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什么鬼,面试官竟然让我用Redis实现一个消息队列!!?

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众所周知,redis是一个高性能的key-value数据库,在NoSQL数据库市场上,redis自己就占据了将近半壁江山,足以见到其强大之处。同时,由于redis的单线程特性,我们可以将其用作为一个消息队列。本篇文章就来讲讲如何将redis整合到spring boot中,并用作消息队列的……

一、什么是消息队列

“消息队列”是在消息的传输过程中保存消息的容器。——《百度百科》

消息我们可以理解为在计算机中或在整个计算机网络中传递的数据。

队列是我们在学习数据结构的时候学习的基本数据结构之一,它具有先进先出的特性。

所以,消息队列就是一个保存消息的容器,它具有先进先出的特性。

为什么会出现消息队列?

  1. 异步:常见的B/S架构下,客户端向服务器发送请求,但是服务器处理这个消息需要花费的时间很长的时间,如果客户端一直等待服务器处理完消息,会造成客户端的系统资源浪费;而使用消息队列后,服务器直接将消息推送到消息队列中,由专门的处理消息程序处理消息,这样客户端就不必花费大量时间等待服务器的响应了;
  2. 解耦:传统的软件开发模式,模块之间的调用是直接调用,这样的系统很不利于系统的扩展,同时,模块之间的相互调用,数据之间的共享问题也很大,每个模块都要时时刻刻考虑其他模块会不会挂了;使用消息队列以后,模块之间不直接调用,而是通过数据,且当某个模块挂了以后,数据仍旧会保存在消息队列中。最典型的就是生产者-消费者模式,本案例使用的就是该模式;
  3. 削峰填谷:某一时刻,系统的并发请求暴增,远远超过了系统的最大处理能力后,如果不做任何处理,系统会崩溃;使用消息队列以后,服务器把请求推送到消息队列中,由专门的处理消息程序以合理的速度消费消息,降低服务器的压力。

下面一张图我们来简单了解一下消息队列

由上图可以看到,消息队列充当了一个中间人的角色,我们可以通过操作这个消息队列来保证我们的系统稳定。

二、环境准备

Java环境:jdk1.8

spring boot版本:2.2.1.RELEASE

redis-server版本:3.2.100

三、相关依赖

这里只展示与redis相关的依赖,

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.integration</groupId>
    <artifactId>spring-integration-redis</artifactId>
</dependency>
复制代码

这里解释一下这两个依赖:

  • 第一个依赖是对redis NoSQL的支持
  • 第二个依赖是spring integration与redis的结合,这里添加这个代码主要是为了实现分布式锁

四、配置文件

这里只展示与redis相关的配置

# redis所在的的地址
spring.redis.host=localhost
# redis数据库索引,从0开始,可以从redis的可视化客户端查看
spring.redis.database=1
# redis的端口,默认为6379
spring.redis.port=6379
# redis的密码
spring.redis.password=
# 连接redis的超时时间(ms),默认是2000
spring.redis.timeout=5000
# 连接池最大连接数
spring.redis.jedis.pool.max-active=16
# 连接池最小空闲连接
spring.redis.jedis.pool.min-idle=0
# 连接池最大空闲连接
spring.redis.jedis.pool.max-idle=16
# 连接池最大阻塞等待时间(负数表示没有限制)
spring.redis.jedis.pool.max-wait=-1
# 连接redis的客户端名
spring.redis.client-name=mall
复制代码

五、代码配置

redis用作消息队列,其在spring boot中的主要表现为一个RedisTemplate.convertAndSend()方法和一个MessageListener接口。所以我们要在IOC容器中注入一个RedisTemplate和一个实现了MessageListener接口的类。话不多说,先看代码

配置RedisTemplate

配置RedisTemplate的主要目的是配置序列化方式以解决乱码问题,同时合理配置序列化方式还能降低一点性能开销。

/**
 * 配置RedisTemplate,解决乱码问题
 */
@Bean
public RedisTemplate<String, Object> redisTemplate(RedisConnectionFactory factory) {
    LOGGER.debug("redis序列化配置开始");
    RedisTemplate<String, Object> template = new RedisTemplate<>();
    template.setConnectionFactory(factory);
    // string序列化方式
    RedisSerializer serializer = new GenericJackson2JsonRedisSerializer();
    // 设置默认序列化方式
    template.setDefaultSerializer(serializer);
    template.setKeySerializer(new StringRedisSerializer());
    template.setHashValueSerializer(serializer);
    LOGGER.debug("redis序列化配置结束");
    return template;
}
复制代码

代码第12行,我们配置默认的序列化方式为GenericJackson2JsonRedisSerializer

代码第13行,我们配置键的序列化方式为StringRedisSerializer

代码第14行,我们配置哈希表的值的序列化方式为GenericJackson2JsonRedisSerializer

RedisTemplate几种序列化方式的简要介绍

序列化方式 介绍
StringRedisSerializer 将对象序列化为字符串,但是经测试,无法序列化对象,一般用在key上
OxmSerializer 将对象序列化为xml性质,本质上是字符串
ByteArrayRedisSerializer 默认序列化方式,将对象序列化为二进制字节,但是需要对象实现Serializable接口
GenericFastJsonRedisSerializer json序列化,使用fastjson序列化方式序列化对象
GenericJackson2JsonRedisSerializer json序列化,使用jackson序列化方式序列化对象

六、redis队列监听器(消费者)

上面说了,与redis队列监听器相关的类为一个名为MessageListener的接口,下面是该接口的源码

public interface MessageListener {
    void onMessage(Message message, @Nullable byte[] pattern);
}
复制代码

可以看到,该接口仅有一个onMessage(Message message, @Nullable byte[] pattern)方法,该方法便是监听到队列中消息后的回调方法。下面解释一下这两个参数:

  • message:redis消息类,该类中仅有两个方法
    • byte[] getBody()以二进制形式获取消息体
    • byte[] getChannel()以二进制形式获取消息通道
  • pattern:二进制形式的消息通道,和message.getChannel()返回值相同

介绍完接口,我们来实现一个简单的redis队列监听器

@Component
public class RedisListener implement MessageListener{
    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(RedisListener.class);

    @Override
    public void onMessage(Message message,byte[] pattern){
        LOGGER.debug("从消息通道={}监听到消息",new String(pattern));
        LOGGER.debug("从消息通道={}监听到消息",new String(message.getChannel()));
        LOGGER.debug("元消息={}",new String(message.getBody()));
        // 新建一个用于反序列化的对象,注意这里的对象要和前面配置的一样
        // 因为我前面设置的默认序列化方式为GenericJackson2JsonRedisSerializer
        // 所以这里的实现方式为GenericJackson2JsonRedisSerializer
        RedisSerializer serializer=new GenericJackson2JsonRedisSerializer();
        LOGGER.debug("反序列化后的消息={}",serializer.deserialize(message.getBody()));
    }
}
复制代码

代码很简单,就是输出参数中包含的关键信息。需要注意的是,RedisSerializer的实现要与上面配置的序列化方式一致。

队列监听器实现完以后,我们还需要将这个监听器添加到redis队列监听器容器中,代码如下:

@Bean
public public RedisMessageListenerContainer container(RedisConnectionFactory factory) {
    RedisMessageListenerContainer container = new RedisMessageListenerContainer();
    container.setConnectionFactory(factory);
    container.addMessageListener(redisListener, new PatternTopic("demo-channel"));
    return container;
}
复制代码

这几行代码大概意思就是新建一个Redis消息监听器容器,然后将监听器和管道名想绑定,最后返回这个容器。

这里要注意的是,这个管道名和下面将要说的推送消息时的管道名要一致,不然监听器监听不到消息。

七、redis队列推送服务(生产者)

上面我们配置了RedisTemplate将要在这里使用到。

代码如下:

@Service
public class Publisher{
    @Autowrite
    private RedisTemplate redis;

    public void publish(Object msg){
        redis.convertAndSend("demo-channel",msg);
    }
}
复制代码

关键代码为第7行,redis.convertAndSend()这个方法的作用为,向某个通道(参数1)推送一条消息(第二个参数)。

这里还是要注意上面所说的,生产者和消费者的通道名要相同。

至此,消息队列的生产者和消费者已经全部编写完成。

八、遇到的问题及解决办法

1、spring boot使用log4j2日志框架问题

在我添加了spring-boot-starter-log4j2依赖并在spring-boot-starter-web中排除了spring-boot-starter-logging后,运行项目,还是会提示下面的错误:

SLF4J: Class path contains multiple SLF4J bindings.
SLF4J: Found binding in [jar:file:.....m2/repository/ch/qos/logback/logback-classic/1.2.3/logback-classic-1.2.3.jar!/org/slf4j/impl/StaticLoggerBinder.class]
SLF4J: Found binding in [jar:file:.....m2/repository/org/apache/logging/log4j/log4j-slf4j-impl/2.12.1/log4j-slf4j-impl-2.12.1.jar!/org/slf4j/impl/StaticLoggerBinder.class]
SLF4J: See http://www.slf4j.org/codes.html#multiple_bindings for an explanation.
SLF4J: Actual binding is of type [ch.qos.logback.classic.util.ContextSelectorStaticBinder]
复制代码

这个错误就是maven中有多个日志框架导致的。后来通过依赖分析,发现在spring-boot-starter-data-redis中,也依赖了spring-boot-starter-logging,解决办法也很简单,下面贴出详细代码

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-logging</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-logging</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-log4j2</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.integration</groupId>
    <artifactId>spring-integration-redis</artifactId>
</dependency>
复制代码

2、redis队列监听器线程安全问题

redis队列监听器的监听机制是:使用一个线程监听队列,队列有未消费的消息则取出消息并生成一个新的线程来消费消息。如果你还记得,我开头说的是由于redis单线程特性,因此我们用它来做消息队列,但是如果监听器每次接受一个消息就生成新的线程来消费信息的话,这样就完全没有使用到redis的单线程特性,同时还会产生线程安全问题。

单一消费者(一个通道只有一个消费者)的解决办法

最简单的办法莫过于为onMessage()方法加锁,这样简单粗暴却很有用,不过这种方式无法控制队列监听的速率,且无限制的创造线程最终会导致系统资源被占光。

那如何解决这种情况呢?线程池。

在将监听器添加到容器的配置的时候,RedisMessageListenerContainer类中有一个方法setTaskExecutor(Executor taskExecutor)可以为监听容器配置线程池。配置线程池以后,所有的线程都会由该线程池产生,由此,我们可以通过调节线程池来控制队列监听的速率。

多个消费者(一个通道有多个消费者)的解决办法

单一消费者的问题相比于多个消费者来说还是较为简单,因为Java内置的锁都是只能控制自己程序的运行,不能干扰其他的程序的运行;然而现在很多时候我们都是在分布式环境下进行开发,这时处理多个消费者的情况就很有意义了。

那么这种问题如何解决呢?分布式锁。

下面来简要科普一下什么是分布式锁:

分布式锁是指在分布式环境下,同一时间只有一个客户端能够从某个共享环境中(例如redis)获取到锁,只有获取到锁的客户端才能执行程序。

然后分布式锁一般要满足:排他性(即同一时间只有一个客户端能够获取到锁)、避免死锁(即超时后自动释放)、高可用(即获取或释放锁的机制必须高可用且性能佳)

上面讲依赖的时候,我们导入了一个spring-integration-redis依赖,这个依赖里面包含了很多实用的工具类,而我们接下来要讲的分布式锁就是这个依赖下面的一个工具包RedisLockRegistry

首先讲一下如何使用,导入了依赖以后,首先配置一个Bean

@Bean
public RedisLockRegistry redisLockRegistry(RedisConnectionFactory factory) {
    return new RedisLockRegistry(factory, "demo-lock",60);
}
复制代码

RedisLockRegistry的构造函数,第一个参数是redis连接池,第二个参数是锁的前缀,即取出的锁,键名为“demo-lock:KEY_NAME”,第三个参数为锁的过期时间(秒),默认为60秒,当持有锁超过该时间后自动过期。

使用锁的方法,下面是对监听器的修改

@Component
public class RedisListener implement MessageListener{
    @Autowrite
    private RedisLockRegistry redisLockRegistry;

    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(RedisListener.class);

    @Override
    public void onMessage(Message message,byte[] pattern){
        Lock lock=redisLockRegistry.obtain("lock");
        try{
            lock.lock(); //上锁
            LOGGER.debug("从消息通道={}监听到消息",new String(pattern));
            LOGGER.debug("从消息通道={}监听到消息",new String(message.getChannel()));
            LOGGER.debug("元消息={}",new String(message.getBody()));
            // 新建一个用于反序列化的对象,注意这里的对象要和前面配置的一样
            // 因为我前面设置的默认序列化方式为GenericJackson2JsonRedisSerializer
            // 所以这里的实现方式为GenericJackson2JsonRedisSerializer
            RedisSerializer serializer=new GenericJackson2JsonRedisSerializer();
            LOGGER.debug("反序列化后的消息={}",serializer.deserialize(message.getBody()));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock(); //解锁
        }
    }
}
复制代码

上面代码的代码比起前面的监听器代码,只是多了一个注入的RedisLockRegistry,一个通过redisLockRegistry.obtain()方法获取锁,一个加锁一个解锁,然后这就完成了分布式锁的使用。

注意这个获取锁的方法redisLockRegistry.obtain(),其返回的是一个名为RedisLock的锁,这是一个私有内部类,它实现了Lock接口,因此我们不能从代码外部创建一个他的实例,只能通过obtian()方法来获取这个锁。

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