剖析 Redis List 消息隊列的三種消費線程模型
Redis 列表（List）是一種簡單的字符串列表，它的底層實現(xiàn)是一個雙向鏈表。
生產(chǎn)環(huán)境，很多公司都將 Redis 列表應(yīng)用于輕量級消息隊列 。這篇文章，我們聊聊如何使用 List 命令實現(xiàn)消息隊列的功能以及剖析消費者線程模型 。
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一、核心流程
生產(chǎn)者使用 LPUSH key element[element...] 將消息插入到隊列的頭部，如果 key 不存在則會創(chuàng)建一個空的隊列再插入消息。
如下，生產(chǎn)者向隊列 queue 先后插入了 「Java」「勇哥」「Go」，返回值表示消息插入隊列后的個數(shù)。
> LPUSH queue Java 勇哥 Go
(integer) 3消費者使用 RPOP key 依次讀取隊列的消息，先進(jìn)先出，所以 「Java」會先讀取消費：
> RPOP queue
"Java"
> RPOP queue
"勇哥"
> RPOP queue
"Go"
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接下來，我們可以通過 spring-data-redis API 演示生產(chǎn)消費流程：
- 生產(chǎn)者
redisTemplate.opsForList().leftPush("queue" , "Java");
redisTemplate.opsForList().leftPush("queue" , "勇哥");
redisTemplate.opsForList().leftPush("queue" , "Go");- 消費者
我們啟動一個獨立的線程從隊列中讀取消息（RPOP 命令），讀取成功之后，消費消息，若沒有消息，則休眠一會，下一次循環(huán)再繼續(xù)。
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上圖的偽代碼中， while(true) 循環(huán)內(nèi)不停地調(diào)用 RPOP 指令，當(dāng)有消息時，可以及時處理，但假如沒有讀取到消息，則需要休眠一會。
這里要加休眠，主要是為了減少空讀的頻率，避免 CPU 無意義的消耗。
有什么更優(yōu)化的方式嗎？有，那就是使用 Redis 阻塞讀取 List 的命令。
Redis 提供了 BLPOP、BRPOP 阻塞讀取的命令，消費者在在讀取隊列沒有數(shù)據(jù)的時自動阻塞，直到有新的消息寫入隊列，才會繼續(xù)讀取新消息執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯。
BRPOP queue 0參數(shù) 0 表示阻塞等待時間無限制 。
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如圖，我們啟動一個消費線程永動機，消費線程拉取消息后，執(zhí)行消費邏輯。
這種消費者線程模型非常容易理解，同時也非常適合順序消費的模式。同時，假如我們在消費消息時，服務(wù)器宕機或者斷電，可能丟失一條消息。
接下來，我們想一想，有沒有消費速度更高的消費模型嗎？筆者根據(jù)過往的經(jīng)歷，列舉三種模式：
- 拉取線程 + 消費線程池（非阻塞模式）
- 拉取線程 + 消費線程池 （阻塞模式）
- 拉取線程 + Disruptor（阻塞模式）
二、拉取線程 + 消費線程池（非阻塞模式）
為了提升消費速度，我們可以將拉取和消費拆分成兩種動作，分別通過不同的線程池來處理。拉取線程池負(fù)責(zé)拉取消息，消費線程池負(fù)責(zé)消費消息。
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偽代碼類似：
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如圖，在拉取線程內(nèi)部，我們拉取完消息后，將消息提交到消費線程 consumeExecutor 。
這樣方式可以通過多線程執(zhí)行大幅度提升消費速度 ，但是這里還是有一個問題：
假如消費速度很慢，生產(chǎn)者速度很高，那么就會在線程池內(nèi)容易產(chǎn)生消息堆積，這里面會產(chǎn)生兩個隱形風(fēng)險：
- 線程池隊列無限堆積，則可能有 OOM 的風(fēng)險 ；
- 假如消費者服務(wù)器宕機或者斷電，那么會丟失大量的消息。
那么如何優(yōu)化這種模式呢 ？
答案是：拉取線程提交消息到線程池時，當(dāng)隊列中消息數(shù)量到達(dá)一定數(shù)量時，提交消息到線程池會阻塞。
三、拉取線程 + 消費線程池（阻塞模式）
我們將消息包裝為 Runnable ，然后通過消費線程池執(zhí)行 execute ，拉取線程會不會阻塞呢 ？
下圖是執(zhí)行的源碼：
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可以看到，第 30 行調(diào)用的是 workQueue 的非阻塞的 offer 方法。
如果隊列已滿，新提交的任務(wù)并不會被 block 住，反而會調(diào)用后續(xù)的 reject 流程。
如果我們想要達(dá)到阻塞生產(chǎn)者的目的的話，可以采取如下的兩種方案：
- 信號量限制同時進(jìn)入線程池等待隊列的任務(wù)數(shù) 。
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- 使用線程池的拒絕機制，把新加入的任務(wù) put 到等待隊列里，這樣也可以阻塞住生產(chǎn)者。
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四、拉取線程 + Disruptor
下圖展示了 Disruptor 的流程圖 。
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和線程池機制非常類似， Disruptor 也是非常典型的生產(chǎn)者/消費者模式。線程池存儲提交任務(wù)的容器是阻塞隊列，而 Disruptor 使用的是環(huán)形緩沖區(qū) RingBuffer。
環(huán)形緩沖區(qū)的設(shè)計相比阻塞隊列有如下優(yōu)點：
- 環(huán)形數(shù)組結(jié)構(gòu)
為了避免垃圾回收，采用數(shù)組而非鏈表。同時，數(shù)組對處理器的緩存機制更加友好。
- 元素位置定位
數(shù)組長度 2^n，通過位運算，加快定位的速度。下標(biāo)采取遞增的形式，不用擔(dān)心 index 溢出的問題。index 是 long 類型，即使100萬QPS的處理速度，也需要30萬年才能用完。
- 無鎖設(shè)計
每個生產(chǎn)者或者消費者線程，會先申請可以操作的元素在數(shù)組中的位置，申請到之后，直接在該位置寫入或者讀取數(shù)據(jù)。
此刻大家并不需要理解環(huán)形緩沖區(qū)的讀寫機制，只需要明白 環(huán)形緩沖區(qū) RingBuffer 是 Disruptor 的精髓即可。
將消費線程池替換成 Disruptor 有兩個明顯的優(yōu)點：
- 無鎖隊列，寫入讀取性能非常好
- 當(dāng)拉取線程提交消息到 Disruptor 時，若環(huán)形緩沖區(qū) RingBuffer 已經(jīng)滿了，則拉取線程會阻塞，這樣天然的可以避免無限拉取，同時避免 OOM 的問題。
偽代碼類似：
1.定義 Disruptor
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2.拉取線程將消息發(fā)送到 Disruptor Ringbuffer
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3.消費消息
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整體的消費者線程模型如下圖：
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五、平滑停服 + 定時任務(wù)補償
當(dāng)我們分析消費者線程模型時，無論我們使用哪種方式，假如服務(wù)器突然宕機、或者物理機斷電，則會丟失消息。
筆者推薦兩種方式：
1.平滑停服
平滑停服是指在停止應(yīng)用程序時，盡量避免中斷正在進(jìn)行的請求或任務(wù)，盡量讓正在進(jìn)行的任務(wù)處理完成，并且不再接收新的任務(wù)，等所有任務(wù)執(zhí)行完成后關(guān)閉應(yīng)用。
在 Unix/Linux 系統(tǒng)中，可以使用 kill 命令發(fā)送信號給運行中的進(jìn)程。
常見的信號有：
- SIGTERM (15)：請求進(jìn)程終止，可以被捕捉和處理，用于優(yōu)雅地停止進(jìn)程。
- SIGKILL (9)：強制終止進(jìn)程，不能被捕捉或忽略。
- SIGQUIT (3)：進(jìn)程退出并生成核心轉(zhuǎn)儲（core dump）。
為了實現(xiàn)平滑停服，可以使用 Java 的 Runtime.getRuntime().addShutdownHook 方法注冊一個關(guān)閉鉤子（shutdown hook）。當(dāng) JVM 接收到SIGTERM信號時，關(guān)閉鉤子會被執(zhí)行，從而可以在應(yīng)用程序停止前執(zhí)行一些清理工作。
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
System.out.println("Shutdown hook triggered. Performing cleanup...");
// 在這里執(zhí)行清理工作，如關(guān)閉資源、保存狀態(tài)等
}));我們可以在鉤子里，關(guān)閉拉取線程池 ，優(yōu)雅關(guān)閉消費線程池等 ，這樣可以盡量避免丟失消息。
2.定時任務(wù)補償
使用 List 做消息隊列，不可避免的會有消息丟失，所以我們需要用定時任務(wù)做補償，每隔一段時間去業(yè)務(wù)表里查詢業(yè)務(wù)狀態(tài)機，若狀態(tài)機不符合條件，則觸發(fā)補償策略。
參考資料：
https://www.redis.net.cn/tutorial/3510.html
https://redis.io/docs/latest/develop/data-types/lists/
