下一代消息队列pulsar到底是什么？

背景

之前琢磨了很久一直想写一篇pulsar相关的文章，但是一直知识储备不够，对于很多细节还是不了解，于是查了很多资料，总算是可以凑出一篇文章了。

Pulsar是一个由yahoo公司于2016年开源的消息中间件，2018年成为Apache的顶级项目。在我之前的文章中写过很多其他消息中间件的文章，比如kafka,rocketmq等等，如果大家对于消息队列不了解的可以阅读以下我之前的文章：

• 你需要了解的kafka
• 你应该知道的RocketMQ
• 聊聊计算和存储分离

在开源的业界已经有这么多消息队列中间件了，pulsar作为一个新势力到底有什么优点呢？pulsar自从出身就不断的再和其他的消息队列(kafka,rocketmq等等)做比较，但是Pulsar的设计思想和大多数的消息队列中间件都不同，具备了高吞吐，低延迟，计算存储分离，多租户，异地复制等功能，所以pulsar也被誉为下一代消息队列中间件，接下来我会一一对其进行详细的解析。

pulsar架构原理

整体的架构和其他的消息队列中间件差别不是太大，相信大家也看到了很多熟悉的名词，接下来会给大家一一解释这些名词的含义。

名词解释

• Producer:消息生产者，将消息发送到broker。
• Consumer:消息消费者，从Broker读取消息到客户端，进行消费处理。
• Broker: 可以看作是pulsar的server,Producer和Consumer都看作是client.消息处理的节点，pulsar的Broker和其他消息中间件的都不一样，他是无状态的没有存储，所以可以无限制的扩展，这个后面也会详解讲到。
• Bookie: 负责所有消息的持久化，这里采用的是Apache Bookeeper。
• ZK: 和kafka一样pulsar也是使用zk保存一些元数据，比如配置管理,topic分配，租户等等。
• Service Discovery：可以理解为Pulsar中的nginx，只用一个url就可以和整个broker进行打交道，当然也可以使用自己的服务发现。客户端发出的读取，更新或删除主题的初始请求将发送给可能不是处理该主题的 broker 。如果这个 broker 不能处理该主题的请求，broker 将会把该请求重定向到可以处理主题请求的 broker。

不论是kafka,rocketmq还是我们的pulsar其实作为消息队列中间件最为重要的大概就是分为三个部分：

• Producer是如何生产消息，发送到对应的Broker
• Broker是如何处理消息，将高效的持久化以及查询
• Consumer是如何进行消费消息

而我们后面也会围绕着这三个部分进行展开讲解。

Producer生产消息

先简单看一下如何用代码进行消息发送：

PulsarClient client = PulsarClient.create("pulsar://pulsar.us-west.example.com:6650");

Producer producer = client.createProducer(
                "persistent://sample/standalone/ns1/my-topic");

// Publish 10 messages to the topic
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    producer.send("my-message".getBytes());
}

• Step1: 首先使用我们的url创建一个client这个url是我们service discovery的地址，如果我们使用单机模式可以进行直连
• Step2：我们传入了一个类似url的参数，我们只需要传递这个就能指定我们到底在哪个topic或者namespace下面创建的：

url的格式为：{persistent|non-persistent}://tenant/namespace/topic

• Step3: 调用send方法发送消息，这里也提供了sendAsync方法支持异步发送。

上面三个步骤中，步骤1，2属于我们准备阶段，用于构建客户端，构建Producer，我们真的核心逻辑在send中，那这里我先提几个小问题，大家可以先想想在其他消息队列中是怎么做的，然后再对比pulsar的看一下：

• 我们调用了send之后是会立即发送吗？
• 如果是多partition，怎么找到我应该发送到哪个Broker呢？

发送模式

我们上面说了send分为async和sync两种模式，但实际上在pulsar内部sync模式也是采用的async模式，在sync模式下模拟回调阻塞，达到同步的效果，这个在kafka中也是采用的这个模式，但是在rocketmq中，所有的send都是真正的同步，都会直接请求到broker。

基于这个模式，在pulsar和kafka中都支持批量发送，在rocketmq中是直接发送，批量发送有什么好处呢？当我们发送的TPS特别高的时候，如果每次发送都直接和broker直连，可能会做很多的重复工作，比如压缩，鉴权，创建链接等等。比如我们发送1000条消息，那么可能会做1000次这个重复的工作，如果是批量发送的话这1000条消息合并成一次请求，相对来说压缩，鉴权这些工作就只需要做一次。

有同学可能会问，批量发送会不会导致发送的时间会有一定的延误？这个其实不需要担心，在pulsar中默认定时每隔1ms发送一次batch,或者当batchsize默认到了1000都会进行发送，这个发送的频率都还是很快的。

发送负载均衡

在消息队列中通常会将topic进行水平扩展，在pulsar和kafka中叫做partition,在rocketmq中叫做queue，本质上都是分区，我们可以将不同分区落在不同的broker上，达到我们水平扩展的效果。

在我们发送的时候可以自己制定选择partition的策略，也可以使用它默认轮训partition策略。当我们选择了partition之后，我们怎么确定哪一个partition对应哪一个broker呢？

可以先看看下面这个图：

• Step1: 我们所有的信息分区映射信息在zk和broker的缓存中都有进行存储。
• Step2: 我们通过查询broker，可以获取到分区和broker的关系，并且定时更新。
• Step3: 在pulsar中每个分区在发送端的时候都被抽象成为一个单独的Producer,这个和kafka,rocketmq都不一样，在kafka里面大概就是选择了partition之后然后再去找partition对应的broker地址，然后进行发送。pulsar将每一个partition都封装成Producer，在代码实现上就不需要去关注他具体对应的是哪个broker,所有的逻辑都在producer这个代码里面，整体来说比较干净。

压缩消息

消息压缩是优化信息传输的手段之一，我们通常看见一些大型文件都会是以一个压缩包的形式提供下载，在我们消息队列中我们也可以用这种思想，我们将一个batch的消息，比如有1000条可能有1M的传输大小，但是经过压缩之后可能就只会有几十kb，增加了我们和broker的传输效率，但是与之同时我们的cpu也带来了损耗。Pulsar客户端支持多种压缩类型，如 lz4、zlib、zstd、snappy 等。

client.newProducer()
    .topic(“test-topic”)
    .compressionType(CompressionType.LZ4)
    .create();

Broker

接下来我们来说说第二个比较重要的部分Broker,在Broker的设计中pulsar和其他所有的消息队列差别比较大，而正是因为这个差别也成为了他的特点。

计算和存储分离

首先我们来说说他最大的特点：计算和存储分离。我们在开始的说过Pulsar是下一代消息队列，就非常得益于他这个架构设计，无论是kafka还是RocketMQ,所有的计算和存储都放在同一个机器上，这个模式有几个弊端：

• 扩展困难：当我们需要扩展的集群的时候，我们通常是因为cpu或者磁盘其中一个原因影响，但是我们却要申请一个可能cpu和磁盘配置都很好的机器，造成了资源浪费。并且kafka这种进行扩展，还需要进行迁移数据，过程十分繁杂。
• 负载不均衡：当某些partion数据特别多的时候，会导致broker负载不均衡,如下面图，如果某个partition数据特别多，那么就会导致某个broker(轮船)承载过多的数据，但是另外的broker可能又比较空闲

pulsar计算分离架构能够非常好的解决这个问题:

• 对于计算：也就是我们的broker,提供消息队列的读写,不存储任何数据，无状态对于我们扩展非常友好，只要你机器足够，就能随便上。扩容Broker往往适用于增加Consumer的吞吐，当我们有一些大流量的业务或者活动，比如电商大促，可以提前进行broker的扩容。
• 对于存储：也就是我们的bookie,只提供消息队列的存储，如果对消息量有要求的，我们可以扩容bookie,并且我们不需要迁移数据，扩容十分方便。

消息存储

名词解析：

上图是bookie的读写架构图，里面有一些名词需要先介绍一下：

• Entry,Entry是存储到bookkeeper中的一条记录，其中包含Entry ID，记录实体等。
• Ledger，可以认为ledger是用来存储Entry的，多个Entry序列组成一个ledger。
• Journal，其实就是bookkeeper的WAL(write ahead log)，用于存bookkeeper的事务日志，journal文件有一个最大大小，达到这个大小后会新起一个journal文件。
• Entry log，存储Entry的文件，ledger是一个逻辑上的概念，entry会先按ledger聚合，然后写入entry log文件中。同样，entry log会有一个最大值，达到最大值后会新起一个新的entry log文件
• Index file，ledger的索引文件，ledger中的entry被写入到了entry log文件中，索引文件用于entry log文件中每一个ledger做索引，记录每个ledger在entry log中的存储位置以及数据在entry log文件中的长度。
• MetaData Storage，元数据存储，是用于存储bookie相关的元数据，比如bookie上有哪些ledger，bookkeeper目前使用的是zk存储，所以在部署bookkeeper前，要先有zk集群。

整体架构上的写流程：

• Step1: broker发起写请求，首先对Journal磁盘写入WAL，熟悉mysql的朋友知道redolog，journal和redolog作用一样都是用于恢复没有持久化的数据。
• Step2: 然后再将数据写入index和ledger，这里为了保持性能不会直接写盘，而是写pagecache,然后异步刷盘。
• Step3: 对写入进行ack。

读流程为：

• Step1: 先读取index,当然也是先读取cache，再走disk。
• Step2: 获取到index之后，根据index去entry logger中去对应的数据

如何高效读写？

在kafka中当我们的topic变多了之后，由于kafka一个topic一个文件，就会导致我们的磁盘IO从顺序写变成随机写。在rocketMq中虽然将多个topic对应一个写入文件，让写入变成了顺序写，但是我们的读取很容易导致我们的pagecache被各种覆盖刷新，这对于我们的IO的影响是非常大的。所以pulsar在读写两个方面针对这些问题都做了很多优化：

• 写流程：顺序写 + pagecache。在写流程中我们的所有的文件都是独立磁盘，并且同步刷盘的只有Journal，Journal是顺序写一个journal-wal文件,顺序写效率非常高。ledger和index虽然都会存在多个文件，但是我们只会写入pagecache,异步刷盘，所以随机写不会影响我们的性能。
• 读流程：broker cache + bookie cache，在pulsar中对于追尾读(tailing read)非常友好基本不会走io,一般情况下我们的consumer是会立即去拿producer发送的消息的，所以这部分在持久化之后依然在broker中作为cache存在，当然就算broker没有cache（比如broker是新建的），我们的bookie也会在memtable中有自己的cache,通过多重cache减少读流程走io。

我们可以发现在最理想的情况下读写的io是完全隔离开来的，所以在Pulsar中能很容易就支持百万级topic，而在我们的kafka和rocketmq中这个是非常困难的。

无限流式存储

一个Topic实际上是一个ledgers流(Segment)，通过这个设计所以Pulsar他并不是一个单纯的消息队列系统，他也可以代替流式系统，所以他也叫流原生平台,可以替代flink等系统。

可以看见我们的Event Stream（topic/partition），由多个Segment存储组成，而每个segment由entry组成，这个可以看作是我们每批发送的消息通常会看作是一个entry。

Segment可以看作是我们写入文件的一个基本维度，同一个Segment的数据会写在同一个文件上面，不同Segment将会是不同文件，而Segment之间的在metadata中进行保存。

分层存储

在kafka和rocketmq中消息是会有一定的保存时间的，因为磁盘会有空间限制，在pulsar中也提供这个功能，但是如果你想让自己的消息永久存储，那么可以使用分级存储，我们可以将一些比较老的数据，定时的刷新到廉价的存储中，比如s3,那么我们就可以无限存储我们的消息队列了。

数据复制

在pulsar中的数据复制和kafka,rocketmq都有很大的不同，在其他消息队列中通常是其他副本主动同步，通常这个时间就会变得不可预测，而在pulsar采用了类似qurom协议，给一组可用的bookie池，然后并发的写入其中的一部分bookie,只要返回部分成功（通常大于1/2）就好。

• Ensemble Size（E）决定给定 ledger 可用的 bookie 池大小。
• Write Quorum Size（Qw）指定 Pulsar 向其中写入 entry 的 bookie 数量。
• Ack Quorum Size（Qa）指定必须 ack 写入的 bookie 数量。

采用这种并发写的方式，会更加高效的进行数据复制，尤其是当数据副本比较多的时候。

Consumer

接下来我们来聊聊pulsar中最后一个比较重要的组成consumer。

订阅模式

订阅模式是用来定义我们的消息如何分配给不同的消费者，不同消息队列中间件都有自己的订阅模式，一般我们常见的订阅模式有：

• 集群模式：一条消息只能被一个集群内的消费者所消费。
• 广播模式：一条消息能被集群内所有的消费者消费。

在pulsar中提供了4种订阅模式，分别是独占，灾备，共享，键共享：

• 独占：顾名思义只能由一个消费者独占，如果同一个集群内有第二个消费者去注册，第二个就会失败，这个适用于全局有序的消息。
• 灾备：加强版独占，如果独占的那个挂了，会自动的切换到另外一个好的消费者，但是还是只能由一个独占。
• 共享模式：这个模式看起来有点像集群模式，一条消息也是只能被一个集群内消费者消费，但是和rocketmq不同的是，rocketmq是以partition维度，同一个Partition的数据都会被发到一个机器上。在Pulsar中消费不会以partition维度，而是轮训所有消费者进行消息发送。这有个什么好处呢？如果你有100台机器，但是你只有10个partition其实你只有10台消费者能运转，但是在pulsar中100台机器都可以进行消费处理。
• 键共享：类似上面说的partition维度去发送，在rocketmq中同一个key的顺序消息都会被发送到一个partition，但是这里不会有partition维度，而只是按照key的hash去分配到固定的consumer,也解决了消费者能力限制于partition个数问题。

消息获取模式

不论是在kafka还是在rocketmq中我们都是client定时轮训我们的broker获取消息，这种模式叫做长轮训（Long-Polling）模式。这种模式有一个缺点网络开销比较大，我们来计算一下consumer被消费的时延，我们假设broker和consumer之间的一次网络延时为R,那么我们总共的时间为：

• 当某一条消息A刚到broker的，这个时候long-polling刚好打包完数据返回，broker返回到consumer这个时间为R。
• consumer又再次发送request请求，这个又为R。
• 将我们的消息A返回给consumer这里又为R。

如果只考虑网络时延，我们可以看见我们这条消息的消费时延大概是3R，所以我们必须想点什么对其进行一些优化，有同学可能马上就能想到，我们消息来了直接推送给我们的consumer不就对了，这下我们的时延只会有一次R,这个就是我们常见的推模式，但是简单的推模式是有问题的，如果我们有生产速度远远大于消费速度，那么推送的消息肯定会干爆我们的内存，这个就是背压。那么我们怎么解决背压呢？我们就可以优化推送方式，将其变为动态推送，我们结合Long-polling,在long-polling请求时将Buffer剩余空间告知给Broker，由Broker负责推送数据。此时Broker知道最多可以推送多少条数据，那么就可以控制推送行为，不至于冲垮Consumer。

举个例子：

Consumer发起请求时Buffer剩余容量为100，Broker每次最多返回32条消息，那么Consumer的这次long-polling请求Broker将在执行3次push(共push96条消息)之后返回response给Consumer（response包含4条消息）。

如果采用long-polling模型，Consumer每发送一次请求Broker执行一次响应，这个例子需要进行4次long-polling交互（共4个request和4个response，8次网络操作；Dynamic Push/Pull中是1个request，三次push和一个response，共5次网络操作）。

所以pulsar就采用了这种消息获取模式，从consumer层进一步优化消息达到时间。我觉得这个设计非常巧妙，很多中间件的这种long-polling模式都可以参考这种思想去做一个改善。

总结

Apache Pulsar很多设计思想都和其他中间件不一样，但无疑于其更加贴近于未来，大胆预测一下其他的一些消息中间件未来的发展也都会向其靠拢，目前国内的Pulsar使用者也是越来越多，腾讯云提供了pulsar的云版本TDMQ，当然还有一些其他的知名公司华为，知乎，虎牙等等有都在对其做一个逐步的尝试，我相信pulsar真的是一个趋势。最后也让我想起了最近大江大河大结局的一句话：

所有的变化,都可能伴随着痛苦和弯路,开放的道路,也不会是阔野坦途,但大江大河,奔涌向前的趋势,不是任何险滩暗礁,能够阻挡的。道之所在，虽千万人吾往矣。

我在这里其实只说了一些大概，更多的一些细节，大家可以看一下下面的学习参考资料吧：

• 首先大家可以去看看pulsar的官网的文档，首先了解一个大概。
• 大家也可以关注pulsar的公众号，每天都会发一些pulsar相关的文章，我觉得写得非常好。
• 可以去B站搜索TGIP，这个是pulsar每周都会由一个项目组的成员去讲相关的资料，如果想学习可以看看这个视频。
• push or pull?: https://www.cnblogs.com/hzmark/p/mq_push_pull.html
• 架构决策之消息中间件-Pulsar:https://blog.csdn.net/tcy83/article/details/106731392

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