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12.RocketMQ源码(12)—Broker 消息刷盘服务GroupCommitService、FlushRealTimeService、CommitRealTimeService源码深度解析【一万字】

12.RocketMQ源码(12)—Broker 消息刷盘服务GroupCommitService、FlushRealTimeService、CommitRealTimeService源码深度解析【一万字】

基于RocketMQ release-4.9.3，深入的介绍了Broker 的消息刷盘源码解析，以及高性能的刷盘机制。

学习RocketMQ的时候，我们知道RocketMQ的刷盘策略有两个，同步或者异步：

  1. 同步刷盘：如上图所示，只有在消息真正持久化至磁盘后RocketMQ的Broker端才会真正返回给Producer端一个成功的ACK响应。同步刷盘对MQ消息可靠性来说是一种不错的保障，但是性能上会有较大影响，一般适用于金融业务应用该模式较多。
  2. 异步刷盘：能够充分利用OS的PageCache的优势，只要消息写入PageCache即可将成功的ACK返回给Producer端。消息刷盘采用后台异步线程提交的方式进行，降低了读写延迟，提高了MQ的性能和吞吐量。

此前我们学习了brokeer的处理消息以及追加消息的源码流程：RocketMQ源码(11)---Broker asyncPutMessage处理消息以及存储的高性能设计【一万字】，在CommitLog#asyncPutMessage 方法中会进行消息的存储，我们讲解了获取MappedFile 以及appendMessage 方法的源码，appendMessage仅仅是将消息追加到内存中，并没有真正的落到磁盘上。

在CommitLog#asyncPutMessage 方法的最后才会调用submitFlushRequest 方法提交刷盘请求，broker将会根据刷盘策略进行刷盘。该方法就是RocketMQ的broker刷盘的入口方法，我们现在来学习RocketMQ 是如何实现同步和异步刷盘的。


文章目录


1 初始化存储服务

在CommitLog初始化的时候，在其构造器中会初始化该CommitLog对应的存储服务。

  1. GroupCommitService ：同步刷盘服务。
  2. FlushRealTimeService：异步刷盘服务。
  3. CommitRealTimeService：异步转存服务。
//CommitLog的构造器

if (FlushDiskType.SYNC_FLUSH == defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getFlushDiskType()) {
    //如果是同步刷盘，则初始化GroupCommitService服务
    this.flushCommitLogService = new GroupCommitService();
} else {
    //如果是异步刷盘，则初始化GroupCommitService服务
    this.flushCommitLogService = new FlushRealTimeService();
}
//异步转存数据服务：将堆外内存的数据提交到fileChannel
this.commitLogService = new CommitRealTimeService();

这些服务本身就是一个个的线程任务，在创建了这些服务之后，在**CommitLog#start()**方法中将会对这些服务进行启动。

2 submitFlushRequest提交刷盘请求

该方法中将会根据broker的配置选择不同的刷盘策略：

  1. 如果是同步刷盘 ，那么获取同步刷盘服务GroupCommitService：
    1. 同步等待 ：如果消息的配置需要等待存储完成后才返回，那么构建同步刷盘请求，并且将请求存入内部的requestsWrite，并且唤醒同步刷盘线程，然后仅仅返回future，没有填充刷盘结果，将会在外部thenCombine方法处阻塞等待。这是同步刷盘的默认配置。
    2. 同步不等待：如果消息的配置不需要等待存储完成后才返回，即不需要等待刷盘结果，那么唤醒同步刷盘线程就可以了，随后直接返回PUT_OK。
  2. 如果是异步刷盘 ：
    1. 如果启动了堆外缓存读写分离 ，即transientStorePoolEnable 为true 并且不是SLAVE ，那么唤醒异步转存服务CommitRealTimeService。
    2. 如果没有启动堆外缓存 ，那么唤醒异步刷盘服务FlushRealTimeService 。这是异步刷盘的默认配置。
/**
 * CommitLog的方法
 * <p>
 * 提交刷盘请求
 */
public CompletableFuture<PutMessageStatus> submitFlushRequest(AppendMessageResult result, MessageExt messageExt) {
    // Synchronization flush
    /*
     * 同步刷盘策略
     */
    if (FlushDiskType.SYNC_FLUSH == this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getFlushDiskType()) {
        //获取同步刷盘服务GroupCommitService
        final GroupCommitService service = (GroupCommitService) this.flushCommitLogService;
        //判断消息的配置是否需要等待存储完成后才返回
        if (messageExt.isWaitStoreMsgOK()) {
            //同步刷盘并且需要等待刷刷盘结果

            //构建同步刷盘请求 刷盘偏移量nextOffset = 当前写入偏移量 + 当前消息写入大小
            GroupCommitRequest request = new GroupCommitRequest(result.getWroteOffset() + result.getWroteBytes(),
                    this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getSyncFlushTimeout());
            //将请求加入到刷盘监视器内部的commitRequests中
            flushDiskWatcher.add(request);
            //将请求存入内部的requestsWrite，并且唤醒同步刷盘线程
            service.putRequest(request);
            //仅仅返回future，没有填充结果
            return request.future();
        } else {
            //同步刷盘但是不需要等待刷盘结果，那么唤醒同步刷盘线程，随后直接返回PUT_OK
            service.wakeup();
            return CompletableFuture.completedFuture(PutMessageStatus.PUT_OK);
        }
    }
    // Asynchronous flush
    /*
     * 异步刷盘策略
     */
    else {
        //是否启动了堆外缓存
        if (!this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().isTransientStorePoolEnable()) {
            //如果没有启动了堆外缓存，那么唤醒异步刷盘服务FlushRealTimeService
            flushCommitLogService.wakeup();
        } else {
            //如果启动了堆外缓存，那么唤醒异步转存服务CommitRealTimeService
            commitLogService.wakeup();
        }
        return CompletableFuture.completedFuture(PutMessageStatus.PUT_OK);
    }
}

3 GroupCommitService同步刷盘

同步刷盘服务为GroupCommitService 。创建GroupCommitService对象时，将会初始化两个内部集合，分别是requestsWrite 和requestsRead ，requestsWrite 用于存放putRequest方法写入的刷盘请求，requestsRead 用于存放doCommit 方法读取的刷盘请求。使用两个队列实现读写分离，可以避免putRequest提交刷盘请求与doCommit消费刷盘请求之间的锁竞争。

另外，还会初始化一个独占锁，用于保证存入请求和交换请求操作的线程安全。

//存放putRequest方法写入的刷盘请求
private volatile LinkedList<GroupCommitRequest> requestsWrite = new LinkedList<GroupCommitRequest>();
//存放doCommit方法读取的刷盘请求
private volatile LinkedList<GroupCommitRequest> requestsRead = new LinkedList<GroupCommitRequest>();
//同步服务锁
private final PutMessageSpinLock lock = new PutMessageSpinLock();

3.1 run同步刷盘

GroupCommitService本身是一个线程任务，其内部还保存着一个线程，线程启动之后将会执行run方法，该方法就是同步刷盘的核心方法。

该方法中，将会在死循环中不断的执行刷盘的操作，主要是循环执行两个方法：

  1. waitForRunning：等待执行刷盘操作并且交换请求，同步刷盘服务最多等待10ms。
  2. doCommit：尝试执行批量刷盘。
/**
 * GroupCommitService的方法
 */
public void run() {
    CommitLog.log.info(this.getServiceName() + " service started");

    /*
     * 运行时逻辑
     * 如果服务没有停止，则在死循环中执行刷盘的操作
     */
    while (!this.isStopped()) {
        try {
            //等待执行刷盘，固定最多每10ms执行一次
            this.waitForRunning(10);
            //尝试执行批量刷盘
            this.doCommit();
        } catch (Exception e) {
            CommitLog.log.warn(this.getServiceName() + " service has exception. ", e);
        }
    }

    // Under normal circumstances shutdown, wait for the arrival of the
    // request, and then flush
    /*
     * 停止时逻辑
     * 在正常情况下服务关闭时，将会线程等待10ms等待请求到达，然后一次性将剩余的request进行刷盘。
     */
    try {
        Thread.sleep(10);
    } catch (InterruptedException e) {
        CommitLog.log.warn(this.getServiceName() + " Exception, ", e);
    }

    synchronized (this) {
        this.swapRequests();
    }

    this.doCommit();

    CommitLog.log.info(this.getServiceName() + " service end");
}

3.1.1 waitForRunning等待运行

用于刷盘线程等待执行刷盘操作并且交换请求，该方法实际上是父类ServiceThread的方法，同步和异步刷盘服务都会调用该方法，同步刷盘服务最多等待10ms。

  1. 首先尝试尝试CAS的将已通知标志位从true改为false，表示正在或已执行刷盘操作。如果成功则表示服务线程曾被尝试唤醒过，或者说wakeup()方法曾被调用过，即此前曾有过消息存储的请求，那么此时直接调用onWaitEnd方法交换读写队列，为后续消息持久化做准备。
  2. 如果CAS失败，即已通知标志位已经是false了，表示服务线程曾没有被尝试唤醒过，或者说wakeup()方法曾没有被调用过，即此前这段时间没有提交过消息存储的请求。
  3. 由于此前没有刷盘请求被提交过，那么刷盘服务线程等待一定的时间，减少资源消耗，等待的时间有参数传递，同步刷盘服务最多等待10ms。
  4. 等待时间到了或者因为刷盘请求而被唤醒，此时将已通知标志位直接改为false，表示正在或已执行刷盘操作。调用onWaitEnd方法交换读写队列，为后续消息持久化做准备，一定会尝试执行一次刷盘操作。

可以看到，该方法首先会尝试一次CAS，如果成功则表示此前有过提交请求，则交换读写队列并结束，否则会进行等待，直到超时或者被提交请求唤醒。

还可以得知，同步刷盘服务在没有提交请求的时候同样会等待，只不过最多等待10ms。

/**
 * ServiceThread的方法
 * <p>
 * 等待执行刷盘，同步和异步刷盘服务都会调用该方法
 *
 * @param interval 时间
 */
protected void waitForRunning(long interval) {
    //尝试CAS的将已通知标志位从true改为false，表示正在或已执行刷盘操作
    if (hasNotified.compareAndSet(true, false)) {
        //如果成功则表示服务线程曾被尝试唤醒过，或者说wakeup()方法曾被调用过，即此前曾有过消息存储的请求
        //那么此时直接调用onWaitEnd方法交换读写队列，为后续消息持久化做准备
        this.onWaitEnd();
        return;
    }
    /*
     * 进入这里表示CAS失败，即已通知标志位已经是false了
     * 表示服务线程曾没有被尝试唤醒过，或者说wakeup()方法曾没有被调用过，即此前这段时间没有提交过消息存储的请求
     */
    //entry to wait
    //重置倒计数
    waitPoint.reset();

    try {
        //由于此前没有刷盘请求被提交过，那么刷盘服务线程等待一定的时间，减少资源消耗
        //同步刷盘服务最多等待10ms
        waitPoint.await(interval, TimeUnit.MILLISECONDS);
    } catch (InterruptedException e) {
        log.error("Interrupted", e);
    } finally {
        //等待时间到了或者因为刷盘请求而被唤醒，此时将已通知标志位直接改为false，表示正在或已执行刷盘操作
        hasNotified.set(false);
        //调用onWaitEnd方法交换读写队列，为后续消息持久化做准备，一定会尝试执行一次刷盘操作
        this.onWaitEnd();
    }
}
3.1.1.1 onWaitEnd等待结束交换请求

该方法被GroupCommitService重写，用于交换读写队列。

/**
 * GroupCommitService交换读写队列
 */
@Override
protected void onWaitEnd() {
    //交换请求
    this.swapRequests();
}

swapRequests方法用于交换请求，说白了就是交换读写队列引用，在交换的时候需要加锁。

/**
 * GroupCommitService的方法
 * 交换请求
 */
private void swapRequests() {
    //加锁
    lock.lock();
    try {
        //交换读写队列
        LinkedList<GroupCommitRequest> tmp = this.requestsWrite;
        //requestsRead是一个空队列
        this.requestsWrite = this.requestsRead;
        this.requestsRead = tmp;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

3.1.2. doCommit执行刷盘

在交换了读写队列之后，requestsRead实际上引用到了requestsWrite队列，doCommit方法将会执行刷盘操作，该方法的大概步骤为：

  1. 判断requestsRead队列是否存在元素，如果不存在，也需要进行刷盘，因为某些消息的设置是同步刷盘但是不等待，因此这里直接调用mappedFileQueue.flush(0)方法进行一次同步刷盘即可，无需唤醒线程等操作。
  2. 如果队列存在元素，表示有提交同步等待刷盘请求，那么遍历队列依次刷盘。
    1. 每个刷盘请求最多刷盘两次。
      1. 首先判断如果flushedWhere（CommitLog的整体已刷盘物理偏移量）大于等于下一个刷盘点位，则表示该位置的数据已经刷盘成功了，不再需要刷盘，此时刷盘0次。
      2. 如果小于下一个刷盘点位，则调用mappedFileQueue.flush(0)方法进行一次同步刷盘，并且再次判断flushedWhere是否大于等于下一个刷盘点位，如果是，则不再刷盘，此时刷盘1次。
      3. 如果再次判断flushedWhere仍然小于下一个刷盘点位，那么再次刷盘。因为文件是固定大小的，第一次刷盘时可能出现上一个文件剩余大小不足的情况，消息只能再一次刷到下一个文件中，因此最多会出现两次刷盘的情况。
    2. 调用wakeupCustomer 方法，实际上内部调用flushOKFuture.complete方法存入结果，将唤醒因为提交同步刷盘请求而被阻塞的线程。
  3. 刷盘结束之后，将会修改StoreCheckpoint 中的physicMsgTimestamp（最新commitlog文件的刷盘时间戳，单位毫秒），用于重启数据恢复。
  4. 最后为requestsRead 重新创建一个空的队列，从这里可以得知，当下一次交换队列的时候，requestsWrite又会成为一个空队列。
/**
 * GroupCommitService的方法
 * 执行同步刷盘操作
 */
private void doCommit() {
    //如果requestsRead读队列不为空，表示有提交请求，那么全部刷盘
    if (!this.requestsRead.isEmpty()) {
        //遍历所有的刷盘请求
        for (GroupCommitRequest req : this.requestsRead) {
            // There may be a message in the next file, so a maximum of
            // two times the flush
            //一个同步刷盘请求最多进行两次刷盘操作，因为文件是固定大小的，第一次刷盘时可能出现上一个文件剩余大小不足的情况
            //消息只能再一次刷到下一个文件中，因此最多会出现两次刷盘的情况

            //如果flushedWhere大于下一个刷盘点位，则表示该位置的数据已经刷刷盘成功了，不再需要刷盘
            //flushedWhere的CommitLog的整体已刷盘物理偏移量
            boolean flushOK = CommitLog.this.mappedFileQueue.getFlushedWhere() >= req.getNextOffset();
            //最多循环刷盘两次
            for (int i = 0; i < 2 && !flushOK; i++) {
                /*
                 * 执行强制刷盘操作，最少刷0页，即所有消息都会刷盘
                 */
                CommitLog.this.mappedFileQueue.flush(0);
                //判断是否刷盘成功，如果上一个文件剩余大小不足，则flushedWhere会小于nextOffset，那么海选哦再刷一次
                flushOK = CommitLog.this.mappedFileQueue.getFlushedWhere() >= req.getNextOffset();
            }
            //内部调用flushOKFuture.complete方法存入结果，将唤醒因为提交同步刷盘请求而被阻塞的线程
            req.wakeupCustomer(flushOK ? PutMessageStatus.PUT_OK : PutMessageStatus.FLUSH_DISK_TIMEOUT);
        }
        //获取存储时间戳
        long storeTimestamp = CommitLog.this.mappedFileQueue.getStoreTimestamp();
        //修改StoreCheckpoint中的physicMsgTimestamp：最新commitlog文件的刷盘时间戳，单位毫秒
        //这里用于重启数据恢复
        if (storeTimestamp > 0) {
            CommitLog.this.defaultMessageStore.getStoreCheckpoint().setPhysicMsgTimestamp(storeTimestamp);
        }
        //requestsRead重新创建一个空的队列，当下一次交换队列的时候，requestsWrite又会成为一个空队列
        this.requestsRead = new LinkedList<>();
    } else {
        // Because of individual messages is set to not sync flush, it
        // will come to this process
        //某些消息的设置是同步刷盘但是不等待，因此这里直接进行刷盘即可，无需唤醒线程等操作
        CommitLog.this.mappedFileQueue.flush(0);
    }
}

3.2 putRequest存入请求

调用该方法将加锁并将刷盘请求存入requestsWrite 集合，然后调用wakeup方法唤醒同步刷盘线程。

这就是submitFlushRequest方法中执行同步刷盘操作的调用点，仅仅需要将请求存入队列，同步刷盘服务线程将会自动回去这些请求并处理。

/**
 * GroupCommitService的方法
 *
 * 加锁存入requestsWrite
 * @param request
 */
public synchronized void putRequest(final GroupCommitRequest request) {
    //获取锁
    lock.lock();
    try {
        //存入
        this.requestsWrite.add(request);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
    //唤醒同步刷盘线程
    this.wakeup();
}

3.2.1 Wakeup唤醒刷盘线程

wakeup方法尝试唤醒同步刷盘线程，表示有新的同步等待刷盘请求被提交。

/**
 * ServiceThread的方法
 * 尝试唤醒等待的线程
 */
public void wakeup() {
    //尝试CAS的将已通知标志位从false改为true
    if (hasNotified.compareAndSet(false, true)) {
        //如果成功则通知刷盘服务线程，如果失败则表示此前已经通知过了
        waitPoint.countDown(); // notify
    }
}

3.3 双队列读写分离设计

在同步刷盘服务中，有两个队列requestsWrite和requestsRead，requestsWrite用于存放putRequest方法写入的刷盘请求，requestsRead用于存放doCommit方法读取的刷盘请求。

同步刷盘请求会首先调用putRequest方法存入requestsWrite队列中，而同步刷盘服务会最多每隔10ms就会调用swapRequests方法进行读写队列引用的交换，即requestsWrite指向原requestsRead指向的队列，requestsRead指向原requestsWrite指向的队列。并且putRequest方法和swapRequests方法会竞争同一把锁。

在swapRequests方法之后的doCommit刷盘方法中，只会获取requestsRead中的刷盘请求进行刷盘，并且在刷盘的最后会将requestsRead队列重新构建一个空队列，而此过程中的刷盘请求都被提交到requestsWrite。

从以上的流程中我们可以得知，调用一次doCommit刷盘方法，可以进行多个请求的批量刷盘。这里使用两个队列实现读写分离，以及重置队列的操作，可以使得putRequest方法提交刷盘请求与doCommit方法消费刷盘请求同时进行，避免了他们的锁竞争。而在此前版本的实现中，doCommit方法被加上了锁，将会影响刷盘性能。

4 FlushRealTimeService异步刷盘

异步刷盘服务为FlushRealTimeService，其同样是一个线程任务，并且内部持有一个单独的线程。

4.1 run异步刷盘

该方法中，将会在死循环中不断的执行刷盘的操作，实际上逻辑相比于同步刷盘更加简单，也没有什么读写分离，大概步骤为：

  1. 获取一系列的配置参数：
    1. 是否是定时刷盘，默认是false，即不开启，可通过flushCommitLogTimed配置。
    2. 获取刷盘间隔时间，默认500ms，可通过flushIntervalCommitLog配置。
    3. 获取刷盘的最少页数，默认4，即16k，可通过flushCommitLogLeastPages配置。
    4. 最长刷盘延迟间隔时间，默认10s，可通过flushCommitLogThoroughInterval配置，即距离上一次刷盘超过10S时，不管页数是否超过4，都会刷盘。
  2. 如果当前时间距离上次刷盘时间大于等于10s，那么必定刷盘，因此设置刷盘的最少页数为0，更新刷盘时间戳为当前时间。
  3. 判断是否是定时刷盘，如果定时刷盘，那么当前线程sleep睡眠指定的间隔时间，否则那么调用waitForRunning方法，线程最多阻塞指定的间隔时间，但可以被中途的wakeup方法唤醒进而直接尝试进行刷盘。
  4. 线程醒来后调用mappedFileQueue.flush方法刷盘，指定最少页数，随后更新最新commitlog文件的刷盘时间戳，单位毫秒，用于启动恢复。
  5. 当刷盘服务被关闭时，默认执行10次刷盘操作，让消息尽量少丢失。

可以看到，异步刷盘的情况下，默认最少需要4页的脏数据 才会刷盘，另外还可以配置定时刷盘策略，默认500ms ，且最长刷盘延迟间隔时间，默认达到了10s 。这些延迟刷盘的配置，可以保证RocketMQ有尽可能更高的效率，但是同样会增加消息丢失的可能，例如机器掉电。

/**
 * FlushRealTimeService的方法
 */
public void run() {
    CommitLog.log.info(this.getServiceName() + " service started");
    /*
     * 运行时逻辑
     * 如果服务没有停止，则在死循环中执行刷盘的操作
     */
    while (!this.isStopped()) {
        //是否是定时刷盘，默认是false，即不开启
        boolean flushCommitLogTimed = CommitLog.this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().isFlushCommitLogTimed();
        //获取刷盘间隔时间，默认500ms，可通过flushIntervalCommitLog配置
        int interval = CommitLog.this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getFlushIntervalCommitLog();
        //获取刷盘的最少页数，默认4，即16k，可通过flushCommitLogLeastPages配置
        int flushPhysicQueueLeastPages = CommitLog.this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getFlushCommitLogLeastPages();
        //最长刷盘延迟间隔时间，默认10s，可通过flushCommitLogThoroughInterval配置，即距离上一次刷盘超过10S时，不管页数是否超过4，都会刷盘
        int flushPhysicQueueThoroughInterval =
                CommitLog.this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getFlushCommitLogThoroughInterval();

        boolean printFlushProgress = false;

        // Print flush progress
        long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
        //如果当前时间距离上次刷盘时间大于等于10s，那么必定刷盘
        if (currentTimeMillis >= (this.lastFlushTimestamp + flushPhysicQueueThoroughInterval)) {
            //更新刷盘时间戳为当前时间
            this.lastFlushTimestamp = currentTimeMillis;
            //最少刷盘页数为0，即不管页数是否超过4，都会刷盘
            flushPhysicQueueLeastPages = 0;
            printFlushProgress = (printTimes++ % 10) == 0;
        }

        try {
            //判断是否是定时刷盘
            if (flushCommitLogTimed) {
                //如果定时刷盘，那么当前线程睡眠指定的间隔时间
                Thread.sleep(interval);
            } else {
                //如果不是定时刷盘，那么调用waitForRunning方法，线程最多睡眠500ms
                //可以被中途的wakeup方法唤醒进而直接尝试进行刷盘
                this.waitForRunning(interval);
            }

            if (printFlushProgress) {
                this.printFlushProgress();
            }
            /*
             * 开始刷盘
             */
            long begin = System.currentTimeMillis();
            /*
             * 刷盘指定的页数
             */
            CommitLog.this.mappedFileQueue.flush(flushPhysicQueueLeastPages);
            //获取存储时间戳
            long storeTimestamp = CommitLog.this.mappedFileQueue.getStoreTimestamp();
            //修改StoreCheckpoint中的physicMsgTimestamp：最新commitlog文件的刷盘时间戳，单位毫秒
            //这里用于重启数据恢复
            if (storeTimestamp > 0) {
                CommitLog.this.defaultMessageStore.getStoreCheckpoint().setPhysicMsgTimestamp(storeTimestamp);
            }
            //刷盘消耗时间
            long past = System.currentTimeMillis() - begin;
            if (past > 500) {
                log.info("Flush data to disk costs {} ms", past);
            }
        } catch (Throwable e) {
            CommitLog.log.warn(this.getServiceName() + " service has exception. ", e);
            this.printFlushProgress();
        }
    }

    // Normal shutdown, to ensure that all the flush before exit
    /*
     * 停止时逻辑
     * 在正常情况下服务关闭时，一次性执行10次刷盘操作
     */
    boolean result = false;
    for (int i = 0; i < RETRY_TIMES_OVER && !result; i++) {
        result = CommitLog.this.mappedFileQueue.flush(0);
        CommitLog.log.info(this.getServiceName() + " service shutdown, retry " + (i + 1) + " times " + (result ? "OK" : "Not OK"));
    }

    this.printFlushProgress();

    CommitLog.log.info(this.getServiceName() + " service end");
}

5 CommitRealTimeService异步堆外缓存刷盘

异步堆外缓存刷盘服务为CommitRealTimeService，其同样是一个线程任务，并且内部持有一个单独的线程。

5.1 run异步堆外缓存刷盘

该方法中，将会在死循环中不断的执行刷盘的操作，大概步骤为：

  1. 获取一系列的配置参数：
    1. 获取刷盘间隔时间，默认200ms ，可通过commitIntervalCommitLog配置。
    2. 获取刷盘的最少页数，默认4 ，即16k ，可通过commitCommitLogLeastPages配置。
    3. 最长刷盘延迟间隔时间，默认200ms ，可通过commitCommitLogThoroughInterval配置，即距离上一次刷盘超过200ms时，不管页数是否超过4，都会刷盘。
  2. 如果当前时间距离上次刷盘时间大于等于200ms，那么必定刷盘，因此设置刷盘的最少页数为0，更新刷盘时间戳为当前时间。
  3. 调用mappedFileQueue.commit 方法提交数据到fileChannel，而不是直接flush ，如果已经提交了一些脏数据到fileChannel，那么更新最后提交的时间戳，并且唤醒flushCommitLogService异步刷盘服务进行真正的刷盘操作。
  4. 调用waitForRunning方法，线程最多阻塞指定的间隔时间，但可以被中途的wakeup方法唤醒进而进行下一轮循环。
  5. 当刷盘服务被关闭时，默认执行10次刷盘（提交）操作，让消息尽量少丢失。

可以发现，异步堆外缓存刷盘和普通异步刷盘的逻辑都差不多，最主要的区别就是异步堆外缓存刷盘服务并不会真正的执行flush刷盘，而是调用commit方法提交数据到fileChannel。

开启了异步堆外缓存服务之后，消息会先被追加到堆外内存writebuffer，然后异步（每最多200ms执行一次）的提交到commitLog文件的文件通道FileChannel中，然后唤醒异步刷盘服务FlushRealTimeService，由该FlushRealTimeService服务（每最多500ms执行一次）最终异步的将MappedByteBuffer中的数据刷到磁盘。

开启了异步堆外缓存服务之后，写数据的时候写入堆外缓存writeBuffer中，而读取数据始终从MappedByteBuffer中读取，二者通过异步堆外缓存刷盘服务CommitRealTimeService实现数据同步，该服务异步（最多200ms执行一次）的将堆外缓存writeBuffer中的脏数据提交到commitLog文件的文件通道FileChannel中，而该文件被执行了内存映射mmap操作，因此可以从对应的MappedByteBuffer中直接获取提交到FileChannel的数据，但仍有延迟。

高并发下频繁写入 page cache 可能会造成刷脏页时磁盘压力较高，导致写入时出现毛刺现象。读写分离能缓解频繁写page cache 的压力，但会增加消息不一致的风险，使得数据一致性降低到最低。

/**
 * CommitRealTimeService
 * <p>
 * 执行异步堆外缓存刷盘服务
 */
@Override
public void run() {
    CommitLog.log.info(this.getServiceName() + " service started");
    /*
     * 运行时逻辑
     * 如果服务没有停止，则在死循环中执行刷盘的操作
     */
    while (!this.isStopped()) {
        //获取刷盘间隔时间，默认200ms，可通过commitIntervalCommitLog配置
        int interval = CommitLog.this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getCommitIntervalCommitLog();
        //获取刷盘的最少页数，默认4，即16k，可通过commitCommitLogLeastPages配置
        int commitDataLeastPages = CommitLog.this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getCommitCommitLogLeastPages();
        //最长刷盘延迟间隔时间，默认200ms，可通过commitCommitLogThoroughInterval配置，即距离上一次刷盘超过200ms时，不管页数是否超过4，都会刷盘
        int commitDataThoroughInterval =
                CommitLog.this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getCommitCommitLogThoroughInterval();

        long begin = System.currentTimeMillis();
        //如果当前时间距离上次刷盘时间大于等于200ms，那么必定刷盘
        if (begin >= (this.lastCommitTimestamp + commitDataThoroughInterval)) {
            this.lastCommitTimestamp = begin;
            commitDataLeastPages = 0;
        }

        try {
            /*
             * 调用commit方法提交数据，而不是直接flush
             */
            boolean result = CommitLog.this.mappedFileQueue.commit(commitDataLeastPages);
            long end = System.currentTimeMillis();
            //如果已经提交了一些脏数据到fileChannel
            if (!result) {
                //更新最后提交的时间戳
                this.lastCommitTimestamp = end; // result = false means some data committed.
                //now wake up flush thread.
                //唤醒flushCommitLogService异步刷盘服务进行刷盘操作
                flushCommitLogService.wakeup();
            }

            if (end - begin > 500) {
                log.info("Commit data to file costs {} ms", end - begin);
            }
            //等待执行
            this.waitForRunning(interval);
        } catch (Throwable e) {
            CommitLog.log.error(this.getServiceName() + " service has exception. ", e);
        }
    }
    /*
     * 停止时逻辑
     * 在正常情况下服务关闭时，一次性执行10次刷盘操作
     */
    boolean result = false;
    for (int i = 0; i < RETRY_TIMES_OVER && !result; i++) {
        result = CommitLog.this.mappedFileQueue.commit(0);
        CommitLog.log.info(this.getServiceName() + " service shutdown, retry " + (i + 1) + " times " + (result ? "OK" : "Not OK"));
    }
    CommitLog.log.info(this.getServiceName() + " service end");
}

6 MappedFile的刷盘

6.1 MappedFileQueue#flush刷盘

同步和异步刷盘服务，最终都是调用MappedFileQueue#flush方法执行刷盘。

该方法首先根据最新刷盘物理位置flushedWhere ，去找到对应的MappedFile。如果flushedWhere为0，表示还没有开始写消息，则获取第一个MappedFile。然后调用mappedFile#flush方法执行真正的刷盘操作。

/**
 * MappedFileQueue的方法
 * <p>
 * 执行刷盘
 *
 * @param flushLeastPages 最少刷盘的页数
 */
public boolean flush(final int flushLeastPages) {
    boolean result = true;
    //根据最新刷盘物理位置flushedWhere，去找到对应的MappedFile。如果flushedWhere为0，表示还没有开始写消息，则获取第一个MappedFile
    MappedFile mappedFile = this.findMappedFileByOffset(this.flushedWhere, this.flushedWhere == 0);
    if (mappedFile != null) {
        //获取存储时间戳，storeTimestamp在appendMessagesInner方法中被更新
        long tmpTimeStamp = mappedFile.getStoreTimestamp();
        /*
         * 执行刷盘操作
         */
        int offset = mappedFile.flush(flushLeastPages);
        //获取最新刷盘物理偏移量
        long where = mappedFile.getFileFromOffset() + offset;
        //刷盘结果
        result = where == this.flushedWhere;
        //更新刷盘物理位置
        this.flushedWhere = where;
        //如果最少刷盘页数为0，则更新存储时间戳
        if (0 == flushLeastPages) {
            this.storeTimestamp = tmpTimeStamp;
        }
    }

    return result;
}

6.1.1 findMappedFileByOffset根据偏移量获取MappedFile

该方法用于根据偏移量获取对应的MappedFile，实际上很简单，大概步骤为：

  1. 获取mappedFiles集合中的第一个MappedFile和最后一个MappedFile。
  2. 获取当前offset属于的MappedFile在mappedFiles集合中的索引位置。因为MappedFile的名字则是该MappedFile的起始offset，而每个MappedFile的大小一般是固定的，因此查找的方法很简单：int index = (int) ((offset / this.mappedFileSize) - (firstMappedFile.getFileFromOffset() / this.mappedFileSize))。
  3. 根据索引位置从mappedFiles中获取对应的MappedFile文件targetFile，如果指定offset在targetFile的offset范围内，那么返回该targetFile。
  4. 否则，遍历mappedFiles，依次对每个MappedFile的offset范围进行判断，找到对应的tmpMappedFile并返回。
  5. 到这里，表示没找到任何MappedFile，如果returnFirstOnNotFound为true，则返回第一个文件。
  6. 最后，还是不满足条件，返回null。
/**
 * MappedFileQueue的方法
 * <p>
 * 根据偏移量获取MappedFile
 *
 * @param offset                偏移量.
 * @param returnFirstOnNotFound 如果未找到映射文件，则返回第一个文件。
 * @return MappedFile 或者 null (当未找到且returnFirstOnNotFound为false时).
 */
public MappedFile findMappedFileByOffset(final long offset, final boolean returnFirstOnNotFound) {
    try {
        //获取第一个MappedFile
        MappedFile firstMappedFile = this.getFirstMappedFile();
        //获取最后一个MappedFile
        MappedFile lastMappedFile = this.getLastMappedFile();
        if (firstMappedFile != null && lastMappedFile != null) {
            //如果偏移量不再正确的范围内，则打印异常日志
            if (offset < firstMappedFile.getFileFromOffset() || offset >= lastMappedFile.getFileFromOffset() + this.mappedFileSize) {
                LOG_ERROR.warn("Offset not matched. Request offset: {}, firstOffset: {}, lastOffset: {}, mappedFileSize: {}, mappedFiles count: {}",
                        offset,
                        firstMappedFile.getFileFromOffset(),
                        lastMappedFile.getFileFromOffset() + this.mappedFileSize,
                        this.mappedFileSize,
                        this.mappedFiles.size());
            } else {
                //获取当前offset属于的MappedFile在mappedFiles集合中的索引位置
                int index = (int) ((offset / this.mappedFileSize) - (firstMappedFile.getFileFromOffset() / this.mappedFileSize));
                MappedFile targetFile = null;
                try {
                    //根据索引位置获取对应的MappedFile文件
                    targetFile = this.mappedFiles.get(index);
                } catch (Exception ignored) {
                }
                //如果指定offset在targetFile的offset范围内，那么返回
                if (targetFile != null && offset >= targetFile.getFileFromOffset()
                        && offset < targetFile.getFileFromOffset() + this.mappedFileSize) {
                    return targetFile;
                }
                //否则，遍历mappedFiles，依次对每个MappedFile的offset范围进行判断，找到对应的tmpMappedFile并返回
                for (MappedFile tmpMappedFile : this.mappedFiles) {
                    if (offset >= tmpMappedFile.getFileFromOffset()
                            && offset < tmpMappedFile.getFileFromOffset() + this.mappedFileSize) {
                        return tmpMappedFile;
                    }
                }
            }
            //到这里表示没找到任何MappedFile，如果returnFirstOnNotFound为true，则返回第一个文件
            if (returnFirstOnNotFound) {
                return firstMappedFile;
            }
        }
    } catch (Exception e) {
        log.error("findMappedFileByOffset Exception", e);
    }

    return null;
}

6.1.2 MappedFile#flush执行刷盘

该方法是需要执行刷盘的MappedFile实例调用的方法，用于完成刷盘操作。无论是同步还是异步刷盘，最终都是调用该方法。

大概步骤为：

  1. 判断是否可以刷盘。如果文件已经满了，或者如果flushLeastPages 大于0，且脏页数量大于等于flushLeastPages，或者如果flushLeastPages等于0并且存在脏数据，这几种情况都会刷盘。
  2. 如果可以刷盘。那么增加引用次数，并且进行刷盘操作，如果使用了堆外内存，那么通过fileChannel#force 强制刷盘，这是异步堆外内存走的逻辑。如果没有使用堆外内存，那么通过mappedByteBuffer#force强制刷盘，这是同步或者异步刷盘走的逻辑。
  3. 最后更新刷盘位置为写入位置，并返回。
/**
 * MappedFile的方法
 * <p>
 * 刷盘
 *
 * @param flushLeastPages 最少刷盘的页数
 * @return 当前刷盘的位置
 */
public int flush(final int flushLeastPages) {
    //判断是否可以刷盘
    //如果文件已经满了，或者如果flushLeastPages大于0，且脏页数量大于等于flushLeastPages
    //或者如果flushLeastPages等于0并且存在脏数据，这几种情况都会刷盘
    if (this.isAbleToFlush(flushLeastPages)) {
        //增加对该MappedFile的引用次数
        if (this.hold()) {
            //获取写入位置
            int value = getReadPosition();

            try {
                /*
                 * 只将数据追加到fileChannel或mappedByteBuffer中，不会同时追加到这两个里面。
                 */
                //We only append data to fileChannel or mappedByteBuffer, never both.
                //如果使用了堆外内存，那么通过fileChannel强制刷盘，这是异步堆外内存走的逻辑
                if (writeBuffer != null || this.fileChannel.position() != 0) {
                    this.fileChannel.force(false);
                } else {
                    //如果没有使用堆外内存，那么通过mappedByteBuffer强制刷盘，这是同步或者异步刷盘走的逻辑
                    this.mappedByteBuffer.force();
                }
            } catch (Throwable e) {
                log.error("Error occurred when force data to disk.", e);
            }
            //设置刷盘位置为写入位置
            this.flushedPosition.set(value);
            //减少对该MappedFile的引用次数
            this.release();
        } else {
            log.warn("in flush, hold failed, flush offset = " + this.flushedPosition.get());
            this.flushedPosition.set(getReadPosition());
        }
    }
    //获取最新刷盘位置
    return this.getFlushedPosition();
}
6.1.2.1 isAbleToFlush是否可刷盘

该方法用于判断当前是否可刷盘，大概流程为：

  1. 首先获取刷盘位置flush和写入位置write。然后判断如果文件满了，即写入位置等于文件大小，那么直接返回true。
  2. 如果至少刷盘的页数flushLeastPages大于0，则需要比较写入位置与刷盘位置的差值，当差值大于等于指定的最少页数才能刷盘，这样可以防止频繁的刷盘。
  3. 否则，表示flushLeastPages为0，那么只要写入位置大于刷盘位置，即存在脏数据，那么就一定会刷盘。
/**
 * MappedFile的方法
 * 是否支持刷盘
 *
 * @param flushLeastPages 至少刷盘的页数
 */
private boolean isAbleToFlush(final int flushLeastPages) {
    //获取刷盘位置
    int flush = this.flushedPosition.get();
    //获取写入位置
    int write = getReadPosition();
    //如果文件已经满了，那么返回true
    if (this.isFull()) {
        return true;
    }
    //如果至少刷盘的页数大于0，则需要比较写入位置与刷盘位置的差值
    //当差值大于等于指定的页数才能刷盘，防止频繁的刷盘
    if (flushLeastPages > 0) {
        return ((write / OS_PAGE_SIZE) - (flush / OS_PAGE_SIZE)) >= flushLeastPages;
    }
    //否则，表示flushLeastPages为0，那么只要写入位置大于刷盘位置，即存在脏数据，那么就会刷盘
    return write > flush;
}

6.2 MappedFileQueue#commit提交

MappedFileQueue#commit 方法用于提交刷盘，该方法首先根据最新刷盘物理位置flushedWhere，去找到对应的MappedFile。如果flushedWhere为0，表示还没有开始写消息，则获取第一个MappedFile。然后调用mappedFile#flush方法执行真正的刷盘操作。

/**
 * MappedFileQueue的方法
 * <p>
 * 提交刷盘
 *
 * @param commitLeastPages 最少提交的页数
 * @return false表示提交了部分数据
 */
public boolean commit(final int commitLeastPages) {
    boolean result = true;
    //根据最新提交物理位置committedWhere，去找到对应的MappedFile。如果committedWhere为0，表示还没有开始提交消息，则获取第一个MappedFile
    MappedFile mappedFile = this.findMappedFileByOffset(this.committedWhere, this.committedWhere == 0);
    if (mappedFile != null) {
        /*
         * 执行提交操作
         */
        int offset = mappedFile.commit(commitLeastPages);
        //获取最新提交物理偏移量
        long where = mappedFile.getFileFromOffset() + offset;
        //如果不相等，表示提交了部分数据
        result = where == this.committedWhere;
        //更新提交物理位置
        this.committedWhere = where;
    }

    return result;
}

6.2.1 mappedFile#commit提交

该方法是需要执行提交的MappedFile实例调用的方法，用于完成提交操作。

通过isAbleToCommit 方法判断是否支持提交，其判断逻辑和isAbleToFlush 方法一致。如果支持提交，那么调用commit0方法将堆外内存中的全部脏数据提交到filechannel。

如果所有的脏数据被提交到了FileChannel ，那么归还堆外缓存，将堆外缓存重置，并存入内存池availableBuffers的头部，随后将writeBuffer职位null，下次再重新获取新的writeBuffer。

/**
 * MappedFile的方法
 * <p>
 * 提交刷盘
 *
 * @param commitLeastPages 最少提交页数
 * @return 提交的offset
 */
public int commit(final int commitLeastPages) {
    //如果堆外缓存为null，那么不需要提交数据到filechannel，所以只需将wrotePosition视为committedPosition返回即可。
    if (writeBuffer == null) {
        //no need to commit data to file channel, so just regard wrotePosition as committedPosition.
        return this.wrotePosition.get();
    }
    //是否支持提交，其判断逻辑和isAbleToFlush方法一致
    if (this.isAbleToCommit(commitLeastPages)) {
        //增加对该MappedFile的引用次数
        if (this.hold()) {
            //将堆外内存中的全部脏数据提交到filechannel
            commit0();
            this.release();
        } else {
            log.warn("in commit, hold failed, commit offset = " + this.committedPosition.get());
        }
    }

    // All dirty data has been committed to FileChannel.
    //所有的脏数据被提交到了FileChannel，那么归还堆外缓存
    if (writeBuffer != null && this.transientStorePool != null && this.fileSize == this.committedPosition.get()) {
        //将堆外缓存重置，并存入内存池availableBuffers的头部
        this.transientStorePool.returnBuffer(writeBuffer);
        //writeBuffer职位null，下次再重新获取
        this.writeBuffer = null;
    }
    //返回提交位置
    return this.committedPosition.get();
}

7 总结

本次我们学习了RocketMQ消息刷盘的源码， 有四种刷盘策略：

  1. 如果是同步刷盘 ，那么获取同步刷盘服务GroupCommitService：
    1. 同步等待 ：如果消息的配置需要等待存储完成后才返回，那么构建同步刷盘请求，并且将请求存入内部的requestsWrite，并且唤醒同步刷盘线程，然后仅仅返回future，没有填充刷盘结果，将会在外部thenCombine方法处阻塞等待。这是同步刷盘的默认配置。
    2. 同步不等待：如果消息的配置不需要等待存储完成后才返回，即不需要等待刷盘结果，那么唤醒同步刷盘线程就可以了，随后直接返回PUT_OK。
  2. 如果是异步刷盘 ：
    1. 如果启动了堆外缓存读写分离 ，即transientStorePoolEnable 为true 并且不是SLAVE ，那么唤醒异步转存服务CommitRealTimeService。
    2. 如果没有启动堆外缓存 ，那么唤醒异步刷盘服务FlushRealTimeService 。这是异步刷盘的默认配置。

相关的知识点：

  1. 同步和异步刷盘服务，最终都是调用MappedFileQueue#flush 方法执行刷盘，该方法内部最终又是通过mappedFile#flush方法刷盘的。
  2. 同步刷盘双队列读写分离优化：
    1. 在同步刷盘的时候，采用了双队列读写分离的机制，以及重置队列的操作，可以使得putRequest方法提交刷盘请求与doCommit方法消费刷盘请求同时进行，避免了他们的锁竞争。而在此前版本的实现中，doCommit方法被加上了锁，将会影响刷盘性能。
  3. 异步堆外缓存刷盘优化：
    1. 在异步刷盘的时候，可以开启异步堆外缓存刷盘机制，异步堆外缓存刷盘服务并不会真正的执行flush刷盘，而是调用commit方法提交数据到fileChannel。
    2. 开启了异步堆外缓存服务之后，写数据的时候写入堆外缓存writeBuffer中，而读取数据始终从MappedByteBuffer中读取，这也是一种读写分离机制。二者通过异步堆外缓存刷盘服务CommitRealTimeService实现数据同步，该服务异步（最多200ms执行一次）的将堆外缓存writeBuffer中的脏数据提交到commitLog文件的文件通道FileChannel中，而该文件被执行了内存映射mmap操作，因此可以从对应的MappedByteBuffer中直接获取提交到FileChannel的数据，但仍有延迟。
    3. 高并发下频繁写入 page cache 可能会造成刷脏页时磁盘压力较高，导致写入时出现毛刺现象。读写分离能缓解频繁写page cache 的压力，但会增加消息不一致的风险，使得数据一致性降低到最低。

本次我们只学习了消息到commitFile文件的刷盘机制，但是没有讲解ConsumeQueue和IndexFile文件的构建机制，我们下次学习。

来源：https://blog.csdn.net/weixin_43767015/article/details/127379381