Haiger | 22 Mar 2016 | ( words)

有赞延迟队列设计

延迟队列，顾名思义它是一种带有延迟功能的消息队列。 那么，是在什么场景下我才需要这样的队列呢？

背景

我们先看看以下业务场景：

  • 当订单一直处于未支付状态时，如何及时的关闭订单，并退还库存？
  • 如何定期检查处于退款状态的订单是否已经退款成功？
  • 新创建店铺，N天内没有上传商品，系统如何知道该信息，并发送激活短信？等等

为了解决以上问题，最简单直接的办法就是定时去扫表。每个业务都要维护一个自己的扫表逻辑。 当业务越来越多时，我们会发现扫表部分的逻辑会非常类似。我们可以考虑将这部分逻辑从具体的业务逻辑里面抽出来，变成一个公共的部分。
那么开源界是否已有现成的方案呢？答案是肯定的。Beanstalkd（http://kr.github.io/beanstalkd/）， 它基本上已经满足以上需求。但是，在删除消息的时候不是特别方便，需要更多的成本。而且，它是基于C语言开发的，当时我们团队主流是PHP和Java，没法做二次开发。于是我们借鉴了它的设计思路，用Java重新实现了一个延迟队列。

设计目标

  • 消息传输可靠性：消息进入到延迟队列后，保证至少被消费一次。
  • Client支持丰富：由于业务上的需求，至少支持PHP和Python。
  • 高可用性：至少得支持多实例部署。挂掉一个实例后，还有后备实例继续提供服务。
  • 实时性：允许存在一定的时间误差。
  • 支持消息删除：业务使用方，可以随时删除指定消息。

整体结构

整个延迟队列由4个部分组成：

  • Job Pool用来存放所有Job的元信息。
  • Delay Bucket是一组以时间为维度的有序队列，用来存放所有需要延迟的／已经被reserve的Job（这里只存放Job Id）。
  • Timer负责实时扫描各个Bucket，并将delay时间大于等于当前时间的Job放入到对应的Ready Queue。
  • Ready Queue存放处于Ready状态的Job（这里只存放Job Id），以供消费程序消费。

如下图表述： Delay Queue

设计要点

基本概念

  • Job：需要异步处理的任务，是延迟队列里的基本单元。与具体的Topic关联在一起。
  • Topic：一组相同类型Job的集合（队列）。供消费者来订阅。

消息结构

每个Job必须包含一下几个属性：

  • Topic：Job类型。可以理解成具体的业务名称。
  • Id：Job的唯一标识。用来检索和删除指定的Job信息。
  • Delay：Job需要延迟的时间。单位：秒。（服务端会将其转换为绝对时间）
  • TTR（time-to-run)：Job执行超时时间。单位：秒。
  • Body：Job的内容，供消费者做具体的业务处理，以json格式存储。

具体结构如下图表示： Job Struct TTR的设计目的是为了保证消息传输的可靠性。

消息状态转换

每个Job只会处于某一个状态下：

  • ready：可执行状态，等待消费。
  • delay：不可执行状态，等待时钟周期。
  • reserved：已被消费者读取，但还未得到消费者的响应（delete、finish）。
  • deleted：已被消费完成或者已被删除。

下面是四个状态的转换示意图： Job State Flow

消息存储

在选择存储介质之前，先来确定下具体的数据结构：

  • Job Poll存放的Job元信息，只需要K/V形式的结构即可。key为job id，value为job struct。
  • Delay Bucket是一个有序队列。
  • Ready Queue是一个普通list或者队列都行。

能够同时满足以上需求的，非redis莫属了。
bucket的数据结构就是redis的zset，将其分为多个bucket是为了提高扫描速度，降低消息延迟。

通信协议

为了满足多语言Client的支持，我们选择Http通信方式，通过文本协议（json）来实现与Client端的交互。 目前支持以下协议：

  • 添加：{‘command’:’add’, ’topic’:’xxx’, ‘id’: ‘xxx’, ‘delay’: 30, ’TTR’: 60, ‘body’:‘xxx'}
  • 获取：{‘command’:’pop’, ’topic’:’xxx'}
  • 完成：{‘command’:’finish’, ‘id’:’xxx'}
  • 删除：{‘command’:’delete’, ‘id’:’xxx'}

body也是一个json串。
Response结构：{’success’:true/false, ‘error’:’error reason’, ‘id’:’xxx’, ‘value’:’job body'}
强调一下：job id是由业务使用方决定的，一定要保证全局唯一性。这里建议采用topic＋业务唯一id的组合。

举例说明一个Job的生命周期

  • 用户对某个商品下单，系统创建订单成功，同时往延迟队列里put一个job。job结构为：{‘topic':'orderclose’, ‘id':'ordercloseorderNoXXX’, ‘delay’:1800 ,’TTR':60 , ‘body':’XXXXXXX’}
  • 延迟队列收到该job后，先往job pool中存入job信息，然后根据delay计算出绝对执行时间，并以轮询(round-robbin)的方式将job id放入某个bucket。
  • timer每时每刻都在轮询各个bucket，当1800秒（30分钟）过后，检查到上面的job的执行时间到了，取得job id从job pool中获取元信息。如果这时该job处于deleted状态，则pass，继续做轮询；如果job处于非deleted状态，首先再次确认元信息中delay是否大于等于当前时间，如果满足则根据topic将job id放入对应的ready queue，然后从bucket中移除；如果不满足则重新计算delay时间，再次放入bucket，并将之前的job id从bucket中移除。
  • 消费端轮询对应的topic的ready queue（这里仍然要判断该job的合理性），获取job后做自己的业务逻辑。与此同时，服务端将已经被消费端获取的job按照其设定的TTR，重新计算执行时间，并将其放入bucket。
  • 消费端处理完业务后向服务端响应finish，服务端根据job id删除对应的元信息。

现有物理拓扑

deploy 目前采用的是集中存储机制，在多实例部署时Timer程序可能会并发执行，导致job被重复放入ready queue。为了解决这个问题，我们使用了redis的setnx命令实现了简单的分布式锁，以保证每个bucket每次只有一个timer thread来扫描。

设计不足的地方

timer是通过独立线程的无限循环来实现，在没有ready job的时候会对CPU造成一定的浪费。
消费端在reserve job的时候，采用的是http短轮询的方式，且每次只能取的一个job。如果ready job较多的时候会加大网络I/O的消耗。
数据存储使用的redis，消息在持久化上受限于redis的特性。
scale-out的时候依赖第三方（nginx）。

未来架构方向

基于wait／notify方式的Timer实现。
提供TCP长连的API，实现push或者long-polling的消息reserve方法。
拥有自己的存储方案（内嵌数据库、自定义数据结构写文件），确保消息的持久化。
实现自己的name-server。
考虑提供周期性任务的直接支持。

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