浅析延迟消息的实现方案

原创蒲彩琳新东方技术

生产者把消息发送到消息队列中以后，并不期望被立即消费，而是等待指定时间后才可以被消费者消费，这类消息通常被称为延迟消息。延迟消息的应用场景其实是非常的广泛，比如以下的场景：

· 网上直播授课时，在课程开始前15分钟通知所有学生准备上课。

· 订单提交成功后1个小时内未支付，订单需要及时关闭并且释放对应商品的库存。

· 用户超过15天未登录时，给该用户发送召回推送。

· 工单提交后超过24小时未处理，向相关责任人发送催促处理的提醒。

针对延迟消息，本文向大家分享五种实现方案，下面我们就来逐一讨论各种方案的大致实现和优缺点。

1 Redis

在Redis中，有一种有序集合（Sorted Set）的数据结构，在有序集合中，所有元素是按照其 Score 进行排序的。我们可以把消息被消费的预期时间戳作为Score，定时任务不断读取Score大于当前时间的元素即可。基本流程如下：

1. 调用API，传入执行时间、消息体等数据。

2. 生成唯一key，把消息体数据序列化后存入Redis的String结构中。

3. 把key和执行时间的时间戳存入Redis的有序集合结构中，有序集合中不存储具体的消息体数据，而是存储唯一的key。

4. 定时任务不断读取时间戳最小的消息。

5. 如果时间戳小于当前时间，将key放入作为队列的Redis的List结构中。

6. 另外一个定时任务不断从队列中读取需要消费的消息的key。

7. 根据key获取消息体数据，对消息进行消费。

8. 如果消费消息成功，删除key对应的消息体数据。

9. 如果消费消息失败，重新存入key和时间戳（加60秒）。

具体方案如下图：

为了避免一个有序集合中存储过多的延时消息，存入操作以及查询操作速度变慢的问题，可以建立多个有序集合，通过哈希算法把消息路由到不同的有序集合中去。

优点

简单实用，快速落地。

缺点

· 单个有序集合无法支持太大的数据量。

· 定时任务不断读取可能造成不必要的请求。

所以，Redis方案并不是一个十分成熟的方案，只是一个支持小消息量可以快速落地的方案。

2 RabbitMQ

RabbitMQ本身是不支持延迟消息功能的，一般的做法，是通过最大生存时间（Time-To-Live）和死信交换机（Dead Letter Exchanges）两个特性模拟出延迟消息的功能。消息超过最大生存时间没有被消费就变成一条死信，便会被重新投递到死信交换机，然后死信交换机根据绑定规则转发到对应的死信队列上，监听该队列就可以让消息被重新消费。

不过，在RabbitMQ的3.5.8版本以后，我们就可以使用官方推荐的rabbitmq delayed message exchange插件很方便地实现延迟消息的功能。

安装插件

首先去官方插件列表页面 https://www.rabbitmq.com/community-plugins.html 下载rabbitmq_delayed_message_exchang插件，然后复制到RabbitMQ每个节点的plugins目录中。使用命令启用插件：

rabbitmq-plugins enable rabbitmq_delayed_message_exchange

一旦插件被启用，我们就可以开始使用它了。

使用示例

安装该插件后会生成支持延迟投递机制的Exchange类型：x-delayed-message。接收到该类型的消息后不会立即将消息投递至目标队列中，而是存储在mnesia表中，检测消息达到可投递时间时再投递到目标队列。

使用延迟消息时，需要先声明一个x-delayed-message类型的交换器机：

Map<String, Object> args = new HashMap<>();
args.put("x-delayed-type", "direct");
channel.exchangeDeclare("one-more-exchange", "x-delayed-message", true, false, args);

发送延迟消息，其中在header中添加x-delay，表示延迟的毫秒数：

byte[] messageBodyBytes = "This is a delayed message".getBytes();
AMQP.BasicProperties.Builder props = new AMQP.BasicProperties.Builder();
headers = new HashMap<String, Object>();
headers.put("x-delay", 5000);
props.headers(headers);
channel.basicPublish("one-more-exchange", "", props.build(), messageBodyBytes);

优点

大品牌中间件，可靠稳定。

缺点

由于master单节点，导致性能瓶颈，吞吐量受限。

3 ActiveMQ

ActiveMQ在5.4及以上版本开始支持持久化的延迟消息功能，甚至支持Cron表达式。默认是该功能是不开启的，如果开启需要修改配置文件activemq.xml，在broker节点上把schedulerSupport属性设置为true，如：

<broker xmlns="http://activemq.apache.org/schema/core" schedulerSupport="true">
</broker>

当服务端开启延迟消息功能以后，客户端就可以利用下面的属性发送延迟消息：

· AMQ_SCHEDULED_DELAY：该消息延迟发送的时间，单位为毫秒。

· AMQ_SCHEDULED_PERIOD：每次重新发送该消息的时间间隔，单位为毫秒。

· AMQ_SCHEDULED_REPEAT：重新发送该消息的次数。

· AMQ_SCHEDULED_CRON：使用Cron表达式设置发送该消息的时机。

使用示例

1. 消息延迟60秒发送：

MessageProducer producer = session.createProducer(destination);
TextMessage message = session.createTextMessage("This is a delayed message");
message.setLongProperty(ScheduledMessage.AMQ_SCHEDULED_DELAY, 60 * 1000);
producer.send(message);

2. 消息延迟60秒发送，并且重复发送5次，每次间隔10秒：

MessageProducer producer = session.createProducer(destination);
TextMessage message = session.createTextMessage("This is a delayed message");
message.setLongProperty(ScheduledMessage.AMQ_SCHEDULED_DELAY, 60 * 1000);
message.setLongProperty(ScheduledMessage.AMQ_SCHEDULED_PERIOD, 10 * 1000);
message.setIntProperty(ScheduledMessage.AMQ_SCHEDULED_REPEAT, 4);
producer.send(message);

3. 利用Cron表达式，每天的凌晨3点发送一次消息：

MessageProducer producer = session.createProducer(destination);
TextMessage message = session.createTextMessage("This is a delayed message");
message.setStringProperty(ScheduledMessage.AMQ_SCHEDULED_CRON, " 0 3 * * *");
producer.send(message);

需要注意的是，Cron表达式是由5位组成的，分别表示分钟（059）、小时（023）、日（131）、月（112）、星期（0~6，表示星期日到星期六）。

4. Cron表达式的优先级高于其他参数，如果在设置了Cron表达式的同时，也设置了其他参数，那么会在每次CRON执行时，再应用其他参数。比如，消息延迟60秒发送，并且重复发送5次，每次间隔10秒，并且每个小时都发送这一系列消息：

MessageProducer producer = session.createProducer(destination);
TextMessage message = session.createTextMessage("test msg");
message.setStringProperty(ScheduledMessage.AMQ_SCHEDULED_CRON, "0 * * * *");
message.setLongProperty(ScheduledMessage.AMQ_SCHEDULED_DELAY, 60 * 1000);
message.setLongProperty(ScheduledMessage.AMQ_SCHEDULED_PERIOD, 10 * 1000);
message.setIntProperty(ScheduledMessage.AMQ_SCHEDULED_REPEAT, 4);
producer.send(message);

优点

大品牌中间件，可靠稳定，甚至支持Cron表达式。

缺点

由于master单节点，导致性能瓶颈，吞吐量受限。

4 RocketMQ

在RocketMQ中，支持延迟消息，但是不支持任意时间精度的延迟消息，只支持特定级别的延迟消息。如果要支持任意时间精度，不能避免在Broker层面做消息排序，再涉及到持久化的考量，那么消息排序就不可避免产生巨大的性能开销。

消息延迟级别分别为1s 5s 10s 30s 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m 20m 30m 1h 2h，共18个级别。在发送消息时，设置消息延迟级别即可，设置消息延迟级别时有以下3种情况：

1. 设置消息延迟级别等于0时，则该消息为非延迟消息。

2. 设置消息延迟级别大于等于1并且小于等于18时，消息延迟特定时间，如：设置消息延迟级别等于1，则延迟1s；设置消息延迟级别等于2，则延迟5s，以此类推。

3. 设置消息延迟级别大于18时，则该消息延迟级别为18，如：设置消息延迟级别等于20，则延迟2h。

使用示例

首先，写一个消费者，用于消费延迟消息：

public class Consumer {

    public static void main(String[] args) throws MQClientException {
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss.SSS");

        // 实例化消费者
        DefaultMQPushConsumer consumer = new DefaultMQPushConsumer("OneMoreGroup");

        // 设置NameServer的地址
        consumer.setNamesrvAddr("localhost:9876");

        // 订阅一个或者多个Topic，以及Tag来过滤需要消费的消息
        consumer.subscribe("OneMoreTopic", "*");
        // 注册回调实现类来处理从broker拉取回来的消息
        consumer.registerMessageListener((MessageListenerConcurrently) (msgs, context) -> {
            System.out.printf("%s %s Receive New Messages:%n"
                , sdf.format(new Date())
                , Thread.currentThread().getName());
            for (MessageExt msg : msgs) {
                System.out.printf("\tMsg Id: %s%n", msg.getMsgId());
                System.out.printf("\tBody: %s%n", new String(msg.getBody()));
            }
            // 标记该消息已经被成功消费
            return ConsumeConcurrentlyStatus.CONSUME_SUCCESS;
        });
        // 启动消费者实例
        consumer.start();
        System.out.println("Consumer Started.");
    }
}

再写一个延迟消息的生产者，用于发送延迟消息：

public class DelayProducer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss.SSS");

        // 实例化消息生产者Producer
        DefaultMQProducer producer = new DefaultMQProducer("OneMoreGroup");
        // 设置NameServer的地址
        producer.setNamesrvAddr("localhost:9876");
        // 启动Producer实例
        producer.start();

        Message msg = new Message("OneMoreTopic"
            , "DelayMessage", "This is a delay message.".getBytes());

        //"1s 5s 10s 30s 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m 10m 20m 30m 1h 2h"
        //设置消息延迟级别为3，也就是延迟10s。
        msg.setDelayTimeLevel(3);

        // 发送消息到一个Broker
        SendResult sendResult = producer.send(msg);
        // 通过sendResult返回消息是否成功送达
        System.out.printf("%s Send Status: %s, Msg Id: %s %n"
            , sdf.format(new Date())
            , sendResult.getSendStatus()
            , sendResult.getMsgId());

        // 如果不再发送消息，关闭Producer实例。
        producer.shutdown();
    }
}

运行生产者以后，就会发送一条延迟消息：

10:37:14.992 Send Status: SEND_OK, Msg Id: C0A8006D5AB018B4AAC216E0DB690000

10秒钟后，消费者收到的这条延迟消息：

10:37:25.026 ConsumeMessageThread_1 Receive New Messages:
	Msg Id: C0A8006D5AB018B4AAC216E0DB690000
	Body: This is a delay message.

优点

分布式、高吞吐量、高性能、高可靠。

缺点

仅支持18个特定级别的延时，无法自定义延时时间。

5 定制RocketMQ

上面所说的不支持自定义延时时间的RocketMQ是开源版的，但是在阿里云中商业版的RocketMQ是支持的，可能因为是业务需求不强或商业因素考虑，究竟什么原因不得而知。有条件的可以直接上阿里云；没有条件的可以修改开源版RocketMQ的源码，实现自己的需求。知己知彼，百战不殆，先看看RocketMQ开源版本中，支持18个时间级别是怎么实现的：

原理分析

以下分析的RocketMQ源码的版本号是4.7.1，版本不同源码略有差别。

CommitLog

在CommitLog中，针对延迟消息做了一些处理：

// 延迟级别大于0，就是延时消息
if (msg.getDelayTimeLevel() > 0) {
    // 判断当前延迟级别，如果大于最大延迟级别，
    // 就设置当前延迟级别为最大延迟级别。
    if (msg.getDelayTimeLevel() > this.defaultMessageStore
            .getScheduleMessageService().getMaxDelayLevel()) {
        msg.setDelayTimeLevel(this.defaultMessageStore
            .getScheduleMessageService().getMaxDelayLevel());
    }

    // 获取延迟消息的主题，
    // 其中RMQ_SYS_SCHEDULE_TOPIC的值为SCHEDULE_TOPIC_XXXX
    topic = TopicValidator.RMQ_SYS_SCHEDULE_TOPIC;
    // 根据延迟级别获取延迟消息的队列Id，
    // 队列Id其实就是延迟级别减1
    queueId = ScheduleMessageService.delayLevel2QueueId(msg.getDelayTimeLevel());

    // 备份真正的主题和队列Id
    MessageAccessor.putProperty(msg
        , MessageConst.PROPERTY_REAL_TOPIC, msg.getTopic());
    MessageAccessor.putProperty(msg
        , MessageConst.PROPERTY_REAL_QUEUE_ID, String.valueOf(msg.getQueueId()));
    msg.setPropertiesString(MessageDecoder.messageProperties2String(msg.getProperties()));

    // 设置延时消息的主题和队列Id
    msg.setTopic(topic);
    msg.setQueueId(queueId);
}

可以看到，每一个延迟消息的主题都被暂时更改为SCHEDULE_TOPIC_XXXX，并且根据延迟级别延迟消息变更了新的队列Id。接下来，处理延迟消息的就是ScheduleMessageService。

ScheduleMessageService

ScheduleMessageService是由DefaultMessageStore进行初始化的，初始化包括构造对象和调用load方法。最后，再执行ScheduleMessageService的start方法：

public void start() {
    // 使用AtomicBoolean确保start方法仅有效执行一次
    if (started.compareAndSet(false, true)) {
        this.timer = new Timer("ScheduleMessageTimerThread", true);
        // 遍历所有延迟级别
        for (Map.Entry<Integer, Long> entry : this.delayLevelTable.entrySet()) {
            // key为延迟级别
            Integer level = entry.getKey();
            // value为延迟级别对应的毫秒数
            Long timeDelay = entry.getValue();
            // 根据延迟级别获得对应队列的偏移量
            Long offset = this.offsetTable.get(level);
            // 如果偏移量为null，则设置为0
            if (null == offset) {
                offset = 0L;
            }

            if (timeDelay != null) {
                // 为每个延迟级别创建定时任务，
                // 第一次启动任务延迟为FIRST_DELAY_TIME，也就是1秒
                this.timer.schedule(new DeliverDelayedMessageTimerTask(level, offset), FIRST_DELAY_TIME);
            }
        }

        // 延迟10秒后每隔flushDelayOffsetInterval执行一次任务，
        // 其中，flushDelayOffsetInterval默认配置也为10秒
        this.timer.scheduleAtFixedRate(new TimerTask() {

            @Override
            public void run() {
                try {
                    // 持久化每个队列消费的偏移量
                    if (started.get()) ScheduleMessageService.this.persist();
                } catch (Throwable e) {
                    log.error("scheduleAtFixedRate flush exception", e);
                }
            }
        }, 10000, this.defaultMessageStore
        	.getMessageStoreConfig().getFlushDelayOffsetInterval());
    }
}

遍历所有延迟级别，根据延迟级别获得对应队列的偏移量，如果偏移量不存在，则设置为0。然后为每个延迟级别创建定时任务，第一次启动任务延迟为1秒，第二次及以后的启动任务延迟才是延迟级别相应的延迟时间。

然后，又创建了一个定时任务，用于持久化每个队列消费的偏移量。持久化的频率由flushDelayOffsetInterval属性进行配置，默认为10秒。

定时任务

ScheduleMessageService的start方法执行之后，每个延迟级别都创建自己的定时任务，这里的定时任务的具体实现就在DeliverDelayedMessageTimerTask类之中，它核心代码是executeOnTimeup方法之中，我们来看一下主要部分：

// 根据主题和队列Id获取消息队列
ConsumeQueue cq =
    ScheduleMessageService.this.defaultMessageStore.findConsumeQueue(
        TopicValidator.RMQ_SYS_SCHEDULE_TOPIC
            , delayLevel2QueueId(delayLevel));

如果没有获取到对应的消息队列，则在DELAY_FOR_A_WHILE（默认为100）毫秒后再执行任务。如果获取到了，就继续执行下面操作：

// 根据消费偏移量从消息队列中获取所有有效消息
SelectMappedBufferResult bufferCQ = cq.getIndexBuffer(this.offset);

如果没有获取到有效消息，则在DELAY_FOR_A_WHILE（默认为100）毫秒后再执行任务。如果获取到了，就继续执行下面操作：

// 遍历所有消息
for (; i < bufferCQ.getSize(); i += ConsumeQueue.CQ_STORE_UNIT_SIZE) {
    // 获取消息的物理偏移量
    long offsetPy = bufferCQ.getByteBuffer().getLong();
    // 获取消息的物理长度
    int sizePy = bufferCQ.getByteBuffer().getInt();
    long tagsCode = bufferCQ.getByteBuffer().getLong();
    
    // 省略部分代码...

    long now = System.currentTimeMillis();
    // 计算消息应该被消费的时间
    long deliverTimestamp = this.correctDeliverTimestamp(now, tagsCode);
	// 计算下一条消息的偏移量
    nextOffset = offset + (i / ConsumeQueue.CQ_STORE_UNIT_SIZE)

	long countdown = deliverTimestamp - now;
    // 省略部分代码...
}

如果当前消息不到消费的时间，则在countdown毫秒后再执行任务。如果到消费的时间，就继续执行下面操作：

// 根据消息的物理偏移量和大小获取消息
MessageExt msgExt = ScheduleMessageService.this.defaultMessageStore.lookMessageByOffset(offsetPy, sizePy);

如果获取到消息，则继续执行下面操作：

// 重新构建新的消息，包括：
// 1.清除消息的延迟级别
// 2.恢复真正的消息主题和队列Id
MessageExtBrokerInner msgInner = this.messageTimeup(msgExt);

// 重新把消息发送到真正的消息队列上
PutMessageResult putMessageResult =
    ScheduleMessageService.this.writeMessageStore
        .putMessage(msgInner);

清除了消息的延迟级别，并且恢复了真正的消息主题和队列Id，重新把消息发送到真正的消息队列上以后，消费者就可以立即消费了。

由于篇幅限制，其中源码的细节不做过多展开，有兴趣的小伙伴可以去GitHub https://github.com/apache/rocketmq 上下载源码仔细阅读。

定制化方案

经过以上对源码的分析，可以总结出延迟消息的实现步骤：

1. 如果消息的延迟级别大于0，则表示该消息为延迟消息，修改该消息的主题为SCHEDULE_TOPIC_XXXX，队列Id为延迟级别减1。

2. 消息进入SCHEDULE_TOPIC_XXXX的队列中。

3. 定时任务根据上次拉取的偏移量不断从队列中取出所有消息。

4. 根据消息的物理偏移量和大小再次获取消息。

5. 根据消息属性重新创建消息，清除延迟级别，恢复原主题和队列Id。

6. 重新发送消息到原主题的队列中，供消费者进行消费。

概括起来如下图：

在CommitLog中，我们可以根据自定义的延迟时间选择一个最大的延迟级别，比如：延迟15分钟消费的消息，那么最大的延迟级别就是10分钟。在ScheduleMessageService中，判断消息是否真的到了消费的时间，如果已到了消费的时间，则恢复原主题和队列Id；如果未到消费的时间，则选择最大延迟级别重新修改主题和队列ID。如下图：

消息主体以及元数据都存储在CommitLog中，队列中只存放了在CommitLog中的起始物理偏移量、消息大小和消息Tag的哈希值，虽然需要重新把消息放入队列中，但空间浪费还是比较有限的。

优点

分布式、高吞吐量、高性能、高可靠，支持自定义延时时间。

缺点

定制RocketMQ不易维护，无法升级新版本。

总结

从延迟消息的概念和应用场景出发，我们逐一讨论了五种不同的实现方案，分别是：

· 使用Redis的Sorted Set结构。

· 使用RabbitMQ的rabbitmq delayed message exchange插件。

· 使用ActiveMQ的5.4及以上版本的延迟消息功能。

· 使用RocketMQ仅支持特定级别的延迟消息。

· 定制RocketMQ，以重新计算延迟级别的方式实现自定义延时。

以上每个方案都是各自的优点和缺点，所以说延迟消息没有一个放之四海而皆准的方案，需要根据数据规模和业务需求的实际情况才能确定最适合的方案。

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