息内容。

def callback(ch, method, properties, body):
    print(" [x] Received %r" % body)

    ch.basic_ack(delivery_tag=method.delivery_tag)    # 发送确认消息

关闭连接

connection.close()

Kafka

Apache Kafka 是 LinkedIn 开源的分布式发布-订阅消息系统。Kafka 最初起源于 LinkedIn 的一个分布式日志收集和聚合系统，LinkedIn 在 2010 年贡献给了 Apache Software Foundation。

Kafka 通过消息队列和发布-订阅模式提供了高吞吐量、低延迟、高可靠性的消息传递服务。它最初被设计用于处理实时数据Feeds。

下载安装

wget https://archive.apache.org/dist/kafka/2.2.0/kafka_2.12-2.2.0.tgz
tar -xzf kafka_2.12-2.2.0.tgz
cd kafka_2.12-2.2.0