【RabbitMQ】一文详解消息可靠性

1.前言

RabbitMQ 是一款高性能、高可靠性的消息中间件，广泛应用于分布式系统中。它允许系统中的各个模块进行异步通信，提供了高度的灵活性和可伸缩性。然而，这种通信模式也带来了一些挑战，其中最重要的之一是确保消息的可靠性。

影响消息可靠性的因素主要有以下几点：

发送消息时连接RabbitMQ失败
发送时丢失：
- 生产者发送的消息未送达交换机；
- 消息到达交换机后未到达队列；
MQ 宕机，队列中的消息会丢失；
消费者接收到消息后未消费就宕机了。

2.生产者

2.1.生产者重连机制

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，RabbitMQ提供的消息发送时的重连机制。即：当RabbitTemplate与MQ连接超时后，多次重试。

在生产者yml文件添加配置开启重连机制

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

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。但是RabbitMQ提供的重试机制是阻塞式的重试。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，就需要合理配置等待时长和重试次数，或者使用异步线程来执行发送消息的代码

2.2.生产者确认机制

RabbitMQ的生产者确认机制（Publisher Confirm）是一种确保消息从生产者发送到MQ过程中不丢失的机制。当消息发送到 RabbitMQ 后，系统会返回一个结果给消息的发送者，表明消息的处理状态。这个结果有两种可能的值：

返回结果有两种方式：

publisher-confirm(发送者确认)
- 消息成功投递到交换机，返回ACK。
- 消息未投递到交换机，返回NACK。（可能是由于网络波动未能连接到RabbitMQ，可利用生产者重连机制解决）
publisher-return(发送者回执)
- 消息投递到交换机了，但是没有路由到队列。返回ACK和路由失败原因。（这种问题一般是因为路由键设置错误，可以人为规避）

通过这种机制，生产者在发送消息后获取返回的回执结果，从而采取对应的策略，如消息重发或记录失败信息。

3.数据持久化

3.1.配置持久化

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。这样会导致两个问题

RabbitMQ宕机，存在内存中的消息会丢失。
内存空间有限，当消费者故障或处理过慢时，会导致消息积压，引发MQ阻塞。

为了提升性能，默认情况下MQ的数据都是在内存存储的临时数据，重启后就会消失。RabbitMQ可以通过配置数据持久化，从而将消息保存在磁盘，包括：

交换机持久化（确保RabbitMQ重启后交换机仍然存在）
队列持久化（确保RabbitMQ重启后队列仍然存在）
消息持久化（确保RabbitMQ重启后队列中的消息仍然存在）

由于Spring会在创建队列时默认将交换机和队列设置为持久化，发送消息时也默认指定消息为持久化消息，因此不需要额外配置。

// 将消息指定为持久化消息
Message message = MessageBuilder
    .withBody("hello".getBytes(standardcharsets.UTF_8))
    .setDeliveryMode(MessageDeliveryMode.PERSISTENT).build();
// 给队列发送消息
rabbitTemplate.convertAndSend("simple.queue", message);

3.2.惰性队列

从RabbitMQ的3.6.0版本开始，就增加了Lazy Queue的概念，也就是惰性队列。

在3.12版本后，所有队列都是Lazy Queue模式，无法更改。

惰性队列的特点如下：

接收到消息后直接存入磁盘而非内存(内存中只保留最近的消息，默认2048条)
消费者要消费消息时才会从磁盘中读取并加载到内存
支持数百万条的消息存储

对于低于3.12版本的情况，可以使用注解的arguments来指定

@RabbitListener(bindings = @QueueBinding(
            value = @Queue(name = "grade.queue", durable = "true"),
            exchange = @Exchange(name = "intel.topic", type = ExchangeTypes.TOPIC),
            key = "intel.grade",
            arguments = @Argument(name = "x-queue-mode", value = "lazy")
    ))

3.3.为什么需要数据持久化？

数据持久化在 RabbitMQ 中有以下重要作用：

队列和交换机的持久化：

防止重启后丢失：将队列和交换机设置为持久化，可以防止 RabbitMQ 服务器重启后丢失这些队列和交换机，确保它们的存在和绑定关系保持不变。

消息的持久化：

安全性：
- 防止数据丢失：消息持久化后，可以防止 RabbitMQ 服务器重启或宕机时数据丢失，方便数据恢复，保证消息的可靠性和耐久性。
性能：
- 内存管理：未持久化的临时消息默认存储在内存中。内存空间有限，大量消息涌入时会导致内存占满，系统需要进行 page out 操作将消息写入磁盘。频繁的 page out 操作会严重影响性能。
- 预防内存溢出：通过持久化消息，可以缓解内存压力，防止因内存溢出导致的系统性能问题和崩溃。

4.消费者

4.1.消费者确认机制

为了确认消费者是否正确处理了消息，RabbitMQ提供了消费者确认机制。当消费者处理消息后，会返回回执信息给RabbitMQ。回执有三种值：

ack：消息处理成功，RabbitMQ从队列中删除消息。
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从队列中删除消息。

在SpringBoot项目中，我们可以通过配置文件选择回执信息的处理方式，一共有三种处理方式：

none：不处理。RabbitMQ 假定消费者获取消息后会一定会成功处理，因此消息投递后立即返回ack，将消息从队列中删除。
manual：手动模式。需要在业务代码结束后，调用SpringAMQP提供的API发送ack或reject，存在代码侵入问题，但比较灵活。
auto：自动模式。SpringAMQP利用AOP对我们的消息处理逻辑进行了环绕增强，返回结果如下：
- 如果消费者正常处理消息，自动返回ack并删除队列的消息。
- 如果消费者消息处理失败，自动返回nack并重新向消费者投递消息。
- 如果消息校验异常，自动返回reject并删除队列中的消息。

注意： 手动模式返回回执消息时通常需要显式指定requeue参数，当requeue=true时，表明消息需要重新入队；当requeue=false时，RabbitMQ将从队列删除消息。

spring:
  rabbitmq:
    listener:
      simple:
        prefetch: 1
        acknowledge-mode: auto # none，关闭ack；manual，手动ack；auto，自动 ack

4.2.消息失败重试机制

当消费者出现异常后，消息会不断requeue（重新入队）到队列，再重新发送给消费者，然后再次异常，再次requeue无限循环，导致mq的消息处理飙升，带来不必要的压力。

可以通过设置yml文件开启失败重试机制，在消息异常时利用本地重试，而不是无限制的进行requeue操作。

spring:
  rabbitmq:
    listener:
      simple:
        retry:
          enabled: true # 开启消费者失败重试
          initial-interval: 1000 # 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

4.3.消息失败处理策略

在开启重试模式后，重试次数耗尽，如果消息依然失败，则需要有 MessageRecoverer 接口来处理，它包含三种不同的实现：

RejectAndDontRequeueRecoverer：重试次数耗尽后，直接reject，丢弃消息，这是默认采取的方式；
ImmediateRequeueMessageRecoverer：重试次数耗尽后，返回nack，消息重新入队；
RepublishMessageRecoverer：重试耗尽后，将失败消息投递到指定的交换机。

5.死信队列

尽管通过以上设置可以确保消息在生产者、消息队列和消费者之间的传递过程中不会丢失，但在某些情况下，消费者仍可能无法成功处理消息（如消息重试次数耗尽后仍无法被消费）。这时候，我们需要一个机制来妥善处理这些无法被正常消费的消息。死信队列便是用于解决这一问题的兜底机制。

5.1.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）：

消息被拒绝： 当消费者明确拒绝一个消息并且设置不再重新入队（requeue=false）时，这个消息会被标记为死信。
消息过期： 每个消息或队列可以设置一个TTL（Time-To-Live），即消息的存活时间。如果消息在队列中停留的时间超过了这个TTL，消息会被认为过期，并被转移到死信队列。
队列达到最大长度： 如果队列设置了最大长度并且达到了这个限制，那么新进入的消息会被转移到死信队列中。

5.2.创建死信队列

5.2.1.创建死信交换机和死信队列

正常使用注解，创建交换机和队列即可

@RabbitListener(bindings = @QueueBinding(
    value = @Queue(name = "dead.queue", durable = "true",
                   arguments = @Argument(name = "x-queue-mode", value = "lazy")),
    exchange = @Exchange(name = "dead.exchange", type = ExchangeTypes.TOPIC),
    key = "dead.key"
))
public void deadLetterQueue(String msg) {
    System.out.println("您的消息已经死亡：" + msg);
}

5.2.2.绑定死信交换机

如果队列通过dead-letter-exchange属性指定了一个交换机，那么该队列中的死信就会投递到这个交换机中。这个交换机称为死信交换机（Dead Letter Exchange，简称DLX）

可以通过@Argument注解指定死信交互机和路由键，如下。

@RabbitListener(bindings = @QueueBinding(
            value = @Queue(name = "simple.queue", durable = "true",
                    arguments = {
                            @Argument(name = "x-queue-mode", value = "lazy"),
                            @Argument(name = "x-dead-letter-exchange", value = "dead.exchange"),
                            @Argument(name = "x-dead-letter-routing-key", value = "dead.key")
                    }),
            exchange = @Exchange(name = "simple.topic",
                    type = ExchangeTypes.TOPIC),
            key = "simple.key"
    ))