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基于Redis的Stream类型的完美消息队列解决方案

本文由 简悦 SimpRead 转码， 原文地址 zhuanlan.zhihu.com ⚠️ 回答于 3 年前

1 概述
2 追加新消息，XADD，生产消息
3 从消息队列中获取消息，XREAD，消费消息
4 消息 ID 说明
5 消费者组模式，consumer group6 Pending 等待列表
7 消息转移
8 坏消息问题，Dead Letter，死信问题
9 信息监控，XINFO
10 命令一览
11 Stream 数据结构，RadixTree，基数树
12 相关产品

1 概述

Redis5.0 带来了 Stream 类型。从字面上看是流类型，但其实从功能上看，应该是 Redis 对消息队列（MQ，Message Queue）的完善实现。用过 Redis 做消息队列的都了解，基于 Reids 的消息队列实现有很多种，例如：

  • PUB/SUB，订阅 / 发布模式
  • 基于 List 的 LPUSH+BRPOP 的实现
  • 基于 Sorted-Set 的实现

每一种实现，都有典型的特点和问题，这个在 Redis 实现消息队列一文中有介绍。基于 Redis 实现消息队列 http://www.hellokang.net/redis/message-queue-by-redis.html

Redis5.0 中发布的 Stream 类型，也用来实现典型的消息队列。该 Stream 类型的出现，几乎满足了消息队列具备的全部内容，包括但不限于：

  • 消息 ID 的序列化生成
  • 消息遍历
  • 消息的阻塞和非阻塞读取
  • 消息的分组消费
  • 未完成消息的处理
  • 消息队列监控

消息队列有生产消息者和消费消息者，下面就体验一下 Stream 类型的精彩：

2 追加新消息，XADD，生产消息

XADD，命令用于在某个 stream（流数据）中追加消息，演示如下：

127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * user kang msg Hello
"1553439850328-0"
127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * user zhong  msg nihao
"1553439858868-0"

其中语法格式为：

XADD key ID field string [field string ...]

需要提供 key，消息 ID 方案，消息内容，其中消息内容为 key-value 型数据。 ID，最常使用 *，表示由 Redis 生成消息 ID，这也是强烈建议的方案。 field string [field string], 就是当前消息内容，由 1 个或多个 key-value 构成。

上面的例子中，在 memberMemsages 这个 key 中追加了user kang msg Hello这个消息。Redis 使用毫秒时间戳和序号生成了消息 ID。此时，消息队列中就有一个消息可用了。

3 从消息队列中获取消息，XREAD，消费消息

XREAD，从 Stream 中读取消息，演示如下：

127.0.0.1:6379> XREAD streams memberMessage 0
1) 1) "memberMessage"
   2) 1) 1) "1553439850328-0"
         2) 1) "user"
            2) "kang"
            3) "msg"
            4) "Hello"
      2) 1) "1553439858868-0"
         2) 1) "user"
            2) "zhong"
            3) "msg"
            4) "nihao"

上面的命令是从消息队列 memberMessage 中读取所有消息。XREAD 支持很多参数，语法格式为：

XREAD [COUNT count] [BLOCK milliseconds] STREAMS key [key ...] ID [ID ...]

其中：

  • [COUNT count]，用于限定获取的消息数量
  • [BLOCK milliseconds]，用于设置 XREAD 为阻塞模式，默认为非阻塞模式
  • ID，用于设置由哪个消息 ID 开始读取。使用 0 表示从第一条消息开始。（本例中就是使用 0）此处需要注意，消息队列 ID 是单调递增的，所以通过设置起点，可以向后读取。在阻塞模式中，可以使用 ，表示最新的消息 ID。（在非阻塞模式下 无意义）。

XRED 读消息时分为阻塞和非阻塞模式，使用 BLOCK 选项可以表示阻塞模式，需要设置阻塞时长。非阻塞模式下，读取完毕（即使没有任何消息）立即返回，而在阻塞模式下，若读取不到内容，则阻塞等待。

一个典型的阻塞模式用法为：

127.0.0.1:6379> XREAD block 1000 streams memberMessage $
(nil)
(1.07s)

我们使用 Block 模式，配合 $ 作为 ID，表示读取最新的消息，若没有消息，命令阻塞！等待过程中，其他客户端向队列追加消息，则会立即读取到。

因此，典型的队列就是 XADD 配合 XREAD Block 完成。XADD 负责生成消息，XREAD 负责消费消息。

4 消息 ID 说明

XADD 生成的1553439850328-0，就是 Redis 生成的消息 ID，由两部分组成: 时间戳 - 序号。时间戳是毫秒级单位，是生成消息的 Redis 服务器时间，它是个 64 位整型（int64）。序号是在这个毫秒时间点内的消息序号，它也是个 64 位整型。较真来说，序号可能会溢出，but 真可能吗？

可以通过 multi 批处理，来验证序号的递增：

127.0.0.1:6379> MULTI
OK
127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * msg one
QUEUED
127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * msg two
QUEUED
127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * msg three
QUEUED
127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * msg four
QUEUED
127.0.0.1:6379> XADD memberMessage * msg five
QUEUED
127.0.0.1:6379> EXEC
1) "1553441006884-0"
2) "1553441006884-1"
3) "1553441006884-2"
4) "1553441006884-3"
5) "1553441006884-4"

由于一个 redis 命令的执行很快，所以可以看到在同一时间戳内，是通过序号递增来表示消息的。

为了保证消息是有序的，因此 Redis 生成的 ID 是_单调递增_有序的。由于 ID 中包含时间戳部分，为了避免服务器时间错误而带来的问题（例如服务器时间延后了），Redis 的每个 Stream 类型数据都维护一个 latest_generated_id 属性，用于记录最后一个消息的 ID。若发现当前时间戳退后（小于 latest_generated_id 所记录的），则采用时间戳不变而序号递增的方案来作为新消息 ID（这也是序号为什么使用 int64 的原因，保证有足够多的的序号），从而保证 ID 的单调递增性质。

强烈建议使用 Redis 的方案生成消息 ID，因为这种时间戳 + 序号的单调递增的 ID 方案，几乎可以满足你全部的需求。但同时，记住 ID 是支持自定义的，别忘了！

5 消费者组模式，consumer group

当多个消费者（consumer）同时消费一个消息队列时，可以重复的消费相同的消息，就是消息队列中有 10 条消息，三个消费者都可以消费到这 10 条消息。

但有时，我们需要多个消费者配合协作来消费同一个消息队列，就是消息队列中有 10 条消息，三个消费者分别消费其中的某些消息，比如消费者 A 消费消息 1、2、5、8，消费者 B 消费消息 4、9、10，而消费者 C 消费消息 3、6、7。也就是三个消费者配合完成消息的消费，可以在消费能力不足，也就是消息处理程序效率不高时，使用该模式。该模式就是消费者组模式。如下图所示：

消费者组模式的支持主要由两个命令实现：

  • XGROUP，用于管理消费者组，提供创建组，销毁组，更新组起始消息 ID 等操作
  • XREADGROUP，分组消费消息操作

进行演示，演示时使用 5 个消息，思路是：创建一个 Stream 消息队列，生产者生成 5 条消息。在消息队列上创建一个消费组，组内三个消费者进行消息消费：

# 生产者生成10条消息
127.0.0.1:6379> MULTI
127.0.0.1:6379> XADD mq * msg 1 # 生成一个消息：msg 1
127.0.0.1:6379> XADD mq * msg 2
127.0.0.1:6379> XADD mq * msg 3
127.0.0.1:6379> XADD mq * msg 4
127.0.0.1:6379> XADD mq * msg 5
127.0.0.1:6379> EXEC
 1) "1553585533795-0"
 2) "1553585533795-1"
 3) "1553585533795-2"
 4) "1553585533795-3"
 5) "1553585533795-4"

# 创建消费组 mqGroup
127.0.0.1:6379> XGROUP CREATE mq mqGroup 0 # 为消息队列 mq 创建消费组 mgGroup
OK

# 消费者A，消费第1条
127.0.0.1:6379> XREADGROUP group mqGroup consumerA count 1 streams mq > #消费组内消费者A，从消息队列mq中读取一个消息
1) 1) "mq"
   2) 1) 1) "1553585533795-0"
         2) 1) "msg"
            2) "1"
# 消费者A，消费第2条
127.0.0.1:6379> XREADGROUP GROUP mqGroup consumerA COUNT 1 STREAMS mq > 
1) 1) "mq"
   2) 1) 1) "1553585533795-1"
         2) 1) "msg"
            2) "2"
# 消费者B，消费第3条
127.0.0.1:6379> XREADGROUP GROUP mqGroup consumerB COUNT 1 STREAMS mq > 
1) 1) "mq"
   2) 1) 1) "1553585533795-2"
         2) 1) "msg"
            2) "3"
# 消费者A，消费第4条
127.0.0.1:6379> XREADGROUP GROUP mqGroup consumerA count 1 STREAMS mq > 
1) 1) "mq"
   2) 1) 1) "1553585533795-3"
         2) 1) "msg"
            2) "4"
# 消费者C，消费第5条
127.0.0.1:6379> XREADGROUP GROUP mqGroup consumerC COUNT 1 STREAMS mq > 
1) 1) "mq"
   2) 1) 1) "1553585533795-4"
         2) 1) "msg"
            2) "5"

上面的例子中，三个在同一组 mpGroup 消费者 A、B、C 在消费消息时（消费者在消费时指定即可，不用预先创建），有着互斥原则，消费方案为，A->1, A->2, B->3, A->4, C->5。语法说明为：

XGROUP CREATE mq mqGroup 0，用于在消息队列 mq 上创建消费组 mpGroup，最后一个参数 0，表示该组从第一条消息开始消费。（意义与 XREAD 的 0 一致）。除了支持CREATE外，还支持SETID设置起始 ID，DESTROY销毁组，DELCONSUMER删除组内消费者等操作。

XREADGROUP GROUP mqGroup consumerA COUNT 1 STREAMS mq >，用于组mqGroup内消费者consumerA在队列mq中消费，参数>表示未被组内消费的起始消息，参数count 1表示获取一条。语法与XREAD基本一致，不过是增加了组的概念。

可以进行组内消费的基本原理是，STREAM 类型会为每个组记录一个最后处理（交付）的消息 ID（last_delivered_id），这样在组内消费时，就可以从这个值后面开始读取，保证不重复消费。

以上就是消费组的基础操作。除此之外，消费组消费时，还有一个必须要考虑的问题，就是若某个消费者，消费了某条消息，但是并没有处理成功时（例如消费者进程宕机），这条消息可能会丢失，因为组内其他消费者不能再次消费到该消息了。下面继续讨论解决方案。

6 Pending 等待列表

为了解决组内消息读取但处理期间消费者崩溃带来的消息丢失问题，STREAM 设计了 Pending 列表，用于记录读取但并未处理完毕的消息。命令XPENDIING 用来获消费组或消费内消费者的未处理完毕的消息。演示如下：

127.0.0.1:6379> XPENDING mq mqGroup # mpGroup的Pending情况
1) (integer) 5 # 5个已读取但未处理的消息
2) "1553585533795-0" # 起始ID
3) "1553585533795-4" # 结束ID
4) 1) 1) "consumerA" # 消费者A有3个
      2) "3"
   2) 1) "consumerB" # 消费者B有1个
      2) "1"
   3) 1) "consumerC" # 消费者C有1个
      2) "1"

127.0.0.1:6379> XPENDING mq mqGroup - + 10 # 使用 start end count 选项可以获取详细信息
1) 1) "1553585533795-0" # 消息ID
   2) "consumerA" # 消费者
   3) (integer) 1654355 # 从读取到现在经历了1654355ms，IDLE
   4) (integer) 5 # 消息被读取了5次，delivery counter
2) 1) "1553585533795-1"
   2) "consumerA"
   3) (integer) 1654355
   4) (integer) 4
# 共5个，余下3个省略 ...

127.0.0.1:6379> XPENDING mq mqGroup - + 10 consumerA # 在加上消费者参数，获取具体某个消费者的Pending列表
1) 1) "1553585533795-0"
   2) "consumerA"
   3) (integer) 1641083
   4) (integer) 5
# 共3个，余下2个省略 ...

每个 Pending 的消息有 4 个属性：

  1. 消息 ID
  2. 所属消费者
  3. IDLE，已读取时长
  4. delivery counter，消息被读取次数

上面的结果我们可以看到，我们之前读取的消息，都被记录在 Pending 列表中，说明全部读到的消息都没有处理，仅仅是读取了。那如何表示消费者处理完毕了消息呢？使用命令 XACK 完成告知消息处理完成，演示如下：

127.0.0.1:6379> XACK mq mqGroup 1553585533795-0 # 通知消息处理结束，用消息ID标识
(integer) 1

127.0.0.1:6379> XPENDING mq mqGroup # 再次查看Pending列表
1) (integer) 4 # 已读取但未处理的消息已经变为4个
2) "1553585533795-1"
3) "1553585533795-4"
4) 1) 1) "consumerA" # 消费者A，还有2个消息处理
      2) "2"
   2) 1) "consumerB"
      2) "1"
   3) 1) "consumerC"
      2) "1"
127.0.0.1:6379>

有了这样一个 Pending 机制，就意味着在某个消费者读取消息但未处理后，消息是不会丢失的。等待消费者再次上线后，可以读取该 Pending 列表，就可以继续处理该消息了，保证消息的有序和不丢失。

此时还有一个问题，就是若某个消费者宕机之后，没有办法再上线了，那么就需要将该消费者 Pending 的消息，转义给其他的消费者处理，就是消息转移。请继续。

7 消息转移

消息转移的操作时将某个消息转移到自己的 Pending 列表中。使用语法XCLAIM来实现，需要设置组、转移的目标消费者和消息 ID，同时需要提供 IDLE（已被读取时长），只有超过这个时长，才能被转移。演示如下：

# 当前属于消费者A的消息1553585533795-1，已经15907,787ms未处理了
127.0.0.1:6379> XPENDING mq mqGroup - + 10
1) 1) "1553585533795-1"
   2) "consumerA"
   3) (integer) 15907787
   4) (integer) 4

# 转移超过3600s的消息1553585533795-1到消费者B的Pending列表
127.0.0.1:6379> XCLAIM mq mqGroup consumerB 3600000 1553585533795-1
1) 1) "1553585533795-1"
   2) 1) "msg"
      2) "2"

# 消息1553585533795-1已经转移到消费者B的Pending中。
127.0.0.1:6379> XPENDING mq mqGroup - + 10
1) 1) "1553585533795-1"
   2) "consumerB"
   3) (integer) 84404 # 注意IDLE，被重置了
   4) (integer) 5 # 注意，读取次数也累加了1次

以上代码，完成了一次消息转移。转移除了要指定 ID 外，还需要指定 IDLE，保证是长时间未处理的才被转移。被转移的消息的 IDLE 会被重置，用以保证不会被重复转移，以为可能会出现将过期的消息同时转移给多个消费者的并发操作，设置了 IDLE，则可以避免后面的转移不会成功，因为 IDLE 不满足条件。例如下面的连续两条转移，第二条不会成功。

127.0.0.1:6379> XCLAIM mq mqGroup consumerB 3600000 1553585533795-1
127.0.0.1:6379> XCLAIM mq mqGroup consumerC 3600000 1553585533795-1

这就是消息转移。至此我们使用了一个 Pending 消息的 ID，所属消费者和 IDLE 的属性，还有一个属性就是消息被读取次数，delivery counter，该属性的作用由于统计消息被读取的次数，包括被转移也算。这个属性主要用在判定是否为错误数据上。请继续看：

8 坏消息问题，Dead Letter，死信问题

正如上面所说，如果某个消息，不能被消费者处理，也就是不能被 XACK，这是要长时间处于 Pending 列表中，即使被反复的转移给各个消费者也是如此。此时该消息的 delivery counter 就会累加（上一节的例子可以看到），当累加到某个我们预设的临界值时，我们就认为是坏消息（也叫死信，DeadLetter，无法投递的消息），由于有了判定条件，我们将坏消息处理掉即可，删除即可。删除一个消息，使用XDEL语法，演示如下：

# 删除队列中的消息
127.0.0.1:6379> XDEL mq 1553585533795-1
(integer) 1
# 查看队列中再无此消息
127.0.0.1:6379> XRANGE mq - +
1) 1) "1553585533795-0"
   2) 1) "msg"
      2) "1"
2) 1) "1553585533795-2"
   2) 1) "msg"
      2) "3"

注意本例中，并没有删除 Pending 中的消息因此你查看 Pending，消息还会在。可以执行XACK标识其处理完毕！

9 信息监控，XINFO

Stream 提供了 XINFO 来实现对服务器信息的监控，可以查询：

查看队列信息

127.0.0.1:6379> Xinfo stream mq
 1) "length"
 2) (integer) 7
 3) "radix-tree-keys"
 4) (integer) 1
 5) "radix-tree-nodes"
 6) (integer) 2
 7) "groups"
 8) (integer) 1
 9) "last-generated-id"
10) "1553585533795-9"
11) "first-entry"
12) 1) "1553585533795-3"
    2) 1) "msg"
       2) "4"
13) "last-entry"
14) 1) "1553585533795-9"
    2) 1) "msg"
       2) "10"

消费组信息

127.0.0.1:6379> Xinfo groups mq
1) 1) "name"
   2) "mqGroup"
   3) "consumers"
   4) (integer) 3
   5) "pending"
   6) (integer) 3
   7) "last-delivered-id"
   8) "1553585533795-4"

消费者组成员信息

127.0.0.1:6379> XINFO CONSUMERS mq mqGroup
1) 1) "name"
   2) "consumerA"
   3) "pending"
   4) (integer) 1
   5) "idle"
   6) (integer) 18949894
2) 1) "name"
   2) "consumerB"
   3) "pending"
   4) (integer) 1
   5) "idle"
   6) (integer) 3092719
3) 1) "name"
   2) "consumerC"
   3) "pending"
   4) (integer) 1
   5) "idle"
   6) (integer) 23683256

至此，消息队列的操作说明大体结束！

10 命令一览

| 命令 | 说明 | |:---|:---| |XACK | 结束 Pending| |XADD | 生成消息 | |XCLAIM | 消息转移 | |XDEL | 删除消息 | |XGROUP | 消费组管理 | |XINFO | 得到消费组信息 | |XLEN | 消息队列长度 | |XPENDING|Pending 列表 | |XRANGE | 获取消息队列中消息 | |XREAD | 消费消息 | |XREADGROUP | 分组消费消息 | |XREVRANGE | 逆序获取消息队列中消息 | |XTRIM | 消息队列容量 |

11 Stream 数据结构，RadixTree，基数树

Stream 是基于 RadixTree 数据结构实现的。另立话题讨论。基数树，http://www.hellokang.net/algorithm/radix-tree.html

12 相关产品

很多成熟的 MQ 产品：

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