浅谈RabbitMQ的基石—高级消息队列协议（AMQP）

自从去年做了不少流式系统（Flink也好，Spark Streaming也好）对接RabbitMQ的实时作业。之前一直都在Kafka的领域里摸爬滚打，对RabbitMQ只是有浅薄的了解而已。随着自己逐渐把RabbitMQ的官方文档大致翻完，了解到它是高级消息队列协议（Advanced Message Queuing Protocol, AMQP）的一种标准实现。也就是说，搞清楚AMQP是掌握好RabbitMQ哲学的基础。

当前AMQP的最新版本为1.0，而主要使用的（也是RabbitMQ实现的）版本为0-9-1。这两个版本之间的差别非常大，本文抄录的是AMQP 0-9-1的部分细节。

AMQP及其模型

通俗地讲，AMQP是一个专门为消息中间件设计的、开放标准的应用层协议，它规定了消息系统中三大组件——消息服务器/代理节点（server/broker）、生产者/发布者（producer/publisher）、消费者/订阅者（consumer/subscriber）之间的通信规范，以及代理节点的设计规范等。

AMQP采用的模型就叫做高级消息队列模型，即AMQ模型，它的组成可以用下面的简图来表示。

下面就图中出现的一些名词进行解释。

• 交换器（exchange）：负责将生产者发来的消息按照特定的路由关键字（routing key）投递到相应的队列。

• 队列（queue）：代理节点中存储将要被消费的消息的载体。

• 绑定（binding）：交换器与队列之间的映射关系，可以理解为消息的路由规则。

• AMQP实体（AMQP entity）：交换器、队列和绑定三者合起来就称为一个AMQP实体，图中未示出。交换器、队列和绑定都可以有一个或多个。

• 虚拟主机（virtual host）：在代理节点上逻辑划分的隔离的环境，其内部包含一个或多个AMQP实体，且虚拟主机之间互不影响。虚拟主机可以复用节点，并实现权限管理和多租户。

• 连接（connection）：发布者、消费者与代理节点之间建立的连接，为了保证可靠性，一般都是TCP长连接。

• 通道（channel）：对连接的轻量级复用，主要针对多线程的发布者、消费者，因为建立多个TCP连接是很贵的操作，频繁建立和销毁连接也是不科学的。

接下来对交换器和队列这两个比较重要的组件进行介绍，顺便牵出一些其他的东西。

交换器

交换器在AMQP实体中负责消息路由。它的路由目的地除了由用户设置的绑定规则来决定之外，还与交换器的类型有关。AMQP定义了几种默认的交换器。

• 直连交换器（direct exchange）

直连交换器非常简单，它检查绑定关键字（binding key）与路由关键字（routing key），只要两者相同，即进行投递。

• 扇出交换器（fanout exchange）

扇出交换器比直连交换器更简单，它会直接将消息路由到所有与它绑定的队列中。

• 主题交换器（topic exchange） 此主题非彼（对就是Kafka里的）主题，而更类似wildcard matching。具体来讲，绑定关键字是由多个域组成的点号分隔的字符串，每个域可以是实际的单词，也可以是通配符，如星号 " * " 表示一个词，"#" 表示0个或多个词。在实际路由时，根据路由关键字与绑定关键字的匹配结果来投递。比如在下图中，带有"little.C.magic"关键字的消息会投递到队列1，而带有"bla.bla.B"关键字的消息会投递到队列2。

• 头部交换器（header exchange） AMQP消息与HTTP报文的格式类似，都有头部（header）和消息体（body），其中头部会保存与消息相关的许多元数据，消息体才是有效的载荷（payload）。头部交换器就不依赖绑定关键字和路由关键字的匹配，而是检查消息头部中的元数据是否匹配，相对而言更加灵活。

根据AMQP的规定，交换器的几个重要属性有：

• 名称（name）；

• 持久性（durable）：当代理节点或虚拟主机重置后，交换器是被保留还是被删除；

• 自动删除（auto-delete）：是否在所有队列的绑定解除之后被删除；

• 扩展参数（arguments）。

如果交换器无法将消息路由到队列该怎么办呢？AMQP给出了几种解决方法，一是直接丢弃，二是返还给生产者，三是放入死信队列中等待进一步处理。这由消息头部中的属性来决定。

队列和消息

队列相对而言比较简单，它的主要功能就是存储要被消费的消息。队列也有一些重要的属性，如下：

• 名称（name）；

• 持久性（durable）：当代理节点或虚拟主机重置后，队列是被保留还是被删除；

• 独占性（exclusive）：是否只允许被一个连接使用；

• 自动删除（auto-delete）：是否在所有消费者取消订阅之后被删除；

• 扩展参数（arguments）：如队列缓存长度、消息TTL等。

需要注意，如果一个队列是持久的，那么只是代表重启之后这个队列不用重新创建而已，但其中的消息还是有可能被删除。只有那些被标记为persistent的消息才不会被删除。

AMQP规范下的队列和消费者都同时支持推模式和拉模式消费。前者即AMQP实体将消息投递到消费者，后者即消费者主动地从队列中获取消息。无论推模式还是拉模式，每个消费者也有一个标识，称为tag。

在队列中的消息投递出去之后，消费者需要告诉代理节点自己是否收到了它，因此会涉及消息确认（ack）的问题。AMQP默认定义了两种ack机制：

• 自动ack：当消息从队列中出去后就删除它（即at most once）；

• 显式ack：当消费者发送的确认回执到达代理节点后，再从队列中删除它。如果ack超时，则会再次尝试投递（即at least once）。

除了ack之外，消费者在处理时有可能会出现问题，或认为此消息非法，因此也会出现拒绝消息（reject）的情况。此时代理节点可以销毁这条消息，也可以重新将它放入队列并投递给另一个消费者。

vs Kafka？

说了这么多，那么Kafka和AMQP有什么关系呢？答案是没关系。

也就是说，Kafka不是消息队列。按官方说法，Kafka是一个流式处理平台（stream processing platform）。Kafka在设计之初是为了支持高吞吐量的日志处理的，只不过它恰好也可以实现消息队列的大部分功能而已。Kafka所用的“黑科技”（如零拷贝/内存映射，以及对page cache的利用）都是脱离标准消息队列的设计范畴的，所以不能简单地认为Kafka比RabbitMQ等符合AMQP的消息队列更优。例如，RabbitMQ支持死信队列、延迟队列、优先队列、多租户、推模式消费等，Kafka统统不支持。