Netty構建分布式消息隊列實現原理淺析

KianClemmon 8年前發布 | 46K 次閱讀消息系統 Netty 分布式系統網絡工具包

首先，在一個企業級的架構應用中，究竟何時需引入消息隊列呢？本人認為，最經常的情況，無非這幾種：做業務解耦、事件消息廣播、消息流控處理。其中，對于業務解耦是作為消息隊列，要解決的一個首要問題。所謂業務解耦，就是說在一個業務流程處理上，只關注具體的流程，盡到通知的責任即可，不必等待消息處理的結果。

總得來看，企業級系統模塊通信的方式通常情況下，無非兩種。

同步方式：REST、RPC方式實現；異步方式：消息中間件（消息隊列）方式實現。

同步方式的優點：可以基于http協議之上，無需中間件代理，系統架構相對而言比較簡單。缺點是：客戶端和服務端緊密耦合，并且要實時在線通信，否則會導致消息發送失敗。

異步方式的優點：客戶端和服務端互相解耦，雙方可以不產生依賴。缺點是：由于引入了消息中間件，在編程的時候會增加難度系數。此外，消息中間件的可靠性、容錯性、健壯性往往成為這類架構的決定性因素。

舉一個本人工作中的例子向大家說明一下：移動業務中的產品訂購中心，每當一個用戶通過某些渠道（營業廳、自助終端等等）開通、訂購了某個套餐之后，如果這些套餐涉及第三方平臺派單的話，產品訂購中心會向第三方平臺發起訂購請求操作。試想一下，如果遇到高峰受理時間段，由于業務受理量的激增，導致一些外圍系統的響應速度降低（比如業務網關響應速度不及時、網絡延時等等原因），最終用戶開通一個套餐花在主流程的時間會延長很多，這個會造成極不好的用戶體驗，最終可能導致受理失敗。在上述的場景里面，我們就可以很好的引入一個消息隊列進行業務的解耦，具體來說，產品訂購中心只要“通知”第三方平臺，我們的套餐開通成功了，并不一定非要同步阻塞地等待其真正的開通處理完成。正因為如此，消息隊列逐漸成為當下系統模塊通信的主要方式手段。

當今在Java的消息隊列通信領域，有很多主流的消息中間件，比如RabbitMQ、ActiveMQ、以及炙手可熱Kafka。其中ActiveMQ是基于JMS的標準之上開發定制的一套消息隊列系統，性能穩定，訪問接口也非常友好，但是這類的消息隊列在訪問吞吐量上有所折扣；另外一個方面，比如Kafka這樣，以高效吞吐量著稱的消息隊列系統，但是在穩定性和可靠性上，能力似乎還不夠，因此更多的是用在服務日志傳輸、短消息推送等等對于可靠性不高的業務場景之中。總結起來，不管是ActiveMQ還是Kafka，其框架的背后涉及到很多異步網絡通信、多線程、高并發處理方面的專業技術知識。但本文的重點，也不在于介紹這些消息中間件背后的技術細節，而是想重點闡述一下，如何透過上述消息隊列的基本原理，在必要的時候，開發定制一套符合自身業務要求的消息隊列系統時，能夠獲得更加全面的視角去設計、考量這些問題。

因此本人用心開發實現了一個，基于Netty的消息隊列系統： AvatarMQ 。當然，在設計、實現AvatarMQ的時候，我會適當參考這些成熟消息中間件中用到的很多重要的思想理念。

當各位從github上面下載到 AvatarMQ 的源代碼的時候，可以發現，其中的包結構如下所示：

現在對每個包的主要功能進行一下簡要說明（下面省略前綴com.newlandframework.avatarmq）。

broker：消息中間件的服務器模塊，主要負責消息的路由、負載均衡，對于生產者、消費者進行消息的應答回復處理（ACK），AvatarMQ中的中心節點，是連接生產者、消費者的橋梁紐帶。

consumer：消息中間件中的消費者模塊，負責接收生產者過來的消息，在設計的時候，會對消費者進行一個集群化管理，同一個集群標識的消費者，會構成一個大的消費者集群，作為一個整體，接收生產者投遞過來的消息。此外，還提供消費者接收消息相關的API給客戶端進行調用。

producer：消息中間件中的生產者模塊，負責生產特定主題（Topic）的消息，傳遞給對此主題感興趣的消費者，同時提供生產者生產消息的API接口，給客戶端使用。

core：AvatarMQ中消息處理的核心模塊，負責消息的內存存儲、應答控制、對消息進行多線程任務分派處理。

model：主要定義了AvatarMQ中的數據模型對象，比如MessageType消息類型、MessageSource消息源頭等等模型對象的定義。

msg：主要定義了具體的消息類型對應的結構模型，比如消費者訂閱消息SubscribeMessage、消費者取消訂閱消息UnSubscribeMessage，消息服務器應答給生產者的應答消息ProducerAckMessage、消息服務器應答給消費者的應答消息ConsumerAckMessage。

netty：主要封裝了Netty網絡通信相關的核心模塊代碼，比如訂閱消息事件的路由分派策略、消息的編碼、解碼器等等。

serialize：利用Kryo這個優秀高效的對象序列化、反序列框架對消息對象進行序列化網絡傳輸。

spring：Spring的容器管理類，負責把AvatarMQ中的消息服務器模塊：Broker，進行容器化管理。這個包里面的AvatarMQServerStartup是整個AvatarMQ消息服務器的啟動入口。

test：這個就不用多說了，就是針對AvatarMQ進行消息路由傳遞的測試demo。

AvatarMQ運行原理示意圖：

首先是消息生產者客戶端（AvatarMQ Producer）發送帶有主題的消息給消息轉發服務器（AvatarMQ Broker），消息轉發服務器確認收到生產者的消息，發送ACK應答給生產者，然后把消息繼續投遞給消費者（AvatarMQ Consumer）。同時broker服務器接收來自消費者的訂閱、取消訂閱消息，并發送ACK應該給對應的消費者，整個消息系統就是這樣周而復始的工作。

現在再來看一下，AvatarMQ中的核心模塊的組成，如下圖所示：

Producer Manage： 消息的生產者，其主要代碼在（com.newlandframework.avatarmq.producer）包之下，其主要代碼模塊關鍵部分簡要說明如下：

package com.newlandframework.avatarmq.producer;

import com.newlandframework.avatarmq.core.AvatarMQAction;
import com.newlandframework.avatarmq.model.MessageSource;
import com.newlandframework.avatarmq.model.MessageType;
import com.newlandframework.avatarmq.model.RequestMessage;
import com.newlandframework.avatarmq.model.ResponseMessage;
import com.newlandframework.avatarmq.msg.Message;
import com.newlandframework.avatarmq.msg.ProducerAckMessage;
import com.newlandframework.avatarmq.netty.MessageProcessor;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

/**
 * @filename:AvatarMQProducer.java
 * @description:AvatarMQProducer功能模塊
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
 * @blog http://www.cnblogs.com/jietang/
 * @since 2016-8-11
 */
public class AvatarMQProducer extends MessageProcessor implements AvatarMQAction {

    private boolean brokerConnect = false;
    private boolean running = false;
    private String brokerServerAddress;
    private String topic;
    private String defaultClusterId = "AvatarMQProducerClusters";
    private String clusterId = "";
    private AtomicLong msgId = new AtomicLong(0L);

    //連接消息轉發服務器broker的ip地址，以及生產出來消息附帶的主題信息
    public AvatarMQProducer(String brokerServerAddress, String topic) {
        super(brokerServerAddress);
        this.brokerServerAddress = brokerServerAddress;
        this.topic = topic;
    }

    //沒有連接上消息轉發服務器broker就發送的話，直接應答失敗
    private ProducerAckMessage checkMode() {
        if (!brokerConnect) {
            ProducerAckMessage ack = new ProducerAckMessage();
            ack.setStatus(ProducerAckMessage.FAIL);
            return ack;
        }

        return null;
    }

    //啟動消息生產者
    public void start() {
        super.getMessageConnectFactory().connect();
        brokerConnect = true;
        running = true;
    }

    //連接消息轉發服務器broker，設定生產者消息處理鉤子，用于處理broker過來的消息應答
    public void init() {
        ProducerHookMessageEvent hook = new ProducerHookMessageEvent();
        hook.setBrokerConnect(brokerConnect);
        hook.setRunning(running);
        super.getMessageConnectFactory().setMessageHandle(new MessageProducerHandler(this, hook));
    }

    //投遞消息API
    public ProducerAckMessage delivery(Message message) {
        if (!running || !brokerConnect) {
            return checkMode();
        }

        message.setTopic(topic);
        message.setTimeStamp(System.currentTimeMillis());

        RequestMessage request = new RequestMessage();
        request.setMsgId(String.valueOf(msgId.incrementAndGet()));
        request.setMsgParams(message);
        request.setMsgType(MessageType.AvatarMQMessage);
        request.setMsgSource(MessageSource.AvatarMQProducer);
        message.setMsgId(request.getMsgId());

        ResponseMessage response = (ResponseMessage) sendAsynMessage(request);
        if (response == null) {
            ProducerAckMessage ack = new ProducerAckMessage();
            ack.setStatus(ProducerAckMessage.FAIL);
            return ack;
        }

        ProducerAckMessage result = (ProducerAckMessage) response.getMsgParams();
        return result;
    }

    //關閉消息生產者
    public void shutdown() {
        if (running) {
            running = false;
            super.getMessageConnectFactory().close();
            super.closeMessageConnectFactory();
        }
    }

    public String getTopic() {
        return topic;
    }

    public void setTopic(String topic) {
        this.topic = topic;
    }

    public String getClusterId() {
        return clusterId;
    }

    public void setClusterId(String clusterId) {
        this.clusterId = clusterId;
    }
}

Consumer Clusters Manage / Message Routing：消息的消費者集群管理以及消息路由模塊，其主要模塊在包（com.newlandframework.avatarmq.consumer）之中。其中消息消費者對象，對應的核心代碼主要功能描述如下：

package com.newlandframework.avatarmq.consumer;

import com.google.common.base.Joiner;
import com.newlandframework.avatarmq.core.AvatarMQAction;
import com.newlandframework.avatarmq.core.MessageIdGenerator;
import com.newlandframework.avatarmq.core.MessageSystemConfig;
import com.newlandframework.avatarmq.model.MessageType;
import com.newlandframework.avatarmq.model.RequestMessage;
import com.newlandframework.avatarmq.msg.SubscribeMessage;
import com.newlandframework.avatarmq.msg.UnSubscribeMessage;
import com.newlandframework.avatarmq.netty.MessageProcessor;

/**
 * @filename:AvatarMQConsumer.java
 * @description:AvatarMQConsumer功能模塊
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
 * @blog http://www.cnblogs.com/jietang/
 * @since 2016-8-11
 */
public class AvatarMQConsumer extends MessageProcessor implements AvatarMQAction {

    private ProducerMessageHook hook;
    private String brokerServerAddress;
    private String topic;
    private boolean subscribeMessage = false;
    private boolean running = false;
    private String defaultClusterId = "AvatarMQConsumerClusters";
    private String clusterId = "";
    private String consumerId = "";

    //連接的消息服務器broker的ip地址以及關注的生產過來的消息鉤子
    public AvatarMQConsumer(String brokerServerAddress, String topic, ProducerMessageHook hook) {
        super(brokerServerAddress);
        this.hook = hook;
        this.brokerServerAddress = brokerServerAddress;
        this.topic = topic;
    }

    //向消息服務器broker發送取消訂閱消息
    private void unRegister() {
        RequestMessage request = new RequestMessage();
        request.setMsgType(MessageType.AvatarMQUnsubscribe);
        request.setMsgId(new MessageIdGenerator().generate());
        request.setMsgParams(new UnSubscribeMessage(consumerId));
        sendSyncMessage(request);
        super.getMessageConnectFactory().close();
        super.closeMessageConnectFactory();
        running = false;
    }

    //向消息服務器broker發送訂閱消息
    private void register() {
        RequestMessage request = new RequestMessage();
        request.setMsgType(MessageType.AvatarMQSubscribe);
        request.setMsgId(new MessageIdGenerator().generate());

        SubscribeMessage subscript = new SubscribeMessage();
        subscript.setClusterId((clusterId.equals("") ? defaultClusterId : clusterId));
        subscript.setTopic(topic);
        subscript.setConsumerId(consumerId);

        request.setMsgParams(subscript);

        sendAsynMessage(request);
    }

    public void init() {
        super.getMessageConnectFactory().setMessageHandle(new MessageConsumerHandler(this, new ConsumerHookMessageEvent(hook)));
        Joiner joiner = Joiner.on(MessageSystemConfig.MessageDelimiter).skipNulls();
        consumerId = joiner.join((clusterId.equals("") ? defaultClusterId : clusterId), topic, new MessageIdGenerator().generate());
    }

    //連接消息服務器broker
    public void start() {
        if (isSubscribeMessage()) {
            super.getMessageConnectFactory().connect();
            register();
            running = true;
        }
    }

    public void receiveMode() {
        setSubscribeMessage(true);
    }

    public void shutdown() {
        if (running) {
            unRegister();
        }
    }

    public String getBrokerServerAddress() {
        return brokerServerAddress;
    }

    public void setBrokerServerAddress(String brokerServerAddress) {
        this.brokerServerAddress = brokerServerAddress;
    }

    public String getTopic() {
        return topic;
    }

    public void setTopic(String topic) {
        this.topic = topic;
    }

    public boolean isSubscribeMessage() {
        return subscribeMessage;
    }

    public void setSubscribeMessage(boolean subscribeMessage) {
        this.subscribeMessage = subscribeMessage;
    }

    public String getDefaultClusterId() {
        return defaultClusterId;
    }

    public void setDefaultClusterId(String defaultClusterId) {
        this.defaultClusterId = defaultClusterId;
    }

    public String getClusterId() {
        return clusterId;
    }

    public void setClusterId(String clusterId) {
        this.clusterId = clusterId;
    }
}

消息的集群管理模塊，主要代碼是ConsumerContext.java、ConsumerClusters.java。先簡單說一下消費者集群模塊ConsumerClusters，主要負責定義消費者集群的行為，以及負責消息的路由。主要的功能描述如下所示：

package com.newlandframework.avatarmq.consumer;

import com.newlandframework.avatarmq.model.RemoteChannelData;
import com.newlandframework.avatarmq.model.SubscriptionData;
import com.newlandframework.avatarmq.netty.NettyUtil;
import io.netty.channel.Channel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import org.apache.commons.collections.CollectionUtils;
import org.apache.commons.collections.MapUtils;
import org.apache.commons.collections.Predicate;

/**
 * @filename:ConsumerClusters.java
 * @description:ConsumerClusters功能模塊
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
 * @blog http://www.cnblogs.com/jietang/
 * @since 2016-8-11
 */
public class ConsumerClusters {

    //輪詢調度（Round-Robin Scheduling）位置標記
    private int next = 0;
    private final String clustersId;
    private final ConcurrentHashMap<String/*生產者消息的主題*/, SubscriptionData/*消息對應的topic信息數據結構*/> subMap
            = new ConcurrentHashMap<String, SubscriptionData>();

    private final ConcurrentHashMap<String/*消費者標識編碼*/, RemoteChannelData/*對應的消費者的netty網絡通信管道信息*/> channelMap
            = new ConcurrentHashMap<String, RemoteChannelData>();

    private final List<RemoteChannelData> channelList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<RemoteChannelData>());

    public ConsumerClusters(String clustersId) {
        this.clustersId = clustersId;
    }

    public String getClustersId() {
        return clustersId;
    }

    public ConcurrentHashMap<String, SubscriptionData> getSubMap() {
        return subMap;
    }

    public ConcurrentHashMap<String, RemoteChannelData> getChannelMap() {
        return channelMap;
    }

    //添加一個消費者到消費者集群
    public void attachRemoteChannelData(String clientId, RemoteChannelData channelinfo) {
        if (findRemoteChannelData(channelinfo.getClientId()) == null) {
            channelMap.put(clientId, channelinfo);
            subMap.put(channelinfo.getSubcript().getTopic(), channelinfo.getSubcript());
            channelList.add(channelinfo);
        } else {
            System.out.println("consumer clusters exists! it's clientId:" + clientId);
        }
    }

    //從消費者集群中刪除一個消費者
    public void detachRemoteChannelData(String clientId) {
        channelMap.remove(clientId);

        Predicate predicate = new Predicate() {
            public boolean evaluate(Object object) {
                String id = ((RemoteChannelData) object).getClientId();
                return id.compareTo(clientId) == 0;
            }
        };

        RemoteChannelData data = (RemoteChannelData) CollectionUtils.find(channelList, predicate);
        if (data != null) {
            channelList.remove(data);
        }
    }

    //根據消費者標識編碼，在消費者集群中查找定位一個消費者，如果不存在返回null
    public RemoteChannelData findRemoteChannelData(String clientId) {
        return (RemoteChannelData) MapUtils.getObject(channelMap, clientId);
    }

    //負載均衡，根據連接到broker的順序，依次投遞消息給消費者。這里的均衡算法直接采用
    //輪詢調度（Round-Robin Scheduling），后續可以加入：加權輪詢、隨機輪詢、哈希輪詢等等策略。
    public RemoteChannelData nextRemoteChannelData() {

        Predicate predicate = new Predicate() {
            public boolean evaluate(Object object) {
                RemoteChannelData data = (RemoteChannelData) object;
                Channel channel = data.getChannel();
                return NettyUtil.validateChannel(channel);
            }
        };

        CollectionUtils.filter(channelList, predicate);
        return channelList.get(next++ % channelList.size());
    }

    //根據生產者的主題關鍵字，定位于具體的消息結構
    public SubscriptionData findSubscriptionData(String topic) {
        return this.subMap.get(topic);
    }
}

而ConsumerContext主要的負責管理消費者集群的，其主要核心代碼注釋說明如下：

package com.newlandframework.avatarmq.consumer;

import com.newlandframework.avatarmq.model.RemoteChannelData;
import com.newlandframework.avatarmq.model.SubscriptionData;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import org.apache.commons.collections.Predicate;
import org.apache.commons.collections.iterators.FilterIterator;

/**
 * @filename:ConsumerContext.java
 * @description:ConsumerContext功能模塊
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
 * @blog http://www.cnblogs.com/jietang/
 * @since 2016-8-11
 */
public class ConsumerContext {
    //消費者集群關系定義
    private static final CopyOnWriteArrayList<ClustersRelation> relationArray = new CopyOnWriteArrayList<ClustersRelation>();
    //消費者集群狀態
    private static final CopyOnWriteArrayList<ClustersState> stateArray = new CopyOnWriteArrayList<ClustersState>();

    public static void setClustersStat(String clusters, int stat) {
        stateArray.add(new ClustersState(clusters, stat));
    }

    //根據消費者集群編碼cluster_id獲取一個消費者集群的狀態
    public static int getClustersStat(String clusters) {

        Predicate predicate = new Predicate() {
            public boolean evaluate(Object object) {
                String clustersId = ((ClustersState) object).getClusters();
                return clustersId.compareTo(clusters) == 0;
            }
        };

        Iterator iterator = new FilterIterator(stateArray.iterator(), predicate);

        ClustersState state = null;
        while (iterator.hasNext()) {
            state = (ClustersState) iterator.next();
            break;

        }
        return (state != null) ? state.getState() : 0;
    }

    //根據消費者集群編碼cluster_id查找一個消費者集群
    public static ConsumerClusters selectByClusters(String clusters) {
        Predicate predicate = new Predicate() {
            public boolean evaluate(Object object) {
                String id = ((ClustersRelation) object).getId();
                return id.compareTo(clusters) == 0;
            }
        };

        Iterator iterator = new FilterIterator(relationArray.iterator(), predicate);

        ClustersRelation relation = null;
        while (iterator.hasNext()) {
            relation = (ClustersRelation) iterator.next();
            break;
        }

        return (relation != null) ? relation.getClusters() : null;
    }

    //查找一下關注這個主題的消費者集群集合
    public static List<ConsumerClusters> selectByTopic(String topic) {

        List<ConsumerClusters> clusters = new ArrayList<ConsumerClusters>();

        for (int i = 0; i < relationArray.size(); i++) {
            ConcurrentHashMap<String, SubscriptionData> subscriptionTable = relationArray.get(i).getClusters().getSubMap();
            if (subscriptionTable.containsKey(topic)) {
                clusters.add(relationArray.get(i).getClusters());
            }
        }

        return clusters;
    }

    //添加消費者集群
    public static void addClusters(String clusters, RemoteChannelData channelinfo) {
        ConsumerClusters manage = selectByClusters(clusters);
        if (manage == null) {
            ConsumerClusters newClusters = new ConsumerClusters(clusters);
            newClusters.attachRemoteChannelData(channelinfo.getClientId(), channelinfo);
            relationArray.add(new ClustersRelation(clusters, newClusters));
        } else if (manage.findRemoteChannelData(channelinfo.getClientId()) != null) {
            manage.detachRemoteChannelData(channelinfo.getClientId());
            manage.attachRemoteChannelData(channelinfo.getClientId(), channelinfo);
        } else {
            String topic = channelinfo.getSubcript().getTopic();
            boolean touchChannel = manage.getSubMap().containsKey(topic);
            if (touchChannel) {
                manage.attachRemoteChannelData(channelinfo.getClientId(), channelinfo);
            } else {
                manage.getSubMap().clear();
                manage.getChannelMap().clear();
                manage.attachRemoteChannelData(channelinfo.getClientId(), channelinfo);
            }
        }
    }

    //從一個消費者集群中刪除一個消費者
    public static void unLoad(String clientId) {

        for (int i = 0; i < relationArray.size(); i++) {
            String id = relationArray.get(i).getId();
            ConsumerClusters manage = relationArray.get(i).getClusters();

            if (manage.findRemoteChannelData(clientId) != null) {
                manage.detachRemoteChannelData(clientId);
            }

            if (manage.getChannelMap().size() == 0) {
                ClustersRelation relation = new ClustersRelation();
                relation.setId(id);
                relationArray.remove(id);
            }
        }
    }
}

ACK Queue Dispatch： 主要是broker分別向對應的消息生產者、消費者發送ACK消息應答，其主要核心模塊是在：com.newlandframework.avatarmq.broker包下面的AckPullMessageController和AckPushMessageController模塊，主要職責是在broker中收集生產者的消息，確認成功收到之后，把其放到消息隊列容器中，然后專門安排一個工作線程池把ACK應答發送給生產者。

Message Queue Dispatch： 生產者消息的分派，主要是由com.newlandframework.avatarmq.broker包下面的SendMessageController派發模塊進行任務的分派，其中消息分派支持兩種策略，一種是內存緩沖消息區里面只要一有消息就通知消費者；還有一種是對消息進行緩沖處理，累計到一定的數量之后進行派發，這個是根據：MessageSystemConfig類中的核心參數：SystemPropertySendMessageControllerTaskCommitValue（com.newlandframework.avatarmq.system.send.taskcommit）決定的，默認是1。即一有消息就派發，如果改成大于1的數值，表示消息緩沖的數量。現在給出SendMessageController的核心實現代碼：

package com.newlandframework.avatarmq.broker;

import com.newlandframework.avatarmq.core.SemaphoreCache;
import com.newlandframework.avatarmq.core.MessageSystemConfig;
import com.newlandframework.avatarmq.core.MessageTaskQueue;
import com.newlandframework.avatarmq.core.SendMessageCache;
import com.newlandframework.avatarmq.model.MessageDispatchTask;
import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.Logger;

/**
 * @filename:SendMessageController.java
 * @description:SendMessageController功能模塊
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
 * @blog http://www.cnblogs.com/jietang/
 * @since 2016-8-11
 */
public class SendMessageController implements Callable<Void> {

    private volatile boolean stoped = false;

    private AtomicBoolean flushTask = new AtomicBoolean(false);

    private ThreadLocal<ConcurrentLinkedQueue<MessageDispatchTask>> requestCacheList = new ThreadLocal<ConcurrentLinkedQueue<MessageDispatchTask>>() {
        protected ConcurrentLinkedQueue<MessageDispatchTask> initialValue() {
            return new ConcurrentLinkedQueue<MessageDispatchTask>();
        }
    };

    private final Timer timer = new Timer("SendMessageTaskMonitor", true);

    public void stop() {
        stoped = true;
    }

    public boolean isStoped() {
        return stoped;
    }

    public Void call() {
        int period = MessageSystemConfig.SendMessageControllerPeriodTimeValue;
        int commitNumber = MessageSystemConfig.SendMessageControllerTaskCommitValue;
        int sleepTime = MessageSystemConfig.SendMessageControllerTaskSleepTimeValue;

        ConcurrentLinkedQueue<MessageDispatchTask> queue = requestCacheList.get();
        SendMessageCache ref = SendMessageCache.getInstance();

        while (!stoped) {
            SemaphoreCache.acquire(MessageSystemConfig.NotifyTaskSemaphoreValue);
            MessageDispatchTask task = MessageTaskQueue.getInstance().getTask();

            queue.add(task);

            if (queue.size() == 0) {
                try {
                    Thread.sleep(sleepTime);
                    continue;
                } catch (InterruptedException ex) {
                    Logger.getLogger(SendMessageController.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
                }
            }

            if (queue.size() > 0 && (queue.size() % commitNumber == 0 || flushTask.get() == true)) {
                ref.commit(queue);
                queue.clear();
                flushTask.compareAndSet(true, false);
            }

            timer.scheduleAtFixedRate(new TimerTask() {

                public void run() {
                    try {
                        flushTask.compareAndSet(false, true);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println("SendMessageTaskMonitor happen exception");
                    }
                }
            }, 1000 * 1, period);
        }

        return null;
    }
}

消息分派采用多線程并行派發，其內部通過柵欄機制，為消息派發設置一個屏障點，后續可以暴露給JMX接口，進行對整個消息系統，消息派發情況的動態監控。比如發現消息積壓太多，可以加大線程并行度。消息無堆積的話，降低線程并行度，減輕系統負荷。現在給出消息派發任務模塊SendMessageTask的核心代碼：

package com.newlandframework.avatarmq.core;

import com.newlandframework.avatarmq.msg.ConsumerAckMessage;
import com.newlandframework.avatarmq.msg.Message;
import com.newlandframework.avatarmq.broker.SendMessageLauncher;
import com.newlandframework.avatarmq.consumer.ClustersState;
import com.newlandframework.avatarmq.consumer.ConsumerContext;
import com.newlandframework.avatarmq.model.MessageType;
import com.newlandframework.avatarmq.model.RequestMessage;
import com.newlandframework.avatarmq.model.ResponseMessage;
import com.newlandframework.avatarmq.model.RemoteChannelData;
import com.newlandframework.avatarmq.model.MessageSource;
import com.newlandframework.avatarmq.model.MessageDispatchTask;
import com.newlandframework.avatarmq.netty.NettyUtil;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.Phaser;

/**
 * @filename:SendMessageTask.java
 * @description:SendMessageTask功能模塊
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 * @since 2016-8-11
 */
public class SendMessageTask implements Callable<Void> {

    private MessageDispatchTask[] tasks;
    //消息柵欄器，為后續進行消息JMX實時監控預留接口
    private Phaser phaser = null;
    private SendMessageLauncher launcher = SendMessageLauncher.getInstance();

    public SendMessageTask(Phaser phaser, MessageDispatchTask[] tasks) {
        this.phaser = phaser;
        this.tasks = tasks;
    }

    public Void call() throws Exception {
        for (MessageDispatchTask task : tasks) {
            Message msg = task.getMessage();

            if (ConsumerContext.selectByClusters(task.getClusters()) != null) {
                RemoteChannelData channel = ConsumerContext.selectByClusters(task.getClusters()).nextRemoteChannelData();

                ResponseMessage response = new ResponseMessage();
                response.setMsgSource(MessageSource.AvatarMQBroker);
                response.setMsgType(MessageType.AvatarMQMessage);
                response.setMsgParams(msg);
                response.setMsgId(new MessageIdGenerator().generate());

                try {
                    //消息派發的時候，發現管道不可達，跳過
                    if (!NettyUtil.validateChannel(channel.getChannel())) {
                        ConsumerContext.setClustersStat(task.getClusters(), ClustersState.NETWORKERR);
                        continue;
                    }

                    RequestMessage request = (RequestMessage) launcher.launcher(channel.getChannel(), response);

                    ConsumerAckMessage result = (ConsumerAckMessage) request.getMsgParams();

                    if (result.getStatus() == ConsumerAckMessage.SUCCESS) {
                        ConsumerContext.setClustersStat(task.getClusters(), ClustersState.SUCCESS);
                    }
                } catch (Exception e) {
                    ConsumerContext.setClustersStat(task.getClusters(), ClustersState.ERROR);
                }
            }
        }
        //若干個并行的線程共同到達統一的屏障點之后，再進行消息統計，把數據最終匯總給JMX
        phaser.arriveAndAwaitAdvance();
        return null;
    }
}

Message Serialize： 消息的序列化模塊，主要基于Kryo。其主要的核心代碼為：com.newlandframework.avatarmq.serialize包下面的KryoCodecUtil、KryoSerialize完成消息的序列化和反序列化工作。其對應的主要核心代碼模塊是：

package com.newlandframework.avatarmq.serialize;

import com.esotericsoftware.kryo.pool.KryoPool;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;

/**
 * @filename:KryoCodecUtil.java
 * @description:KryoCodecUtil功能模塊
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
 * @blog http://www.cnblogs.com/jietang/
 * @since 2016-8-11
 */
public class KryoCodecUtil implements MessageCodecUtil {

    private KryoPool pool;

    public KryoCodecUtil(KryoPool pool) {
        this.pool = pool;
    }

    public void encode(final ByteBuf out, final Object message) throws IOException {
        ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = null;
        try {
            byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
            KryoSerialize kryoSerialization = new KryoSerialize(pool);
            kryoSerialization.serialize(byteArrayOutputStream, message);
            byte[] body = byteArrayOutputStream.toByteArray();
            int dataLength = body.length;
            out.writeInt(dataLength);
            out.writeBytes(body);
        } finally {
            byteArrayOutputStream.close();
        }
    }

    public Object decode(byte[] body) throws IOException {
        ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = null;
        try {
            byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(body);
            KryoSerialize kryoSerialization = new KryoSerialize(pool);
            Object obj = kryoSerialization.deserialize(byteArrayInputStream);
            return obj;
        } finally {
            byteArrayInputStream.close();
        }
    }
}

package com.newlandframework.avatarmq.serialize;

import com.esotericsoftware.kryo.Kryo;
import com.esotericsoftware.kryo.io.Input;
import com.esotericsoftware.kryo.io.Output;
import com.esotericsoftware.kryo.pool.KryoPool;
import com.google.common.io.Closer;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;

/**
 * @filename:KryoSerialize.java
 * @description:KryoSerialize功能模塊
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
 * @blog http://www.cnblogs.com/jietang/
 * @since 2016-8-11
 */
public class KryoSerialize {

    private KryoPool pool = null;
    private Closer closer = Closer.create();

    public KryoSerialize(final KryoPool pool) {
        this.pool = pool;
    }

    public void serialize(OutputStream output, Object object) throws IOException {
        try {
            Kryo kryo = pool.borrow();
            Output out = new Output(output);
            closer.register(out);
            closer.register(output);
            kryo.writeClassAndObject(out, object);
            pool.release(kryo);
        } finally {
            closer.close();
        }
    }

    public Object deserialize(InputStream input) throws IOException {
        try {
            Kryo kryo = pool.borrow();
            Input in = new Input(input);
            closer.register(in);
            closer.register(input);
            Object result = kryo.readClassAndObject(in);
            pool.release(kryo);
            return result;
        } finally {
            closer.close();
        }
    }
}

Netty Core： 基于Netty對producer、consumer、broker的網絡事件處理器（Handler）進行封裝處理，核心模塊在：com.newlandframework.avatarmq.netty包之下。其中broker的Netty網絡事件處理器為ShareMessageEventWrapper、producer的Netty網絡事件處理器為MessageProducerHandler、consumer的Netty網絡事件處理器為MessageConsumerHandler。其對應的類圖為：

可以看到，他們共同的父類是：MessageEventWrapper。該類的代碼簡要說明如下：

package com.newlandframework.avatarmq.netty;

import com.newlandframework.avatarmq.core.HookMessageEvent;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import org.springframework.aop.framework.ProxyFactory;
import org.springframework.aop.support.NameMatchMethodPointcutAdvisor;

/**
 * @filename:MessageEventWrapper.java
 * @description:MessageEventWrapper功能模塊
 * @author tangjie<https://github.com/tang-jie>
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 * @since 2016-8-11
 */
public class MessageEventWrapper<T> extends ChannelInboundHandlerAdapter implements MessageEventHandler, MessageEventProxy {

    final public static String proxyMappedName = "handleMessage";
    protected MessageProcessor processor;
    protected Throwable cause;
    protected HookMessageEvent<T> hook;
    protected MessageConnectFactory factory;
    private MessageEventWrapper<T> wrapper;

    public MessageEventWrapper() {

    }

    public MessageEventWrapper(MessageProcessor processor) {
        this(processor, null);
    }

    public MessageEventWrapper(MessageProcessor processor, HookMessageEvent<T> hook) {
        this.processor = processor;
        this.hook = hook;
        this.factory = processor.getMessageConnectFactory();
    }

    public void handleMessage(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
        return;
    }

    public void beforeMessage(Object msg) {

    }

    public void afterMessage(Object msg) {

    }

    //管道鏈路激活
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        super.channelActive(ctx);
    }

    //讀管道數據
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
            throws Exception {
        super.channelRead(ctx, msg);

        ProxyFactory weaver = new ProxyFactory(wrapper);
        NameMatchMethodPointcutAdvisor advisor = new NameMatchMethodPointcutAdvisor();
        advisor.setMappedName(MessageEventWrapper.proxyMappedName);
        advisor.setAdvice(new MessageEventAdvisor(wrapper, msg));
        weaver.addAdvisor(advisor);

        //具體的如何處理管道中的數據，直接由producer、consumer、broker自行決定
        MessageEventHandler proxyObject = (MessageEventHandler) weaver.getProxy();
        proxyObject.handleMessage(ctx, msg);
    }

    //管道鏈路失效，可能網絡連接斷開了，后續如果重連broker，可以在這里做文章
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        super.channelInactive(ctx);
    }

    public void setWrapper(MessageEventWrapper<T> wrapper) {
        this.wrapper = wrapper;
    }
}

整個AvatarMQ消息隊列系統的運行情況，可以參考： Netty構建分布式消息隊列（AvatarMQ）設計指南之架構篇，里面說的很詳細了，本文就不具體演示了。

下圖是VisualVM監控AvatarMQ中broker服務器的CPU使用率曲線。

可以發現，隨著消息的堆積，broker進行消息投遞、ACK應答的壓力增大，CPU的使用率明細提高。現在具體看下broker的CPU使用率增高的原因是調用哪個熱點方法呢？

從下圖可以看出，熱點方法是：SemaphoreCache的acquire。

這個是因為broker接收來自生產者消息的同時，會先把消息緩存起來，然后利用多線程機制進行消息的分派，這個時候會對信號量維護的許可集合進行獲取操作，獲取成功之后，才能進行任務的派發，主要防止臨界區的共享資源競爭。這里的Semaphore是用來控制多線程訪問共享資源（生產者過來的消息），類似操作系統中的PV原語，P原語相當于acquire()，V原語相當于release()。

寫在最后

本文通過一個基于Netty構建分布式消息隊列系統（AvatarMQ），簡單地闡述了一個極簡消息中間件的內部結構、以及如何利用Netty，構建生產者、消費者消息路由的通信模塊。一切都是從零開始，開發、實現出精簡版的消息中間件！本系列文章的主要靈感源自，自己業余時間，閱讀到的一些消息隊列原理闡述文章以及相關開源消息中間件的源代碼，其中也結合了自己的一些理解和體會。由于自身技術水平、理解能力方面的限制，不能可能擁有大師一樣高屋建瓴的視角，本文有說得不對、寫的不好的地方，懇請廣大同行批評指正。現在，文章寫畢，算是對自己平時學習的一些經驗總結，在這之前，對于消息中間件都是很簡單的使用別人造好的輪子，沒有更多的深入了解背后的技術細節，只是單純的覺得別人寫的很強大、很高效。其實有的時候提升自己能力，要更多的深究其背后的技術原理，舉一反三，而不是簡單的蜻蜓點水，一味地點到為止，長此以往、日復一日，自身的技術積累就很難有質的飛躍。

AvatarMQ一定還有許多不足、瓶頸甚至是bug，確實它不是一個完美的消息中間件，真因為如此，還需要不斷地進行重構優化。后續本人還會持續更新、維護這個開源項目，希望有興趣的朋友，共同關注！

來自：http://www.cnblogs.com/jietang/p/5847458.html

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