分布式延时消息的另外一种选择 Redisson

前言

因为工作中需要用到分布式的延时队列，调研了一段时间，选择使用 Redisson DelayedQueue，为了搞清楚内部运行流程，特记录下来。

总体流程大概是图中的这个样子，初看一眼有点不知从何下手，接下来我会通过以下几点来分析流程，相信看完本文你能了解整个运行流程。

• 基本使用
• 内部数据结构介绍
• 基本流程
• 发送延时消息
• 获取延时消息
• 初始化延时队列

基本使用

发送延迟消息代码如下，发送了一条延迟时间为 5s 的消息。

public void produce() {
  String queuename = "delay-queue";
  RBlockingQueue blockingQueue = redissonClient.getBlockingQueue(queuename);
  RDelayedQueue delayedQueue = redissonClient.getDelayedQueue(blockingQueue);
  delayedQueue.offer("测试延迟消息", 5, TimeUnit.SECONDS);
}

接收消息代码如下，可以看到 delayedQueue 是没有用到的，那么为什么要加这一行呢，这个后面总结部分回答。

public void consume() throws InterruptedException {
 String queuename = "delay-queue";
  RBlockingQueue blockingQueue = redissonClient.getBlockingQueue(queuename);
  RDelayedQueue delayedQueue = redissonClient.getDelayedQueue(blockingQueue);
  String msg = blockingQueue.take();
  //收到消息进行处理...
}

这两段代码可以写在两个不同的 Java 工程里，只要连接的是同一个 Redis 就行。

调用 comsume() 之后，如果队列里没有消息，会阻塞等待队列里有消息并且取到了才会返回。之所以这么说是因为可能有别的 Java 进程也在跟你一样取同一个队列里的消息，如果消息被另一个抢完了，那这时就还得阻塞等待。

这时看上去的原理是这样的：

生产者调用 offer() 后，自己内部开启一个定时器，等到了时间再发送到 redis 的 list 里。

如果是这样设计的话，相信大家都能看出来一个很简单的问题，要是延时时间还没到，生产者自己挂了，那样消息就丢了。所以还是让我们接着往下看。

内部数据结构介绍

redisson 源码里一共创建了三个队列：【消息延时队列】、【消息顺序队列】、【消息目标队列】。

假设在同一时间按照 msg1、msg2、msg3 的顺序发消息到延时队列，这三条消息就会被保存在【消息延时队列】和【消息顺序队列】。

可以看到【消息延时队列】的顺序是按照到期时间升序排列的，而不是像【消息顺序队列】按照插入顺序排。

消息到期后会将消息从前两个队列移除（怎么移？谁来移？），插入【消息目标队列】，也就是图中第三个队列。

消费者也是阻塞在【消息目标队列】上取消息。

这时可以简单说明下每个队列的作用：

• 【消息延时队列】利用按照到期时间排序的特性，可以很快找到下一个要到期的消息，客户端内部自己定时到【消息目标队列】取
• 【消息顺序队列】这个队列对分析的流程关联不大，可以忽略
• 【消息目标队列】存放到期的消息，供消费端取

其实【消息延时队列】队列里存的时间（也就是 zet 的 score）是到期的时间戳，为了画图方便，图里就画的是延迟的时间，不过不影响理解。

理解好这几个队列的名字和作用，后面还会一直用到，如果忘了可以翻回来回顾下。

因为书写理解方便和【消息顺序队列】在本文没涉及到，后面部分好几次提到的内容：把到期的消息从【消息延时队列】移到【消息目标队列】里，这句话实际的代码逻辑是这样：把【消息延时队列】和【消息顺序队列】里的到期消息移除，把它们插入到【消息目标队列】。

基本流程

知道了内部所使用到的数据结构后，这里可以简单说下整体的基本流程。

先说发送延迟消息，发送的延迟消息会先存在【消息延时队列】和【消息顺序队列】，如果【消息延时队列】原本是空的，会发布订阅信息提醒有新的消息。

获取延迟消息只需要从【消息目标队列】阻塞的取就行了，因为里面都是到期数据。

那么问题就只剩下怎么样判断时间到了，把【消息延时队列】里的消息移动到【消息目标队列】里呢？

这部分工作交给了初始化延时队列来处理。

这里面会定时从【消息延时队列】查询最新到期时间，定时去把【消息延时队列】里的消息移动到【消息目标队列】里。

如果【消息延时队列】是空的，就不会再定时查，而是等待发布订阅信息提醒，再定时把【消息延时队列】里的消息移动到【消息目标队列】里。

刚开始看可能有点抽象，可以看完底下一节内容之后，再回头来看这里对应的流程总结，可能会比较清晰。

发送延时消息

发送延时消息的逻辑比较简单，先看下发送的代码。

public void produce() {
  String queuename = "delay-queue";
  RBlockingQueue blockingQueue = redissonClient.getBlockingQueue(queuename);
  RDelayedQueue delayedQueue = redissonClient.getDelayedQueue(blockingQueue);
  delayedQueue.offer("测试延迟消息", 5, TimeUnit.SECONDS);
}

从 delayedQueue.offer 方法开始，最终会执行到 RedissonDelayedQueue 的 offerAsync 方法里。

offerAsync 方法的作用就是发送一段脚本给 redis 执行，脚本内容是：

• 将消息和到期时间插入【消息延时队列】和【消息顺序队列】
• 如果最近到期的消息是刚刚插入的消息，则对指定主题发布到期时间，目的是为了让客户端定时去把【消息延时队列】里的到期数据移动到【消息目标队列】

@Override
public RFuture offerAsync(V e, long delay, TimeUnit timeUnit) {
  if (delay < 0) {
   throw new IllegalArgumentException("Delay can't be negative");
  }

  long delayInMs = timeUnit.toMillis(delay);
  long timeout = System.currentTimeMillis() + delayInMs;

  long randomId = ThreadLocalRandom.current().nextLong();
  return commandExecutor.evalWriteNoRetryAsync(getRawName(), codec, RedisCommands.EVAL_VOID,
  "local value = struct.pack('dLc0', tonumber(ARGV[2]), string.len(ARGV[3]), ARGV[3]);" 
  + "redis.call('zadd', KEYS[2], ARGV[1], value);"
  + "redis.call('rpush', KEYS[3], value);"
  // if new object added to queue head when publish its startTime 
  // to all scheduler workers 
  + "local v = redis.call('zrange', KEYS[2], 0, 0); "
  + "if v[1] == value then "
  + "redis.call('publish', KEYS[4], ARGV[1]); "
  + "end;",
  Arrays.asList(getRawName(), timeoutSetName, queueName, channelName),
  timeout, randomId, encode(e));
}

获取延时消息

获取延时消息是本文最简单的一部分。

public void consume() throws InterruptedException {
  String queuename = "delay-queue";
  RBlockingQueue blockingQueue = redissonClient.getBlockingQueue(queuename);
  RDelayedQueue delayedQueue = redissonClient.getDelayedQueue(blockingQueue);
  String msg = blockingQueue.take();
  //收到消息进行处理...
}

blockingQueue.take() 方法其实只是对【消息目标队列】执行 blpop 阻塞的获取到期消息

初始化延时队列

看一下初始化的代码。

public void init() {
    String queuename = "delay-queue";
    RBlockingQueue blockingQueue = redissonClient.getBlockingQueue(queuename);
    RDelayedQueue delayedQueue = redissonClient.getDelayedQueue(blockingQueue);
}

入口就是在 redissonClient.getDelayedQueue(blockingQueue) 中，创建了 RedissonDelayedQueue 对象，并执行了构造方法里的逻辑。

那么这里面主要做了什么事呢？

主要是调用了 QueueTransferTask 的 start() 方法。

public void start() {
  RTopic schedulerTopic = getTopic();
  statusListenerId = schedulerTopic.addListener(new BaseStatusListener() {
      @Override
    public void onSubscribe(String channel) {
      pushTask();
    }
 });

 messageListenerId = schedulerTopic.addListener(Long.class, new MessageListener() {
      @Override
      public void onMessage(CharSequence channel, Long startTime) {
     scheduleTask(startTime);
   }
 });
}

这段代码主要是设置了指定主题（主题名：redisson_delay_queue_channel:{queuename}）两个发布订阅的监听器。

• 当指定主题有新订阅时调用 pushTask() 方法，里面又会调用 pushTaskAsync() 方法
• 当指定主题有新消息时调用 scheduleTask(startTime) 方法

需要注意的是，这里会先订阅指定主题，然后触发执行 onSubscribe() 方法。

所以我们主要搞懂这三个方法都是做什么的，那么整个初始化流程就明白了。

因为这三个方法是相互调用的，只看文字的话容易云里雾里，这里有个流程图，看方法解释文字的时候可以对照着流程图看比较有印象。

• scheduleTask()这个方法看起来多，但核心内容就是根据方法参数指定的时间调用 pushTask()。

private void scheduleTask(final Long startTime) {
  TimeoutTask oldTimeout = lastTimeout.get();
  if (startTime == null) {
    return;
  }

  if (oldTimeout != null) {
    oldTimeout.getTask().cancel();
  }

  long delay = startTime - System.currentTimeMillis();
  if (delay > 10) {
    Timeout timeout = connectionManager.newTimeout(new TimerTask() {                    
      @Override
      public void run(Timeout timeout) throws Exception {
        pushTask();

        TimeoutTask currentTimeout = lastTimeout.get();
        if (currentTimeout.getTask() == timeout) {
          lastTimeout.compareAndSet(currentTimeout, null);
        }
      }
    }, delay, TimeUnit.MILLISECONDS);
    if (!lastTimeout.compareAndSet(oldTimeout, new TimeoutTask(startTime, timeout))) {
      timeout.cancel();
    }
  } else {
    pushTask();
  }
}

• pushTaskAsync()这个方法是抽象方法，在创建 RedissonDelayedQueue 对象的时候传进来的，代码如下：

@Override
protected RFuture pushTaskAsync() {
  return commandExecutor.evalWriteAsync(getRawName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_LONG,
  "local expiredValues = redis.call('zrangebyscore', KEYS[2], 0, ARGV[1], 'limit', 0, ARGV[2]); "
  + "if #expiredValues > 0 then "
  + "for i, v in ipairs(expiredValues) do "
  + "local randomId, value = struct.unpack('dLc0', v);"
  + "redis.call('rpush', KEYS[1], value);"
  + "redis.call('lrem', KEYS[3], 1, v);"
  + "end; "
  + "redis.call('zrem', KEYS[2], unpack(expiredValues));"
  + "end; "
  // get startTime from scheduler queue head task
  + "local v = redis.call('zrange', KEYS[2], 0, 0, 'WITHSCORES'); "
  + "if v[1] ~= nil then "
  + "return v[2]; "
  + "end "
  + "return nil;",
  Arrays.asList(getRawName(), timeoutSetName, queueName),
  System.currentTimeMillis(), 100);
}

看不懂也不要紧，听我解释下就明白了。

这里发送了一段脚本给 redis 执行：

我的理解就是初始化的时候

1是为了处理旧的消息，比如生产者1发送了消息，然后时间没到自己下线了，这时如果没有其他客户端在线，就没有人能把数据从【消息目标队列】移到【消息目标队列】了。

2是返回的这个时间戳，会拿这个定时，等时间到了去【消息目标队列】拉取到期的消息。

简单总结就是这个方法是把到期消息从【消息延时队列】放到【消息目标队列】里，并且返回了最近要到期消息的时间戳。

• 从【消息延时队列】取出前一百条到期的消息，如果有的话，添加到【消息目标队列】里，并将这些消息从【消息延时队列】和【消息顺序队列】中移除
• 从【消息延时队列】取出下一条要到期的消息，返回它的到期时间戳（如果队列里没消息返回空）。

• pushTask()

private void pushTask() {
  RFuture startTimeFuture = pushTaskAsync();
  startTimeFuture.whenComplete((res, e) -> {
    if (e != null) {
      if (e instanceof RedissonShutdownException) {
        return;
      }
      log.error(e.getMessage(), e);
      scheduleTask(System.currentTimeMillis() + 5 * 1000L);
      return;
    }

    if (res != null) {
      scheduleTask(res);
    }
  });
}

这个代码看起来就比较简单，调用了 pushTaskAsync() 获取最近要到期消息的时间戳（异步封装了一下）。

有异常的话就调用 scheduleTask() 五秒后再执行一次 pushTask()。

没有异常的话如果有最近要到期消息的时间戳（说明【消息延时队列】里还有未到期消息），用这个最新到期时间调用 scheduleTask()，在这个指定的时间调用 pushTask()。

这个方法简单总结就是决定了要不要调用、什么时候再调用 pushTask()，主要操作逻辑都在 pushTaskAsync() 里（把到期的消息从【消息延时队列】移到【消息目标队列】供消费端消费）。

了解了上面几个方法的流程和含义，还记得一开头提到的添加了两个发布订阅的监听器吗？

1.当指定主题有新订阅时调用 pushTask() 方法，里面又会调用 pushTaskAsync() 方法

2.当指定主题有新消息时调用 scheduleTask(startTime) 方法

需要注意的是，这里会先订阅指定主题，然后触发执行 onSubscribe() 方法

• 在初始化延时队列刚启动的时候，处理到期旧数据：把到期的消息从【消息延时队列】移到【消息目标队列】供消费端消费；处理新数据：获取下次到期时间决定下次调用 pushTask() 的时间。上面讲的这种情况是站在当前客户端的视角，但毕竟这是监听订阅信息，如果启动不止一个客户端的话（就算是1个生产者1个消费者，也算两个客户端），总有一个客户端的订阅信息回调函数，会不会有问题？仔细想想是没有的，处理到期旧数据：之前启动的客户端已经处理完了；处理新数据：获取最近到期时间，在 scheduleTask() 里，如果之前有正在定时的任务，会把原来正在定时的任务取消掉。这个被取消的任务，时间要么就是当前这个时间，要么是之后的时间，取消掉不会影响逻辑。
• 为了应对原本【消息延时队列】里没消息了这种情况，流程结束了，重启定时去调用 pushTask() ，把到期的消息从【消息延时队列】移到【消息目标队列】供消费端消费。

总结

再放一下开头的图总体流程图：

• 初始化延时队列时会把【消息延时队列】里的到期数据移动到【消息目标队列】，没有也有可能；然后是找最近要到期的消息时间，定时去拉，这个刚启动也是可能没有的，不过不要紧，这两步是为了处理滞留在【消息延时队列】的旧数据（在发送了延时消息后，还没到期时所有客户端都下线了，这样就没人能把【消息延时队列】里的到期数据移动到【消息目标队列】里，就会出现这种情况）；最主要的还是设置了发布订阅监听器，当有人发送延时消息的时候能收到通知，定时去将【消息延时队列】里的到期数据移动到【消息目标队列】。
• 发送延时消息会先发送到【消息延时队列】和【消息顺序队列】，如果【消息延时队列】里没有数据，则将刚发送的到期时间发布到指定主题，提醒其他客户端有新消息。
• 初始化延时队列时设置的发布订阅监听器把【消息延时队列】里的到期数据移动到【消息目标队列】里。
• 获取延迟消息只需要执行 blpop 阻塞的获取【消息目标队列】的消息就可以了。

这里回答开头部分说的问题，到这看完了本文，你可以试着自己想一想这个问题的答案。

接收消息代码如下，可以看到 delayedQueue 是没有用到的，那么为什么要加这一行呢，这个后面总结部分回答。

public void consume() throws InterruptedException {
    String queuename = "delay-queue";
    RBlockingQueue blockingQueue = redissonClient.getBlockingQueue(queuename);
    RDelayedQueue delayedQueue = redissonClient.getDelayedQueue(blockingQueue);
    String msg = blockingQueue.take();
    //收到消息进行处理...
}

其实这个问题也是我开发过程中遇到的一个奇怪的地方，接收方代码没有初始化延时队列。

首先再啰嗦一句，初始化延时队列的作用是会定时去把【消息延时队列】里的到期数据移动到【消息目标队列】。

如果只有发送方初始化延时队列：

• 发送方发送了延迟消息，在到期之前下线了（它就不能把【消息延时队列】里的到期数据移动到【消息目标队列】），而且没有其他发送方。
• 接收方不管有多少个，都没人能把【消息延时队列】里的到期数据移动到【消息目标队列】。

所以接收方代码里也初始化延时队列能够避免一部分数据丢失问题。