RocketMQ 消息發送system busy、broker busy緣由分析與解決方案

一、現象

最近收到不少RocketMQ使用者，反饋生產環境中在消息發送過程當中偶爾會出現以下4個錯誤信息之一：

• [REJECTREQUEST]system busy, start flow control for a while
• too many requests and system thread pool busy, RejectedExecutionException
• [PC_SYNCHRONIZED]broker busy, start flow control for a while
• [PCBUSY_CLEAN_QUEUE]broker busy, start flow control for a while, period in queue: %sms, size of queue: %d

二、原理解讀

在進行消息中間件的選型時，若是待選中間件在功能上、性能上都能知足業務的狀況下，建議把中間件的實現語言這個因素也考慮進去，畢竟選擇一門用本身擅長的語言實現的中間件會更具掌控性。在出現異常的狀況下，咱們能夠根據本身的經驗提取錯誤信息關鍵字system busy，在RocketMQ源碼中直接搜索，獲得拋出上述錯誤信息的代碼以下：

其代碼入口爲：org.apache.rocketmq.remoting.netty.NettyRemotingAbstract#processRequestCommand。從圖中能夠看出，拋出上述錯誤的關鍵緣由是：pair.getObject1().rejectRequest()和拋出RejectedExecutionException異常。

備註：本文偏實戰，源碼只是做爲分析的重點證據，故本文只會點出關鍵源碼，並不會詳細跟蹤其整個實現流程，若是想詳細瞭解其實現，能夠查閱筆者編著的《RocketMQ技術內幕》。

2.1 RocketMQ 網絡處理機制概述

RocketMQ的網絡設計很是值得咱們學習與借鑑，首先在客戶端端將不一樣的請求定義不一樣的請求命令CODE，服務端會將客戶端請求進行分類，每一個命令或每類請求命令定義一個處理器(NettyRequestProcessor)，而後每個NettyRequestProcessor綁定到一個單獨的線程池，進行命令處理，不一樣類型的請求將使用不一樣的線程池進行處理，實現線程隔離。

爲了方便下文的描述，咱們先簡單的認識一下NettyRequestProcessor、Pair、RequestCode。其核心關鍵點以下：

1. NettyRequestProcessor RocketMQ 服務端請求處理器，例如SendMessageProcessor是消息發送處理器、PullMessageProcessor是消息拉取命令處理器。
2. RequestCode 請求CODE，用來區分請求的類型，例如SEND_MESSAGE：表示該請求爲消息發送，PULL_MESSAGE:消息拉取請求。
3. Pair 用來封裝NettyRequestProcessor與ExecuteService的綁定關係。在RocketMQ的網絡處理模型中，會爲每個NettyRequestProcessor與特定的線程池綁定，全部該NettyRequestProcessor的處理邏輯都在該線程池中運行。

2.2 pair.getObject1().rejectRequest()

因爲讀者朋友提出的問題，都是發生在消息發送過程當中，故本文重點關注SendMessageProcessor#rejectRequest方法。 SendMessageProcessor#rejectRequest

public boolean rejectRequest() {
    return this.brokerController.getMessageStore().isOSPageCacheBusy() ||               // @1
        this.brokerController.getMessageStore().isTransientStorePoolDeficient();        // @2
}
複製代碼

拒絕請求的條件有兩個，只要其中任意一個知足，則返回true。

代碼@1：Os PageCache busy，判斷操做系統PageCache是否繁忙，若是忙，則返回true。想必看到這裏你們確定與我同樣好奇，RocketMQ是如何判斷pageCache是否繁忙呢？下面會重點分析。

代碼@2：transientStorePool是否不足。

2.2.1 isOSPageCacheBusy()

DefaultMessageStore#isOSPageCacheBusy()

public boolean isOSPageCacheBusy() {
    long begin = this.getCommitLog().getBeginTimeInLock();  // @1 start
    long diff = this.systemClock.now() - begin;                         // @1 end

    return diff < 10000000
                && diff > this.messageStoreConfig.getOsPageCacheBusyTimeOutMills();     // @2
}
複製代碼

代碼@1：先重點解釋begin、diff兩個局部變量的含義：

• begin 通俗的一點講，就是將消息寫入Commitlog文件所持有鎖的時間，精確說是將消息體追加到內存映射文件(DirectByteBuffer)或pageCache(FileChannel#map)該過程當中開始持有鎖的時間戳，具體的代碼請參考：CommitLog#putMessage。
• diff 一次消息追加過程當中持有鎖的總時長，即往內存映射文件或pageCache追加一條消息所耗時間。

代碼@2：若是一次消息追加過程的時間超過了Broker配置文件osPageCacheBusyTimeOutMills，則認爲pageCache繁忙，osPageCacheBusyTimeOutMills默認值爲1000，表示1s。

2.2.2 isTransientStorePoolDeficient()

DefaultMessageStore#isTransientStorePoolDeficient

public boolean isTransientStorePoolDeficient() {
    return remainTransientStoreBufferNumbs() == 0;
}
public int remainTransientStoreBufferNumbs() {
    return this.transientStorePool.remainBufferNumbs();
}
複製代碼

最終調用TransientStorePool#remainBufferNumbs方法。

public int remainBufferNumbs() {
        if (storeConfig.isTransientStorePoolEnable()) {
            return availableBuffers.size();
        }
        return Integer.MAX_VALUE;
}
複製代碼

若是啓用transientStorePoolEnable機制，返回當前可用的ByteBuffer個數，即整個isTransientStorePoolDeficient方法的用意是是否還存在可用的ByteBuffer，若是不存在，即表示pageCache繁忙。那什麼是transientStorePoolEnable機制呢？

2.3 漫談transientStorePoolEnable機制

Java NIO的內存映射機制，提供了將文件系統中的文件映射到內存機制，實現對文件的操做轉換對內存地址的操做，極大的提升了IO特性，但這部份內存並非常駐內存，能夠被置換到交換內存(虛擬內存)，RocketMQ爲了提升消息發送的性能，引入了內存鎖定機制，即將最近須要操做的commitlog文件映射到內存，並提供內存鎖定功能，確保這些文件始終存在內存中，該機制的控制參數就是transientStorePoolEnable。

2.3.1 MappedFile

重點關注MappedFile的ByteBuffer writeBuffer、MappedByteBuffer mappedByteBuffer這兩個屬性的初始化，由於這兩個方法是寫消息與查消息操做的直接數據結構。

兩個關鍵點以下：

• ByteBuffer writeBuffer 若是開啓了transientStorePoolEnable,則使用ByteBuffer.allocateDirect(fileSize),建立(java.nio的內存映射機制)。若是未開啓，則爲空。
• MappedByteBuffer mappedByteBuffer 使用FileChannel#map方法建立，即真正意義上的PageCache。

消息寫入時： MappedFile#appendMessagesInner

從中可見，在消息寫入時，若是writerBuffer不爲空，說明開啓了transientStorePoolEnable機制，則消息首先寫入writerBuffer中，若是其爲空，則寫入mappedByteBuffer中。

消息拉取(讀消息)： MappedFile#selectMappedBuffer

消息讀取時，是從mappedByteBuffer中讀(pageCache)。

你們是否是發現了一個有趣的點，若是開啓transientStorePoolEnable機制，是否是有了讀寫分離的效果，先寫入writerBuffer中，讀倒是從mappedByteBuffer中讀取。

爲了對transientStorePoolEnable引入意圖闡述的更加明白，這裏我引入Rocketmq社區貢獻者胡宗棠關於此問題的看法。

一般有以下兩種方式進行讀寫：

1. 第一種，Mmap+PageCache的方式，讀寫消息都走的是pageCache，這樣子讀寫都在pagecache裏面不可避免會有鎖的問題，在併發的讀寫操做狀況下，會出現缺頁中斷下降，內存加鎖，污染頁的回寫。
2. 第二種，DirectByteBuffer(堆外內存)+PageCache的兩層架構方式，這樣子能夠實現讀寫消息分離，寫入消息時候寫到的是DirectByteBuffer——堆外內存中,讀消息走的是PageCache(對於,DirectByteBuffer是兩步刷盤，一步是刷到PageCache，還有一步是刷到磁盤文件中)，帶來的好處就是，避免了內存操做的不少容易堵的地方，下降了時延，好比說缺頁中斷下降，內存加鎖，污染頁的回寫。

舒適提示：若是想與胡宗棠大神進一步溝通交流，能夠關注他的github帳號：github.com/zongtanghu

不知道你們會不會有另一個擔心，若是開啓了transientStorePoolEnable，內存鎖定機制，那是否是隨着commitlog文件的不斷增長，最終致使內存溢出？

2.3.2 TransientStorePool初始化

從這裏能夠看出，TransientStorePool默認會初始化5個DirectByteBuffer(對外內存)，並提供內存鎖定功能，即這部份內存不會被置換，能夠經過transientStorePoolSize參數控制。

在消息寫入消息時，首先從池子中獲取一個DirectByteBuffer進行消息的追加。當5個DirectByteBuffer所有寫滿消息後，該如何處理呢？從RocketMQ的設計中來看，同一時間，只會對一個commitlog文件進行順序寫，寫完一個後，繼續建立一個新的commitlog文件。故TransientStorePool的設計思想是循環利用這5個DirectByteBuffer，只須要寫入到DirectByteBuffer的內容被提交到PageCache後，便可重複利用。對應的代碼以下： TransientStorePool#returnBuffer

public void returnBuffer(ByteBuffer byteBuffer) {
    byteBuffer.position(0);
    byteBuffer.limit(fileSize);
    this.availableBuffers.offerFirst(byteBuffer);
}
複製代碼

其調用棧以下：

從上面的分析看來，並不會隨着消息的不斷寫入而致使內存溢出。

三、現象解答

3.1 [REJECTREQUEST]system busy

其拋出的源碼入口點：NettyRemotingAbstract#processRequestCommand，上面的原理分析部分已經詳細介紹其實現原理，總結以下。

在不開啓transientStorePoolEnable機制時，若是Broker PageCache繁忙時則拋出上述錯誤，判斷PageCache繁忙的依據就是向PageCache追加消息時，若是持有鎖的時間超過1s，則會拋出該錯誤；在開啓transientStorePoolEnable機制時，其判斷依據是若是TransientStorePool中不存在可用的堆外內存時拋出該錯誤。

3.2 too many requests and system thread pool busy, RejectedExecutionException

其拋出的源碼入口點：NettyRemotingAbstract#processRequestCommand，其調用地方緊跟3.1,是在向線程池執行任務時，被線程池拒絕執行時拋出的，咱們能夠順便看看Broker消息處理髮送的線程信息： BrokerController#registerProcessor

該線程池的隊列長度默認爲10000，咱們能夠經過sendThreadPoolQueueCapacity來改變默認值。

3.3 [PC_SYNCHRONIZED]broker busy

其拋出的源碼入口點：DefaultMessageStore#putMessage，在進行消息追加時，再一次判斷PageCache是否繁忙，若是繁忙，則拋出上述錯誤。

3.4 broker busy, period in queue: %sms, size of queue: %d

其拋出源碼的入口點：BrokerFastFailure#cleanExpiredRequest。該方法的調用頻率爲每隔10s中執行一次，不過有一個執行前提條件就是Broker端要開啓快速失敗，默認爲開啓，能夠經過參數brokerFastFailureEnable來設置。該方法的實現要點是每隔10s，檢測一次，若是檢測到PageCache繁忙，而且發送隊列中還有排隊的任務，則直接再也不等待，直接拋出系統繁忙錯誤，使正在排隊的線程快速失敗，結束等待。

四、實踐建議

通過上面的原理講解與現象分析，消息發送時拋出system busy、broker busy的緣由都是PageCache繁忙，那是否是能夠經過調整上述提到的某些參數來避免拋出錯誤呢？.例如以下參數：

• osPageCacheBusyTimeOutMills 設置PageCache系統超時的時間，默認爲1000，表示1s，那是否是能夠把增長這個值，例如設置爲2000或3000。做者觀點：很是不可取。
• sendThreadPoolQueueCapacity Broker服務器處理的排隊隊列，默認爲10000，若是隊列中積壓了10000個請求，則會拋出RejectExecutionException。做者觀點：不可取。
• brokerFastFailureEnable 是否啓用快速失敗，默認爲true，表示當若是發現Broker服務器的PageCache繁忙，若是發現sendThreadPoolQueue隊列中不爲空，表示還有排隊的發送請求在排隊等待執行，則直接結束等待，返回broker busy。那若是不開啓快速失敗，則一樣能夠避免拋出這個錯誤。做者觀點：很是不可取。

修改上述參數，都不可取，緣由是出現system busy、broker busy這個錯誤，其本質是系統的PageCache繁忙，通俗一點講就是向PageCache追加消息時，單個消息發送佔用的時間超過1s了，若是繼續往該Broker服務器發送消息並等待，其TPS根本沒法知足，哪仍是高性能的消息中間了呀。故纔會採用快速失敗機制，直接給消息發送者返回錯誤，消息發送者默認狀況會重試2次，將消息發往其餘Broker，保證其高可用。

下面根據我的的看法，提出以下解決辦法：

4.1 開啓transientStorePoolEnable

在broker.config中將transientStorePoolEnable=true。

• 方案依據： 啓用「讀寫」分離，消息發送時消息先追加到DirectByteBuffer(堆外內存)中，而後在異步刷盤機制下，會將DirectByteBuffer中的內容提交到PageCache，而後刷寫到磁盤。消息拉取時，直接從PageCache中拉取，實現了讀寫分離，減輕了PageCaceh的壓力，能從根本上解決該問題。

• 方案缺點： 會增長數據丟失的可能性，若是Broker JVM進程異常退出，提交到PageCache中的消息是不會丟失的，但存在堆外內存(DirectByteBuffer)中但還未提交到PageCache中的這部分消息，將會丟失。但一般狀況下，RocketMQ進程退出的可能性不大。

4.2 擴容Broker服務器

方案依據：

當Broker服務器自身比較忙的時候，快速失敗，而且在接下來的一段時間內會規避該Broker，這樣該Broker恢復提供了時間保證，Broker自己的架構是支持分佈式水平擴容的，增長Topic的隊列數，下降單臺Broker服務器的負載，從而避免出現PageCache。

舒適提示：在Broker擴容時候，能夠複製集羣中任意一臺Broker服務下${ROCKETMQ_HOME}/store/config/topics.json到新Broker服務器指定目錄，避免在新Broker服務器上爲Broker建立隊列，而後消息發送者、消息消費者都能動態獲取Topic的路由信息。

與之擴容對應的，也能夠經過對原有Broker進行升配，例如增長內存、把機械盤換成SSD，但這種狀況，一般須要重啓Broekr服務器，沒有擴容來的方便。

本文就介紹到這裏了，若是你們以爲文章對本身有用的話，麻煩幫忙點贊、轉發，謝謝。親愛的讀者朋友，還有更好的方案沒？歡迎留言與做者互動，共同探討。

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做者簡介：《RocketMQ技術內幕》做者，RocketMQ 社區佈道師，維護公衆號：中間件興趣圈，可掃描以下二維碼與做者進行互動。