Go 延迟队列

时间:2022-09-29 jiaxwu 人气:0

前言

延迟队列是一种非常使用的数据结构，我们经常有需要延迟推送处理消息的场景，比如延迟60秒发送短信，延迟30分钟关闭订单，消息消费失败延迟重试等等。

一般我们实现延迟消息都需要依赖底层的有序结构，比如堆，而Redis刚好提供了zset这种数据类型，它的底层实现是哈希表+跳表，也是一种有序的结构，所以这篇文章主要是使用Go+Redis来实现延迟队列。

当然Redis本身并不支持延迟队列，所以我们只是实现一个比较简单的延迟队列，而且Redis不太适合大量消息堆积，所以只适合比较简单的场景，如果需要更加强大稳定的消息队列，可以使用RocketMQ等自带延迟消息的消息队列。

我们这里先定一下我们要实现的几个目标：

消息必须至少被消费一次
多个生产者
多个消费者

然后我们定义一个简单的接口：

Push(msg) error：添加消息到队列
Consume(topic, batchSize, func(msg) error)：消费消息

简单的实现

每个主题最多可以被一个消费者消费，因为不会对主题进行分区
但是可以多个生产者同时进行生产，因为Push操作是原子的
同时需要消费操作返回值error为nil才删除消息，保证消息至少被消费一次

定义消息

这个消息参考了Kafka的消息结构：

Topic可以是某个队列的名字
Key是消息的唯一标识，在一个队列里面不可以重复
Body是消息的内容
Delay是消息的延迟时间
ReadyTime是消息准备好执行的时间

// Msg 消息
type Msg struct {
   Topic     string        // 消息的主题
   Key       string        // 消息的Key
   Body      []byte        // 消息的Body
   Delay     time.Duration // 延迟时间（秒）
   ReadyTime time.Time     // 消息准备好执行的时间（now + delay）
}

Push

由于我们需要把消息的Body存储到Hash，把消息的ReadyTime存储到ZSet，所以我们需要一个简单的Lua脚本来保证这两个操作是原子的。

同时我们不会覆盖已经存在的相同Key的消息。

const delayQueuePushRedisScript = `
-- KEYS[1]: topicZSet
-- KEYS[2]: topicHash
-- ARGV[1]: 消息的Key
-- ARGV[2]: 消息的Body
-- ARGV[3]: 消息准备好执行的时间

local topicZSet = KEYS[1]
local topicHash = KEYS[2]
local key = ARGV[1]
local body = ARGV[2]
local readyTime = tonumber(ARGV[3])

-- 添加readyTime到zset
local count = redis.call("zadd", topicZSet, readyTime, key)
-- 消息已经存在
if count == 0 then 
   return 0
end
-- 添加body到hash
redis.call("hsetnx", topicHash, key, body)
return 1
`

func (q *SimpleRedisDelayQueue) Push(ctx context.Context, msg *Msg) error {
   // 如果设置了ReadyTime，就使用RedisTime
   var readyTime int64
   if !msg.ReadyTime.IsZero() {
      readyTime = msg.ReadyTime.Unix()
   } else {
      // 否则使用Delay
      readyTime = time.Now().Add(msg.Delay).Unix()
   }
   success, err := q.pushScript.Run(ctx, q.client, []string{q.topicZSet(msg.Topic), q.topicHash(msg.Topic)},
      msg.Key, msg.Body, readyTime).Bool()
   if err != nil {
      return err
   }
   if !success {
      return ErrDuplicateMessage
   }
   return nil
}

Consume

其中第二个参数batchSize表示用于批量获取已经准备好执行的消息，减少网络请求。

fn是对消息进行处理的函数，它有一个返回值error，如果是nil才表示消息消费成功，然后调用删除脚本把成功消费的消息给删除（需要原子的删除ZSet和Hash里面的内容）。

const delayQueueDelRedisScript = `
-- KEYS[1]: topicZSet
-- KEYS[2]: topicHash
-- ARGV[1]: 消息的Key

local topicZSet = KEYS[1]
local topicHash = KEYS[2]
local key = ARGV[1]

-- 删除zset和hash关于这条消息的内容
redis.call("zrem", topicZSet, key)
redis.call("hdel", topicHash, key)
return 1
`

func (q *SimpleRedisDelayQueue) Consume(topic string, batchSize int, fn func(msg *Msg) error) {
   for {
      // 批量获取已经准备好执行的消息
      now := time.Now().Unix()
      zs, err := q.client.ZRangeByScoreWithScores(context.Background(), q.topicZSet(topic), &redis.ZRangeBy{
         Min:   "-inf",
         Max:   strconv.Itoa(int(now)),
         Count: int64(batchSize),
      }).Result()
      // 如果获取出错或者获取不到消息，则休眠一秒
      if err != nil || len(zs) == 0 {
         time.Sleep(time.Second)
         continue
      }
      // 遍历每个消息
      for _, z := range zs {
         key := z.Member.(string)
         // 获取消息的body
         body, err := q.client.HGet(context.Background(), q.topicHash(topic), key).Bytes()
         if err != nil {
            continue
         }

         // 处理消息
         err = fn(&Msg{
            Topic:     topic,
            Key:       key,
            Body:      body,
            ReadyTime: time.Unix(int64(z.Score), 0),
         })
         if err != nil {
            continue
         }

         // 如果消息处理成功，删除消息
         q.delScript.Run(context.Background(), q.client, []string{q.topicZSet(topic), q.topicHash(topic)}, key)
      }
   }
}

存在的问题

如果多个线程同时调用Consume函数，那么多个线程会拉取相同的可执行的消息，造成消息重复的被消费。

多消费者实现

每个主题最多可以被分区个数个消费者消费，会对主题进行分区

定义消息

我们添加了一个Partition字段表示消息的分区号

// Msg 消息
type Msg struct {
   Topic     string        // 消息的主题
   Key       string        // 消息的Key
   Body      []byte        // 消息的Body
   Partition int           // 分区号
   Delay     time.Duration // 延迟时间（秒）
   ReadyTime time.Time     // 消息准备好执行的时间
}

Push

代码与SimpleRedisDelayQueue的Push相同，只是我们会使用Msg里面的Partition字段对主题进行分区。

func (q *PartitionRedisDelayQueue) topicZSet(topic string, partition int) string {
   return fmt.Sprintf("%s:%d:z", topic, partition)
}

func (q *PartitionRedisDelayQueue) topicHash(topic string, partition int) string {
   return fmt.Sprintf("%s:%d:h", topic, partition)
}

Consume

代码与SimpleRedisDelayQueue的Consume相同，我们也只是对Consume多加了一个partition参数用于指定消费的分区。

func (q *PartitionRedisDelayQueue) Consume(topic string, batchSize, partition int, fn func(msg *Msg) error) {
    // ...
}

存在的问题

一个比较大的问题就是我们需要手动指定分区而不是自动分配分区，这个问题对于Push操作解决起来比较容易，可以通过哈希算法对Key进行哈希取模进行分区，比如murmur3。但是对于Consume就比较复杂，因为我们必须记录哪个分区已经被消费者消费了。如果真的需要更加复杂的场景还是建议使用RocketMQ、Kafka等消息队列进行实现。

总结

使用Redis的ZSet可以很容易的实现一个高性能消息队列
但是Redis的ZSet实现的消息队列不适合大量消息堆积的场景，同时如果需要实现自动分区消费功能会比较复杂
适合消息量不是很大，且不是很复杂的场景
如果需要大量堆积消息和稳定的多消费者功能，可以使用自带延迟消息的RocketMQ

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