阿里面试官:如何回答消息队列的丢失、重复与积压问题

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面试官在面试候选人时,如果发现候选人的简历中写了在项目中使用了 MQ 技术(如KafkaRabbitMQRocketMQ),基本都会抛出一个问题:在使用 MQ的时候,怎么确保消息 100% 不丢失?

这个问题在实际工作中很常见,既能考察候选者对于 MQ 中间件技术的掌握程度,又能很好地区分候选人的能力水平。接下来,我们就从这个问题出发,探讨咱们应该掌握的基础知识和答题思路,以及延伸的面试考点。

案例背景

京东系统为例,用户在购买商品时,通常会选择用京豆抵扣一部分的金额,在这个过程中,交易服务和京豆服务通过 MQ 消息队列进行通信。在下单时,交易服务发送“扣减账户 X 100 个京豆”的消息给 MQ 消息队列,而京豆服务则在消费端消费这条命令,实现真正的扣减操作。

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那在这个过程中你会遇到什么问题呢?

案例分析

要知道,在互联网面试中,引入 MQ 消息中间件最直接的目的是:做系统解耦合流量控制,追其根源还是为了解决互联网系统的高可用和高性能问题。

  • 系统解耦:用 MQ 消息队列,可以隔离系统上下游环境变化带来的不稳定因素,比如京豆服务的系统需求无论如何变化,交易服务不用做任何改变,即使当京豆服务出现故障,主交易流程也可以将京豆服务降级,实现交易服务和京豆服务的解耦,做到了系统的高可用。
  • 流量控制:遇到秒杀等流量突增的场景,通过 MQ 还可以实现流量的“削峰填谷”的作用,可以根据下游的处理能力自动调节流量。

不过引入MQ虽然实现了系统解耦合流量控制,也会带来其他问题。

引入 MQ 消息中间件实现系统解耦,会影响系统之间数据传输的一致性。

在分布式系统中,如果两个节点之间存在数据同步,就会带来数据一致性的问题。同理,在本文中要解决的就是:消息生产端和消息消费端的消息数据一致性问题(也就是如何确保消息不丢失)。

而引入 MQ 消息中间件解决流量控制, 会使消费端处理能力不足从而导致消息积压,这也是咱们要解决的问题。

所以会发现,问题与问题之间往往是环环相扣的,面试官会借机考察咱们解决问题思路的连贯性和知识体系的掌握程度。

那面对“在使用 MQ 消息队列时,如何确保消息不丢失”这个问题时,要怎么回答呢?首先,我们要分析其中有几个考点,比如:

  • 如何知道有消息丢失?
  • 哪些环节可能丢消息?
  • 如何确保消息不丢失?

我们在回答时,要先让面试官知道我们的分析思路,然后再提供解决方案:网络中的数据传输不可靠,想要解决如何不丢消息的问题,首先要知道哪些环节可能丢消息,以及我们如何知道消息是否丢失了,最后才是解决方案(而不是上来就直接说自己的解决方案)。

就好比“架构设计”“架构”体现了架构师的思考过程,而“设计”才是最后的解决方案,两者缺一不可。

案例解答

我们首先来看消息丢失的环节,一条消息从生产到消费完成这个过程,可以划分三个阶段,分别为消息生产阶段,消息存储阶段和消息消费阶段。

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  • 消息生产阶段:从消息被生产出来,然后提交给 MQ 的过程中,只要能正常收到 MQ Broker 的 ack 确认响应,就表示发送成功,所以只要处理好返回值和异常,这个阶段是不会出现消息丢失的。
  • 消息存储阶段:这个阶段一般会直接交给 MQ 消息中间件来保证,但是你要了解它的原理,比如 Broker 会做副本,保证一条消息至少同步两个节点再返回 ack
  • 消息消费阶段:消费端从Broker上拉取消息,只要消费端在收到消息后,不立即发送消费确认给 Broker,而是等到执行完业务逻辑后,再发送消费确认,也能保证消息的不丢失。

方案看似万无一失,每个阶段都能保证消息的不丢失,但在分布式系统中,故障不可避免,作为消费生产端,我们并不能保证 MQ 是不是弄丢了你的消息,消费者是否消费了你的消息,所以,本着Design for Failure的设计原则,我们还是需要一种机制,来 Check 消息是否丢失了。

紧接着,你还可以向面试官阐述怎么进行消息检测?

总体方案解决思路为:在消息生产端,给每个发出的消息都指定一个全局唯一 ID,或者附加一个连续递增的版本号,然后在消费端做对应的版本校验。

具体怎么落地实现呢?

我们可以利用拦截器机制。在生产端发送消息之前,通过拦截器将消息版本号注入消息中(版本号可以采用连续递增的 ID 生成,也可以通过分布式全局唯一 ID 生成)。然后在消费端收到消息后,再通过拦截器检测版本号的连续性或消费状态,这样实现的好处是消息检测的代码不会侵入到业务代码中,可以通过单独的任务来定位丢失的消息,做进一步的排查。

这里需要你注意:如果同时存在多个消息生产端和消息消费端,通过版本号递增的方式就很难实现了,因为不能保证版本号的唯一性,此时只能通过全局唯一 ID 的方案来进行消息检测,具体的实现原理和版本号递增的方式一致。

现在,我们已经知道了哪些环节(消息存储阶段、消息消费阶段)可能会出问题,并有了如何检测消息丢失的方案,然后就要给出解决防止消息丢失的设计方案。

回答完“如何确保消息不会丢失?”之后,面试官通常会追问“怎么解决消息被重复消费的问题?”。

比如:在消息消费的过程中,如果出现失败的情况,通过补偿的机制发送方会执行重试,重试的过程就有可能产生重复的消息,那么如何解决这个问题?

这个问题其实可以换一种说法,就是如何解决消费端幂等性问题(幂等性,就是一条命令,任意多次执行所产生的影响均与一次执行的影响相同),只要消费端具备了幂等性,那么重复消费消息的问题也就解决了。

我们还是来看扣减京豆的例子,将账户 X 的金豆个数扣减 100 个,在这个例子中,我们可以通过改造业务逻辑,让它具备幂等性。

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最简单的实现方案,就是在数据库中建一张消息日志表, 这个表有两个字段:消息 ID 和消息执行状态。

这样,我们消费消息的逻辑可以变为:在消息日志表中增加一条消息记录,然后再根据消息记录,异步操作更新用户京豆余额。

因为我们每次都会在插入之前检查是否消息已存在,所以就不会出现一条消息被执行多次的情况,这样就实现了一个幂等的操作。当然,基于这个思路,不仅可以使用关系型数据库,也可以通过 Redis 来代替数据库实现唯一约束的方案。

在这里多说一句,想要解决“消息丢失”和“消息重复消费”的问题,有一个前提条件就是要实现一个全局唯一 ID 生成的技术方案。这也是面试官喜欢考察的问题,你也要掌握。

在分布式系统中,全局唯一 ID 生成的实现方法有数据库自增主键、UUIDRedisTwitter-Snowflake 算法,我总结了几种方案的特点,你可以参考下。

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我们应该注意,无论哪种方法,如果我们想同时满足简单、高可用和高性能,就要有取舍,所以我们要站在实际的业务中,说明我们的选型所考虑的平衡点是什么。我个人在业务中比较倾向于选择 Snowflake 算法,在项目中也进行了一定的改造,主要是让算法中的 ID 生成规则更加符合业务特点,以及优化诸如时钟回拨等问题。

当然,除了“怎么解决消息被重复消费的问题?”之外,面试官还会问到我们“消息积压”。原因在于消息积压反映的是性能问题,解决消息积压问题,可以说明候选者有能力处理高并发场景下的消费能力问题。

我们在解答这个问题时,依旧要传递给面试官一个这样的思考过程:

如果出现积压,那一定是性能问题,想要解决消息从生产到消费上的性能问题,就首先要知道哪些环节可能出现消息积压,然后在考虑如何解决。

因为消息发送之后才会出现积压的问题,所以和消息生产端没有关系,又因为绝大部分的消息队列单节点都能达到每秒钟几万的处理能力,相对于业务逻辑来说,性能不会出现在中间件的消息存储上面。毫无疑问,出问题的肯定是消息消费阶段,那么从消费端入手,如何回答呢?

如果是线上突发问题,要临时扩容,增加消费端的数量,与此同时,降级一些非核心的业务。通过扩容和降级承担流量,这是为了表明你对应急问题的处理能力。

其次,才是排查解决异常问题,如通过监控,日志等手段分析是否消费端的业务逻辑代码出现了问题,优化消费端的业务处理逻辑。

最后,如果是消费端的处理能力不足,可以通过水平扩容来提供消费端的并发处理能力,但这里有一个考点需要特别注意, 那就是在扩容消费者的实例数的同时,必须同步扩容主题 Topic 的分区数量,确保消费者的实例数和分区数相等。如果消费者的实例数超过了分区数,由于分区是单线程消费,所以这样的扩容就没有效果。

比如在 Kafka 中,一个 Topic 可以配置多个 Partition(分区),数据会被写入到多个分区中,但在消费的时候,Kafka 约定一个分区只能被一个消费者消费,Topic 的分区数量决定了消费的能力,所以,可以通过增加分区来提高消费者的处理能力。

总结

本文我们分享了 MQ 消息队列的热门问题的解决方案,无论是初中级还是高级研发工程师,希望本文对你有所帮助。

另外,咱们都可以从这几点出发,与面试官进行友好的交流。咱们来总结一下今天的重点内容。

如何确保消息不会丢失?

要知道一条消息从发送到消费的每个阶段,是否存在丢消息,以及如何监控消息是否丢失,最后才是如何解决问题,方案可以基于“ MQ 的可靠消息投递 ”的方式。

如何保证消息不被重复消费?

在进行消息补偿的时候,一定会存在重复消息的情况,那么如何实现消费端的幂等性就这道题的考点。

如何处理消息积压问题?

这道题的考点就是如何通过 MQ 实现真正的高性能,回答的思路是,本着解决线上异常为最高优先级,然后通过监控和日志进行排查并优化业务逻辑,最后是扩容消费端和分片的数量。

在回答问题的时候,你需要特别注意的是,让面试官了解到你的思维过程,这种解决问题的能力是面试官更为看中的,比你直接回答一道面试题更有价值。

另外,如果你应聘的部门是基础架构部,那么除了要掌握本讲中的常见问题的主线知识以外,还要掌握消息中间件的其他知识体系,如:

  • 如何选型消息中间件?
  • 消息中间件中的队列模型与发布订阅模型的区别?
  • 为什么消息队列能实现高吞吐?
  • 序列化、传输协议,以及内存管理等问题
  • ……

好了,今天就分享这么多,没有关注的,关注一个呗!

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