根据源码，模拟实现 RabbitMQ - 从需求分析到实现核心类(1)

素颜马尾好姑娘i 2023-10-14 18:33 35阅读 0赞

**目录**

一、需求分析

1.1、对 Message Queue 的认识

1.2、消息队列核心概念

1.3、Broker Server 内部关键概念

1.4、Broker Server 核心 API （重点实现）

1.5、交换机类型

Direct 直接交换机

Fanout 扇出交换机

Topic 主题交换机

1.6、持久化

1.7、网络通信

通信流程

远程调用设计思想

1.8、模块设计图

二、实现核心类

2.1、交换机和队列的属性及绑定关系

2.2、Message 消息

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# 一、需求分析 #

--------------------

## 1.1、对 Message Queue 的认识 ##

消息队列就是把 阻塞队列 这样的数据结构，单独提取成了一个独立的程序进行部署，实现 “进程和进程之间 / 服务和服务之间” 的生产者消费者模型（分布式系统中则是一组服务器构成的集群）.

生产者消费者模型的好处如下：

1.  解耦合：在一个分布式系统中 服务器A 给 服务器B 发送请求，B 给 A 返回响应，这样 A 和 B 的耦合是比较大的（B 一旦挂了，A 这边也无法正常接收响应）；引入消息队列后，A 把请求发送给消息队列，B 再从消息队列中获取请求，就降低了耦合度（哪怕 B 挂了，A 也不用管，继续发送请求给消息队列，队列反馈响应）.
2.  削峰填谷：假设这样一个常见， A 是入口服务器， A 再调用 B 完成一些具体的业务，如果是 A 和 B 直接通信，突然有一天 A 收到用户请求的峰值，此时 B 也会随之感受到峰值；引入消息队列之后， A 把请求发给队列，这时候 B 就可以按照自己原有的节奏从队列中取请求，不至于一下子收到太多的并发量.

## 1.2、消息队列核心概念 ##

![e2cc6b5c412c47d194fa003da36056b0.png][]

生产者（Producer）：发布消息的客户端应用程序.

消费者（Consumer）：订阅消息的客户端应用程序，用于处理生产者产生的消息.

中间人（Broker）：消费者要拿到生产者的消息，需要经过中间人，用来削峰填谷.

发布（Publish）：生产者向中间人这里投递消息的过程.

订阅（Subscribe）：类似于订阅报纸，消费者要从中间人这里取到对应消息的前提是，先订阅消息.

消费（Consume）：消费者从中间人这里取数据的操作.

## 1.3、Broker Server 内部关键概念 ##

![02a88eda060a4fd381b0b59de7fa981e.png][]

**1.虚拟主机（Virtual Host）：**类似于 MySQL 中的 database，是一个 “逻辑” 上的数据集合.

实际的开发中，一个 Broker Server 也可以有多种不同类型的数据，可能会同时用来管理多组 业务线 上的数据，可以使用 Virtual Host 进行逻辑上的区分~

**2.交换机（Exchange）：**实际上，生产者是先把消息给了 Broker Server 上的某一个交换机，再由交换机把消息转发给对应的队列.

交换机就类似于公司的前台小姐姐，有一天你来面试，你就告诉前台小姐姐，然后她就会把你带到对应的楼层（队列）.

**3.队列（Queue）：**在一个大的消息队列中，可以又很多哥具体的小队列，他们用来存储消息实体，后续消费者也是从对应的队列中取数据.

**4.绑定（Binding）：**把交换机和队列之间，建立起关联关系.

可以把 交换机 和 队列 看作 数据库 中的 “多对多” 这样的关系.

**5.消息（Message）：**服务器 A 给 B 发的请求（通过 MQ 转发），就是一个消息，服务器 B 给 A 返回的响应（通过 MQ 转发）也是一个消息.

一个消息，可以视为是一个 字符串（二进制数据）。消息中具体包含啥样的数据，都是程序员自定义的.

> Ps：这些概念，既需要在内存中存储（方便，快），也需要在硬盘中存储（持久化）.

## 1.4、Broker Server 核心 API （重点实现） ##

1. 创建队列（queueDeclare）

这里不使用 Create 创建 这样的术语，而使用 Declare ，是因为这里以 RabbitMQ 为蓝本， Declare 表示 不存在则创建，存在就什么也不干.

2.销毁队列（queueDelete）

3.创建交换机（exchangeDeclare）

4.销毁交换机（exchangeDelete）

5.创建绑定（queueBind）

6.解除绑定（queueUnbind）

7.发布消息（basicPublish）

8.订阅消息（basicConsume）

9.确定消息（basicAck）

类似于 TCP 的确认应答机制，确认消息这个 api 就是让消费者显式告诉 broker server ，这个消息，我已经处理完毕了，提高整个系统的可靠性.

客户端除了提供以上 9 中方法，还需要提供 4 个方法：

1.创建 Connection

2.关闭 Connection

3.创建 Channel

4.关闭 Channel

![b512c31af99747e19a63255cd50cdf1e.png][]

一个 Connection 对象，就代表一个 TCP 连接，里面可以包含多个 Channel ，每隔 Channel 上面传输的数据都是互不相干的.

> 有了 Connection 了，为什么还要搞一个 Channel ？

TCP 中，建立 / 断开一个连接成本还是挺高的，因此，很多时候，不希望频繁的建立断开 TCP 连接，因此引入 Channel ，相比于 TCP，就要轻量很多. Connection 和 Channel 之间的关系，就类似于 “网线” 一样.

## 1.5、交换机类型 ##

交换机在转发消息的时候，按照转发规则，提供了几种不同的 交换机类型（ExchangeType）来描述这里不同的转发规则.

RabbitMQ 主要实现了 四种 交换机类型（也是 AMQP 协议定义的）

1.  Direct 直接交换机
2.  Fanout 扇出交换机
3.  Topic 主题交换机
4.  Header 消息头交换机

> Ps：这里主要实现前三种交换机类型，因为第四种交换机规则复杂，应用场景少，前三种就已经够用了.

### **Direct 直接交换机** ###

![7624023ec38e4ec8b96598ea53428946.png][]

有两个关键概念：

bindingKey：把队列和交换机绑定的时候，指定一个单词（类似于暗号）.

routingKey：生产者发送消息的时候，也指定一个单词.

当 routingKey 和 BindingKey 对上暗号了，就可以把这个消息转发到对应的队列中了.

生产者发送消息的时候，会指定一个 “目标队列的名字”（routingKey），交换机收到之后，就看看绑定的队列里，有没有匹配的队列（BindingKey），如果有，就转发过去（把消息塞进对应的队列中），如果没有，消息直接丢弃.

### Fanout 扇出交换机 ###

![a6710993405f44d29fcb38ecb2c3b101.png][]

会将接收到的消息广播到每一个跟其绑定的queue，最后交给对应的消费者，值得注意的是，**exchange****负责消息路由，而不是存储，路由失败则消息丢失。**

### Topic 主题交换机 ###

![35727b8289f641c68778f34469180865.png][]

有两个关键概念：

bindingKey：把队列和交换机绑定的时候，指定一个单词（类似于暗号）.

routingKey：生产者发送消息的时候，也指定一个单词.

当 routingKey 和 BindingKey 对上暗号了，就可以把这个消息转发到对应的队列中了.

> Ps：TopicExchange 与 DirectExchange 十分类似，区别在于routingKey必须是多个单词的列表，并且以 **.** 分割。

## 1.6、持久化 ##

上述这些概念（交换机、队列、绑定、消息....）对应的数据，都需要存储和管理起来，此时内存和硬盘都会各自存储一份，内存为主，硬盘为辅.

在内存中存储的原因：对于 MQ 来说，能够高效的转发处理数据式非常关键的，因此在内存上组织数据比硬盘上要快的多.

在硬盘上存储的原因：防止内存中的数据随着 进程重启/主机重启 而丢失.

> Ps：硬盘存储，这个持久化是相对于 内存 的，对于一个硬盘来说，存储的消息寿命一般为 几年~几十年（一直不通电的情况下）.

## 1.7、网络通信 ##

### 通信流程 ###

⽣产者和消费者都是客⼾端程序, broker server 则是作为服务器. 通过⽹络进⾏通信.

例如如下过程：

1.  客户端发送请求：生产者的代码中需要有一个方法 queueDeclare 来创建队列，这个方法内部要做的事情就是给服务器发送一个请求，告诉服务器，咱们要创建一个队列，以及队列长啥样子......
2.  服务器处理请求，并返回响应：broker server 收到这个请求之后，再执行服务器这边的 queueDeclare 方法，真正取给 内存/硬盘 上写一些数据，把这个队列给真正创建出来，再把创建 成功/失败 结果包装成响应，返回给客户端.
3.  客户端接收响应：当响应回来了，客户端的 queueDeclare 就会获取到这个响应，看到 创建队列成功，此时 queueDeclare 就算执行完毕了.

### 远程调用设计思想 ###

此处，客户端调用了一个本地方法，结果这个方法的背后，又给服务器发送了一系列消息，由服务器完成了一系列工作，站在调用者的角度，只是看到了这个功能完成了，并不知道背后的实现细节.

虽然调用的是一个本地方法，但实际上好像调用另一个远端服务器的方法一样~

这里可以认为是编写客户端服务器程序，通信过程中的一种设计思想——远程调用（RPC）

> 举个例子

以前有个美国的老哥，再大厂干活，但是他特别想摸鱼，于是他就找了一个中国人帮他干（有偿）. 同样级别的程序员，在美国工作的薪水是国内的 3-4 倍.

## 1.8、模块设计图 ##

![918500e4a4e44c10a6b8413292601d81.png][]

# 二、实现核心类 #

--------------------

![5d84ccd5504f40f39df3c2f3459dba37.png][]

> Ps：Spring boot、MyBatis

## 2.1、交换机和队列的属性及绑定关系 ##

我们可以使用 一个枚举类 表示三种交换机.

public enum ExchangeType {
    
        DIRECT(0),
        FANOUT(1),
        TOPIC(2);
    
        private final int type;
    
        private ExchangeType(int type) {
            this.type = type;
        }
    
        public int getType() {
            return type;
        }
    
    }

交换机属性如下

public class Exchange {
    
        //模仿 rabbitmq 使用 name 作为唯一身份标识
        private String name;
        //交换价类型，DIRECT,FANOUT,TOPIC
        private ExchangeType type = ExchangeType.DIRECT;
        //当前交换机是否要持久化存储，true 标识持久化.
        private boolean durable = false;
        //TODO: 若当前交换机没人使用了，就会自动删除
        private boolean autoDelete = false;
        //TODO: 表示创建交换机时可以指定一些额外的选项
        private Map<String, Object> arguments = new HashMap<>();
    
        public String getName() {
            return name;
        }
    
        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }
    
        public ExchangeType getType() {
            return type;
        }
    
        public void setType(ExchangeType type) {
            this.type = type;
        }
    
        public boolean isDurable() {
            return durable;
        }
    
        public void setDurable(boolean durable) {
            this.durable = durable;
        }
    
        public boolean isAutoDelete() {
            return autoDelete;
        }
    
        public void setAutoDelete(boolean autoDelete) {
            this.autoDelete = autoDelete;
        }
    
        public Map<String, Object> getArguments() {
            return arguments;
        }
    
        public void setArguments(Map<String, Object> arguments) {
            this.arguments = arguments;
        }
    }

队列属性如下

public class MSGQueue {
        //表示队列的身份标识
        private String name;
        //是否持久化，true 表示支持
        private boolean durable;
        //TODO: 这个属性为 true，表示队列只能被一个消费者使用, false表示大家都能用
        private boolean exclusive = false;
        //TODO: 自动删除，为 true 表示没有人使用以后自动删除
        private boolean autoDelete = false;
        //TODO: 扩展参数，自定义选项
        private Map<String, Object> arguments = new HashMap<>();
    
        public String getName() {
            return name;
        }
    
        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }
    
        public boolean isDurable() {
            return durable;
        }
    
        public void setDurable(boolean durable) {
            this.durable = durable;
        }
    
        public boolean isExclusive() {
            return exclusive;
        }
    
        public void setExclusive(boolean exclusive) {
            this.exclusive = exclusive;
        }
    
        public boolean isAutoDelete() {
            return autoDelete;
        }
    
        public void setAutoDelete(boolean autoDelete) {
            this.autoDelete = autoDelete;
        }
    
        public Map<String, Object> getArguments() {
            return arguments;
        }
    
        public void setArguments(Map<String, Object> arguments) {
            this.arguments = arguments;
        }
    }

交换机和队列绑定关系如下

public class Binding {
        //交换机身份标识
        private String exchangeName;
        //队列身份标识
        private String queueName;
        private String bindingKey;
    
        //绑定没必要设置持久化，因为没有意义，他存在的意义前提是 交换机和队列存在（持久化）
    
        public String getExchangeName() {
            return exchangeName;
        }
    
        public void setExchangeName(String exchangeName) {
            this.exchangeName = exchangeName;
        }
    
        public String getQueueName() {
            return queueName;
        }
    
        public void setQueueName(String queueName) {
            this.queueName = queueName;
        }
    
        public String getBindingKey() {
            return bindingKey;
        }
    
        public void setBindingKey(String bindingKey) {
            this.bindingKey = bindingKey;
        }
    }

## 2.2、Message 消息 ##

Message 消息主要分为：

1.  属性部分 BasicProperties（网络）：这是一个自定义类，里面承载着 Message 核心属性，如 消息的唯一身份标识、routingKey、是否需要持久化.......
2.  正文部分 byte\[\]：承载着具体的消息内容.
3.  辅助属性：通过 offsetBeg 和 offsetEnd 快速找到文件中某一个消息的具体位置（一个文件中会存储很多消息），这里约定的规则为 “前闭后开”（以字节为单位）；isValid 标识消息要删除，如果删除采用逻辑删除（并不是真的删除，而是标记为无效数据），这里约定 0x1 为有效数据、0x0 表示无效数据.

> Ps：前两个信息需要在网络上传输，并且写入文件，因此就需要通过 Serializable 序列化和反序列化（直接继承接口即可，不需要具体实现）~~
> 
> 而第三条不需要被序列化保存到文件中，这个属性主要是为了内存中的 Message 对象快速找到 文件中的 Message 对象，因此使用 trasient 修饰即可防止序列化

public class Message implements Serializable {
        //这两个属性是 Message 最核心的属性
        private BasicProperties basicProperties = new BasicProperties();
        private byte[] body;
    
        //以下是辅助类型的属性
        private transient long offsetBeg = 0; //消息数据的开头距离文件开头的位置偏移量(字节)
        private transient long offsetEnd = 0; //消息数据的结尾距离文件开头的位置偏移量(字节)
        //表示文件中的消息是否是有效消息(对文件中的消息，如果删除，使用逻辑删除)
        // 0x1 表示有效， 0x0 表示无效
        private byte isValid = 0x1;
    
        //创建一个工厂方法，让工厂方法创建 Message 对象
        //此方法中创建的 Message 对象，会自动生成唯一的 MessageId
        //万一 routingKey 和 basicProperties 里的 routingKey 冲突，以外面为主
        public static Message createMessageWithId(String routingKey, BasicProperties basicProperties, byte[] body) {
            Message message = new Message();
            if(basicProperties != null) {
                message.setBasicProperties(basicProperties);
            }
            //生成的 MessageId 以 M- 作为前缀
            message.setMessageId("M-" + UUID.randomUUID());
            message.setRoutingKey(routingKey);
            message.body = body;
            // offsetBeg, offsetEnd, isValid ，是消息持久化的时候才会用到，消息写入文件之前在进行设定
            return message;
        }
    
        public String getMessageId() {
            return basicProperties.getMessageId();
        }
    
        public void setMessageId(String messageId) {
            basicProperties.setMessageId(messageId);
        }
    
        public String getRoutingKey() {
            return basicProperties.getRoutingKey();
        }
    
        public void setRoutingKey(String routingKey) {
            basicProperties.setRoutingKey(routingKey);
        }
    
        public int getDeliverMode() {
            return basicProperties.getDeliverMode();
        }
    
        public void setDeliverMode(int mode) {
            basicProperties.setDeliverMode(mode);
        }
    
        public BasicProperties getBasicProperties() {
            return basicProperties;
        }
    
        public void setBasicProperties(BasicProperties basicProperties) {
            this.basicProperties = basicProperties;
        }
    
        public byte[] getBody() {
            return body;
        }
    
        public void setBody(byte[] body) {
            this.body = body;
        }
    
        public long getOffsetBeg() {
            return offsetBeg;
        }
    
        public void setOffsetBeg(long offsetBeg) {
            this.offsetBeg = offsetBeg;
        }
    
        public long getOffsetEnd() {
            return offsetEnd;
        }
    
        public void setOffsetEnd(long offsetEnd) {
            this.offsetEnd = offsetEnd;
        }
    
        public byte getIsValid() {
            return isValid;
        }
    
        public void setIsValid(byte isValid) {
            this.isValid = isValid;
        }
    }

Message 中的核心属性如下

public class BasicProperties implements Serializable {
    
        //消息的唯一标识(使用 UUID 保证唯一性)
        private String messageId;
        //和 bindingKey 做匹配
        //如果当前交换机类型是 DIRECT ，此时 routingKey 就表示要转发的队列名
        //如果当前交换机类型是 FANOUT ，此时 routingKey 无意义(不使用)
        //如果当前交换机类型是 TOPIC ，此时 routingKey 就是要和 bindingKey 做匹配，匹配才进行转发
        private String routingKey;
        //标识消息是否要持久化，1 表示不持久化， 2 表示持久化(rabbitmq 是这么搞得)
        private int deliverMode = 1;
    
        //RabbitMQ 还有其他属性，这里就不考虑了
    
    
        public String getMessageId() {
            return messageId;
        }
    
        public void setMessageId(String messageId) {
            this.messageId = messageId;
        }
    
        public String getRoutingKey() {
            return routingKey;
        }
    
        public void setRoutingKey(String routingKey) {
            this.routingKey = routingKey;
        }
    
        public int getDeliverMode() {
            return deliverMode;
        }
    
        public void setDeliverMode(int deliverMode) {
            this.deliverMode = deliverMode;
        }
    }

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