手把手教姐姐写消息队列

F2967527 2021-04-24

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前言

这周姐姐入职了新公司，老板想探探他的底，看了一眼他的简历，呦呵，精通kafka，这小姑娘有两下子，既然这样，那你写一个消息队列吧。因为要用go语言写，这可给姐姐愁坏了。赶紧来求助我，我这么坚贞不屈一人，在姐姐的软磨硬泡下还是答应他了，所以接下来我就手把手教姐姐怎么写一个消息队列。下面我们就来看一看我是怎么写的吧～～～。

本代码已上传到我的github：
有需要的小伙伴，可自行下载，顺便给个小星星吧～～～

什么是消息队列

姐姐真是把我愁坏了，自己写的精通kafka，竟然不知道什么是消息队列，于是，一向好脾气的我开始给姐姐讲一讲什么是消息队列。

消息队列，我们一般称它为MQ（Message Queue），两个单词的结合，这两个英文单词想必大家都应该知道吧，其实最熟悉的还是Queue吧，即队列。队列是一种先进先出的数据结构，队列的使用还是比较普遍的，但是已经有队列了，怎么还需要MQ呢？

我：问你呢，姐姐，知道吗？为什么还需要MQ？
姐姐：快点讲，想挨打呀？
我：噗。。。算我多嘴，哼～～～

欠欠的我开始了接下来的耐心讲解......

举一个简单的例子，假设现在我们要做一个系统，该登陆系统需要在用户登陆成功后，发送封邮件到用户邮箱进行提醒，需求还是很简单的，我们先看一看没有MQ，我们该怎么实现呢？画一个时序图来看一看：

看这个图，邮件发送在请求登陆时进行，当密码验证成功后，就发送邮件，然后返回登陆成功。这样是可以的，但是他是有缺陷的。这让我们的登陆操作变得复杂了，每次请求登陆都需要进行邮件发送，如果这里出现错误，整个登陆请求也出现了错误，导致登陆不成功；还有一个问题，本来我们登陆请求调用接口仅仅需要100ms，因为中间要做一次发送邮件的等待，那么调用一次登陆接口的时间就要增长，这就是问题所在，一封邮件他的优先级不是很高的，用户也不需要实时收到这封邮件，所以这时，就体现了消息队列的重要性了，我们用消息队列进行改进一下。

这里我们将发送邮件请求放到Mq中，这样我们就能提高用户体验的吞吐量，这个很重要，顾客就是上帝嘛，毕竟也没有人喜欢用一个很慢很慢的app。

这里只是举了MQ众多应用中的其中一个，即异步应用，MQ还在系统解藕、削峰/限流中有着重要应用，这两个我就不具体讲解了，原理都一样，好好思考一下，你们都能懂得。

channel

好啦，姐姐终于知道什么是消息队列了，但是现在还是没法进行消息队列开发的，因为还差一个知识点，即go语言中的channel。这个很重要，我们还需要靠这个来开发我们的消息队列呢。

因篇幅有限，这里不详细介绍channel，只介绍基本使用方法。

什么是`channel`

Goroutine 和 Channel 是 Go 语言并发编程的两大基石。Goroutine 用于执行并发任务，Channel 用于 goroutine 之间的同步、通信。Go提倡使用通信的方法代替共享内存，当一个Goroutine需要和其他Goroutine资源共享时，Channel就会在他们之间架起一座桥梁，并提供确保安全同步的机制。channel本质上其实还是一个队列，遵循FIFO原则。具体规则如下：

先从 Channel 读取数据的 Goroutine 会先接收到数据；
先向 Channel 发送数据的 Goroutine 会得到先发送数据的权利；

创建通道

创建通道需要用到关键字 make ，格式如下：

通道实例 := make(chan 数据类型)

数据类型：通道内传输的元素类型。
通道实例：通过make创建的通道句柄。

无缓冲通道的使用

Go语言中无缓冲的通道（unbuffered channel）是指在接收前没有能力保存任何值的通道。这种类型的通道要求发送 goroutine 和接收 goroutine 同时准备好，才能完成发送和接收操作。

无缓冲通道的定义方式如下：

通道实例 := make(chan 通道类型)

通道类型：和无缓冲通道用法一致，影响通道发送和接收的数据类型。
缓冲大小：0
通道实例：被创建出的通道实例。

写个例子来帮助大家理解一下吧：

package main

import (
    'sync'
    'time'
)

func main() {
    c := make(chan string)

    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)

    go func() {
        defer wg.Done()
        c <- `Golang梦工厂`
    }()

    go func() {
        defer wg.Done()

        time.Sleep(time.Second * 1)
        println(`Message: `+ <-c)
    }()

    wg.Wait()
}

带缓冲的通道的使用

Go语言中有缓冲的通道（buffered channel）是一种在被接收前能存储一个或者多个值的通道。这种类型的通道并不强制要求 goroutine 之间必须同时完成发送和接收。通道会阻塞发送和接收动作的条件也会不同。只有在通道中没有要接收的值时，接收动作才会阻塞。只有在通道没有可用缓冲区容纳被发送的值时，发送动作才会阻塞。

有缓冲通道的定义方式如下：

通道实例 := make(chan 通道类型, 缓冲大小)

通道类型：和无缓冲通道用法一致，影响通道发送和接收的数据类型。
缓冲大小：决定通道最多可以保存的元素数量。
通道实例：被创建出的通道实例。

来写一个例子讲解一下：

package main

import (
    'sync'
    'time'
)

func main() {
    c := make(chan string, 2)

    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)

    go func() {
        defer wg.Done()

        c <- `Golang梦工厂`
        c <- `asong`
    }()

    go func() {
        defer wg.Done()

        time.Sleep(time.Second * 1)
        println(`公众号: `+ <-c)
        println(`作者: `+ <-c)
    }()

    wg.Wait()
}

好啦，通道的概念就介绍到这里了，如果需要，下一篇我出一个channel详细讲解的文章。

消息队列编码实现

准备篇

终于开始进入主题了，姐姐都听的快要睡着了，我轰隆一嗓子，立马精神，但是呢，asong也是挨了一顿小电炮，代价惨痛呀，呜呜呜............

在开始编写代码编写直接，我需要构思我们的整个代码架构，这才是正确的编码方式。我们先来定义一个接口，把我们需要实现的方法先列出来，后期对每一个代码进行实现就可以了。因此可以列出如下方法：

type Broker interface {
 publish(topic string, msg interface{}) error
 subscribe(topic string) (<-chan interface{}, error)
 unsubscribe(topic string, sub <-chan interface{}) error
 close()
 broadcast(msg interface{}, subscribers []chan interface{})
 setConditions(capacity int)
}

publish：进行消息的推送，有两个参数即topic、msg，分别是订阅的主题、要传递的消息
subscribe：消息的订阅，传入订阅的主题，即可完成订阅，并返回对应的channel通道用来接收数据
unsubscribe：取消订阅，传入订阅的主题和对应的通道
Golang梦工厂发起了一个读者讨论小伙伴们，你们有什么想学的嘛，可以留言的呦
close：这个的作用就是很明显了，就是用来关闭消息队列的
broadCast：这个属于内部方法，作用是进行广播，对推送的消息进行广播，保证每一个订阅者都可以收到
setConditions：这里是用来设置条件，条件就是消息队列的容量，这样我们就可以控制消息队列的大小了

细心的你们有没有发现什么问题，这些代码我都定义的是内部方法，也就是包外不可用。为什么这么做呢，因为这里属于代理要做的事情，我们还需要在封装一层，也就是客户端能直接调用的方法，这样才符合软件架构。因此可以写出如下代码：

package mq


type Client struct {
 bro *BrokerImpl
}

func NewClient() *Client {
 return &Client{
  bro: NewBroker(),
 }
}

func (c *Client)SetConditions(capacity int)  {
 c.bro.setConditions(capacity)
}

func (c *Client)Publish(topic string, msg interface{}) error{
 return c.bro.publish(topic,msg)
}

func (c *Client)Subscribe(topic string) (<-chan interface{}, error){
 return c.bro.subscribe(topic)
}

func (c *Client)Unsubscribe(topic string, sub <-chan interface{}) error {
 return c.bro.unsubscribe(topic,sub)
}

func (c *Client)Close()  {
  c.bro.close()
}

func (c *Client)GetPayLoad(sub <-chan interface{})  interface{}{
 for val:= range sub{
  if val != nil{
   return val
  }
 }
 return nil
}

上面只是准好了代码结构，但是消息队列实现的结构我们还没有设计，现在我们就来设计一下。

type BrokerImpl struct {
 exit chan bool
 capacity int

 topics map[string][]chan interface{} // key：topic  value ：queue
 sync.RWMutex // 同步锁
}

exit：也是一个通道，这个用来做关闭消息队列用的
capacity：即用来设置消息队列的容量
topics：这里使用一个map结构，key即是topic，其值则是一个切片，chan类型，这里这么做的原因是我们一个topic可以有多个订阅者，所以一个订阅者对应着一个通道
sync.RWMutex：读写锁，这里是为了防止并发情况下，数据的推送出现错误，所以采用加锁的方式进行保证

好啦，现在我们已经准备的很充分啦，开始接下来方法填充之旅吧～～～

`Publish`和`broadcast`

这里两个合在一起讲的原因是braodcast是属于publish里的。这里的思路很简单，我们只需要把传入的数据进行广播即可了，下面我们来看代码实现：

func (b *BrokerImpl) publish(topic string, pub interface{}) error {
 select {
 case <-b.exit:
  return errors.New('broker closed')
 default:
 }

 b.RLock()
 subscribers, ok := b.topics[topic]
 b.RUnlock()
 if !ok {
  return nil
 }

 b.broadcast(pub, subscribers)
 return nil
}


func (b *BrokerImpl) broadcast(msg interface{}, subscribers []chan interface{}) {
 count := len(subscribers)
 concurrency := 1

 switch {
 case count > 1000:
  concurrency = 3
 case count > 100:
  concurrency = 2
 default:
  concurrency = 1
 }
 pub := func(start int) {
  for j := start; j < count; j += concurrency {
   select {
   case subscribers[j] <- msg:
   case <-time.After(time.Millisecond * 5):
   case <-b.exit:
    return
   }
  }
 }
 for i := 0; i < concurrency; i++ {
  go pub(i)
 }
}

publish方法中没有什么好讲的，这里主要说一下broadcast的实现：

这里主要对数据进行广播，所以数据推送出去就可以了，没必要一直等着他推送成功，所以这里我们我们采用goroutine。在推送的时候，当推送失败时，我们也不能一直等待呀，所以这里我们加了一个超时机制，超过5毫秒就停止推送，接着进行下面的推送。

可能你们会有疑惑，上面怎么还有一个switch选项呀，干什么用的呢？考虑这样一个问题，当有大量的订阅者时，，比如10000个，我们一个for循环去做消息的推送，那推送一次就会耗费很多时间，并且不同的消费者之间也会产生延时，，所以采用这种方法进行分解可以降低一定的时间。

`subscribe` 和 `unsubScribe`

我们先来看代码：

func (b *BrokerImpl) subscribe(topic string) (<-chan interface{}, error) {
 select {
 case <-b.exit:
  return nil, errors.New('broker closed')
 default:
 }

 ch := make(chan interface{}, b.capacity)
 b.Lock()
 b.topics[topic] = append(b.topics[topic], ch)
 b.Unlock()
 return ch, nil
}
func (b *BrokerImpl) unsubscribe(topic string, sub <-chan interface{}) error {
 select {
 case <-b.exit:
  return errors.New('broker closed')
 default:
 }

 b.RLock()
 subscribers, ok := b.topics[topic]
 b.RUnlock()

 if !ok {
  return nil
 }
 // delete subscriber
 var newSubs []chan interface{}
 for _, subscriber := range subscribers {
  if subscriber == sub {
   continue
  }
  newSubs = append(newSubs, subscriber)
 }

 b.Lock()
 b.topics[topic] = newSubs
 b.Unlock()
 return nil
}

这里其实就很简单了：

subscribe：这里的实现则是为订阅的主题创建一个channel，然后将订阅者加入到对应的topic中就可以了，并且返回一个接收channel。
unsubScribe：这里实现的思路就是将我们刚才添加的channel删除就可以了。

`close`

func (b *BrokerImpl) close()  {
 select {
 case <-b.exit:
  return
 default:
  close(b.exit)
  b.Lock()
  b.topics = make(map[string][]chan interface{})
  b.Unlock()
 }
 return
}

这里就是为了关闭整个消息队列，这句代码b.topics = make(map[string][]chan interface{})比较重要，这里主要是为了保证下一次使用该消息队列不发生冲突。

`setConditions` `GetPayLoad`

还差最后两个方法，一个是设置我们的消息队列容量，另一个是封装一个方法来获取我们订阅的消息：

func (b *BrokerImpl)setConditions(capacity int)  {
 b.capacity = capacity
}
func (c *Client)GetPayLoad(sub <-chan interface{})  interface{}{
 for val:= range sub{
  if val != nil{
   return val
  }
 }
 return nil
}

测试

好啦，代码这么快就被写完了，接下来我们进行测试一下吧。

单元测试

正式测试之前，我们还是需要先进行一下单元测试，养成好的习惯，只有先自测了，才能有底气说我的代码没问题，要不直接跑程序，会出现很多bug的。

这里我们测试方法如下：我们向不同的topic发送不同的信息，当订阅者收到消息后，就行取消订阅。

func TestClient(t *testing.T) {
 b := NewClient()
 b.SetConditions(100)
 var wg sync.WaitGroup

 for i := 0; i < 100; i++ {
  topic := fmt.Sprintf('Golang梦工厂%d', i)
  payload := fmt.Sprintf('asong%d', i)

  ch, err := b.Subscribe(topic)
  if err != nil {
   t.Fatal(err)
  }

  wg.Add(1)
  go func() {
   e := b.GetPayLoad(ch)
   if e != payload {
    t.Fatalf('%s expected %s but get %s', topic, payload, e)
   }
   if err := b.Unsubscribe(topic, ch); err != nil {
    t.Fatal(err)
   }
   wg.Done()
  }()

  if err := b.Publish(topic, payload); err != nil {
   t.Fatal(err)
  }
 }

 wg.Wait()
}

测试通过，没问题，接下来我们在写几个方法测试一下

测试

这里分为两种方式测试

测试一：使用一个定时器，向一个主题定时推送消息.

// 一个topic 测试
func OnceTopic()  {
 m := mq.NewClient()
 m.SetConditions(10)
 ch,err :=m.Subscribe(topic)
 if err != nil{
  fmt.Println('subscribe failed')
  return
 }
 go OncePub(m)
 OnceSub(ch,m)
 defer m.Close()
}

// 定时推送
func OncePub(c *mq.Client)  {
 t := time.NewTicker(10 * time.Second)
 defer t.Stop()
 for  {
  select {
  case <- t.C:
   err := c.Publish(topic,'asong真帅')
   if err != nil{
    fmt.Println('pub message failed')
   }
  default:

  }
 }
}

// 接受订阅消息
func OnceSub(m <-chan interface{},c *mq.Client)  {
 for  {
  val := c.GetPayLoad(m)
  fmt.Printf('get message is %s\n',val)
 }
}

测试二：使用一个定时器，定时向多个主题发送消息：

//多个topic测试
func ManyTopic()  {
 m := mq.NewClient()
 defer m.Close()
 m.SetConditions(10)
 top := ''
 for i:=0;i<10;i++{
  top = fmt.Sprintf('Golang梦工厂_%02d',i)
  go Sub(m,top)
 }
 ManyPub(m)
}

func ManyPub(c *mq.Client)  {
 t := time.NewTicker(10 * time.Second)
 defer t.Stop()
 for  {
  select {
  case <- t.C:
   for i:= 0;i<10;i++{
    //多个topic 推送不同的消息
    top := fmt.Sprintf('Golang梦工厂_%02d',i)
    payload := fmt.Sprintf('asong真帅_%02d',i)
    err := c.Publish(top,payload)
    if err != nil{
     fmt.Println('pub message failed')
    }
   }
  default:

  }
 }
}

func Sub(c *mq.Client,top string)  {
 ch,err := c.Subscribe(top)
 if err != nil{
  fmt.Printf('sub top:%s failed\n',top)
 }
 for  {
  val := c.GetPayLoad(ch)
  if val != nil{
   fmt.Printf('%s get message is %s\n',top,val)
  }
 }
}