文章摘要：借用小厮的一句话“消息队列的本质在于消息的发送、存储和接收”。那么，对于一款消息队列来说，如何做到消息的高效发送与接收是重点和关键

一、RocketMQ中Remoting通信模块概览

RocketMQ消息队列的整体部署架构如下图所示：

RocketMQ整体的架构集群图.jpg

先来说下RocketMQ消息队列集群中的几个角色：
（1）NameServer：在MQ集群中做的是做命名服务，更新和路由发现 broker服务；
（2）Broker-Master：broker 消息主机服务器；
（3）Broker-Slave：broker 消息从机服务器；
（4）Producer：消息生产者；
（5）Consumer：消息消费者；

其中，RocketMQ集群的一部分通信如下：
（1）Broker启动后需要完成一次将自己注册至NameServer的操作；随后每隔30s时间定期向NameServer上报Topic路由信息；
（2）消息生产者Producer作为客户端发送消息时候，需要根据Msg的Topic从本地缓存的TopicPublishInfoTable获取路由信息。如果没有则更新路由信息会从NameServer上重新拉取；
（3）消息生产者Producer根据（2）中获取的路由信息选择一个队列（MessageQueue）进行消息发送；Broker作为消息的接收者收消息并落盘存储；
从上面（1）~（3）中可以看出在消息生产者, Broker和NameServer之间都会发生通信（这里只说了MQ的部分通信），因此如何设计一个良好的网络通信模块在MQ中至关重要，它将决定RocketMQ集群整体的消息传输能力与最终的性能。
rocketmq-remoting 模块是 RocketMQ消息队列中负责网络通信的模块，它几乎被其他所有需要网络通信的模块（诸如rocketmq-client、rocketmq-server、rocketmq-namesrv）所依赖和引用。为了实现客户端与服务器之间高效的数据请求与接收，RocketMQ消息队列自定义了通信协议并在Netty的基础之上扩展了通信模块。
ps:鉴于RocketMQ的通信模块是建立在Netty基础之上的，因此在阅读RocketMQ的源码之前，读者最好先对Netty的多线程模型、JAVA NIO模型均有一定的了解，这样子理解RocketMQ源码会较为快一些。
作者阅读的RocketMQ版本是4.2.0, 依赖的netty版本是4.0.42.Final. RocketMQ的代码结构图如下:

RocketMQ的Remoting源代码目录结构.png

源码部分主要可以分为rocketmq-broker，rocketmq-client，rocketmq-common，rocketmq-filterSrv，rocketmq-namesrv和rocketmq-remoting等模块，通信框架就封装在rocketmq-remoting模块中。
本文主要从RocketMQ的协议格式，消息编解码，通信方式(同步/异步/单向)、通信流程和Remoting模块的Netty多线程处理架构等方面介绍RocketMQ的通信模块。

二、RocketMQ中Remoting通信模块的具体实现

1、Remoting通信模块的类结构图

RocketMQ的Remoting模块类结构图.png

从类层次结构来看：
（1）RemotingService：为最上层的接口，提供了三个方法：

void start();
void shutdown();
void registerRPCHook(RPCHook rpcHook);

（2）RemotingClient/RemotingSever：两个接口继承了最上层接口—RemotingService，分别各自为Client和Server提供所必需的方法，下面所列的是RemotingServer的方法：

/*** 同RemotingClient端一样** @param requestCode* @param processor* @param executor*/void registerProcessor(final int requestCode, final NettyRequestProcessor processor,final ExecutorService executor);/*** 注册默认的处理器** @param processor* @param executor*/void registerDefaultProcessor(final NettyRequestProcessor processor, final ExecutorService executor);int localListenPort();/*** 根据请求code来获取不同的处理Pair** @param requestCode* @return*/Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService> getProcessorPair(final int requestCode);/*** 同RemotingClient端一样,同步通信,有返回RemotingCommand* @param channel* @param request* @param timeoutMillis* @return* @throws InterruptedException* @throws RemotingSendRequestException* @throws RemotingTimeoutException*/RemotingCommand invokeSync(final Channel channel, final RemotingCommand request,final long timeoutMillis) throws InterruptedException, RemotingSendRequestException,RemotingTimeoutException;/*** 同RemotingClient端一样,异步通信,无返回RemotingCommand** @param channel* @param request* @param timeoutMillis* @param invokeCallback* @throws InterruptedException* @throws RemotingTooMuchRequestException* @throws RemotingTimeoutException* @throws RemotingSendRequestException*/void invokeAsync(final Channel channel, final RemotingCommand request, final long timeoutMillis,final InvokeCallback invokeCallback) throws InterruptedException,RemotingTooMuchRequestException, RemotingTimeoutException, RemotingSendRequestException;/*** 同RemotingClient端一样，单向通信，诸如心跳包** @param channel* @param request* @param timeoutMillis* @throws InterruptedException* @throws RemotingTooMuchRequestException* @throws RemotingTimeoutException* @throws RemotingSendRequestException*/void invokeOneway(final Channel channel, final RemotingCommand request, final long timeoutMillis)throws InterruptedException, RemotingTooMuchRequestException, RemotingTimeoutException,RemotingSendRequestException;

（3）NettyRemotingAbstract：Netty通信处理的抽象类，定义并封装了Netty处理的公共处理方法；
（4）NettyRemotingClient/NettyRemotingServer：分别实现了RemotingClient和RemotingServer, 都继承了NettyRemotingAbstract抽象类。RocketMQ中其他的组件（如client、nameServer、broker在进行消息的发送和接收时均使用这两个组件）

2、消息的协议设计与编码解码

在Client和Server之间完成一次消息发送时，需要对发送的消息进行一个协议约定，因此就有必要自定义RocketMQ的消息协议。同时，为了高效地在网络中传输消息和对收到的消息读取，就需要对消息进行编解码。在RocketMQ中，RemotingCommand这个类在消息传输过程中对所有数据内容的封装，不但包含了所有的数据结构，还包含了编码解码操作。
RemotingCommand类的部分成员变量如下：

Header字段	类型	Request说明	Response说明
code	int	请求操作码，应答方根据不同的请求码进行不同的业务处理	应答响应码。0表示成功，非0则表示各种错误
language	LanguageCode	请求方实现的语言	应答方实现的语言
version	int	请求方程序的版本	应答方程序的版本
opaque	int	相当于reqeustId，在同一个连接上的不同请求标识码，与响应消息中的相对应	应答不做修改直接返回
flag	int	区分是普通RPC还是onewayRPC得标志	区分是普通RPC还是onewayRPC得标志
remark	String	传输自定义文本信息	传输自定义文本信息
extFields	HashMap<String, String>	请求自定义扩展信息	响应自定义扩展信息

这里展示下Broker向NameServer发送一次心跳注册的报文：

[
code=103,//这里的103对应的code就是broker向nameserver注册自己的消息
language=JAVA,
version=137,
opaque=58,//这个就是requestId
flag(B)=0,
remark=null,
extFields={brokerId=0,clusterName=DefaultCluster,brokerAddr=ip1: 10911,haServerAddr=ip1: 10912,brokerName=LAPTOP-SMF2CKDN
},
serializeTypeCurrentRPC=JSON

下面来看下RocketMQ通信协议的格式：

RocketMQ中Remoting协议格式.png

可见传输内容主要可以分为以下4部分：
（1）消息长度：总长度，四个字节存储，占用一个int类型；
（2）序列化类型&消息头长度：同样占用一个int类型，第一个字节表示序列化类型，后面三个字节表示消息头长度；
（3）消息头数据：经过序列化后的消息头数据；
（4）消息主体数据：消息主体的二进制字节数据内容；
消息的编码和解码分别在RemotingCommand类的encode和decode方法中完成，下面是消息编码encode方法的具体实现：

public ByteBuffer encode() {// 1> header length sizeint length = 4;    //消息总长度// 2> header data length//将消息头编码成byte[]byte[] headerData = this.headerEncode(); //计算头部长度 length += headerData.length;              // 3> body data lengthif (this.body != null) {//消息主体长度length += body.length;                }//分配ByteBuffer, 这边加了4, //这是因为在消息总长度的计算中没有将存储头部长度的4个字节计算在内ByteBuffer result = ByteBuffer.allocate(4 + length);  // length//将消息总长度放入ByteBufferresult.putInt(length);   // header length//将消息头长度放入ByteBufferresult.put(markProtocolType(headerData.length, serializeTypeCurrentRPC)); // header data//将消息头数据放入ByteBufferresult.put(headerData);    // body data;if (this.body != null) {//将消息主体放入ByteBufferresult.put(this.body); }//重置ByteBuffer的position位置result.flip();     return result;
}/*** markProtocolType方法是将RPC类型和headerData长度编码放到一个byte[4]数组中** @param source* @param type* @return*/public static byte[] markProtocolType(int source, SerializeType type) {byte[] result = new byte[4];result[0] = type.getCode();//右移16位后再和255与->“16-24位”result[1] = (byte) ((source >> 16) & 0xFF);//右移8位后再和255与->“8-16位”result[2] = (byte) ((source >> 8) & 0xFF);//右移0位后再和255与->“8-0位”result[3] = (byte) (source & 0xFF);return result;}

消息解码decode方法是编码的逆向过程，其具体实现如下：

public static RemotingCommand decode(final ByteBuffer byteBuffer) {//获取byteBuffer的总长度int length = byteBuffer.limit();//获取前4个字节，组装int类型，该长度为总长度int oriHeaderLen = byteBuffer.getInt();//获取消息头的长度，这里和0xFFFFFF做与运算，编码时候的长度即为24位int headerLength = getHeaderLength(oriHeaderLen);byte[] headerData = new byte[headerLength];byteBuffer.get(headerData);RemotingCommand cmd = headerDecode(headerData, getProtocolType(oriHeaderLen));int bodyLength = length - 4 - headerLength;byte[] bodyData = null;if (bodyLength > 0) {bodyData = new byte[bodyLength];byteBuffer.get(bodyData);}cmd.body = bodyData;return cmd;}

3、消息的通信方式和通信流程

在RocketMQ消息队列中支持通信的方式主要有以下三种：
（1）同步(sync)
（2）异步(async)
（3）单向(oneway)
其中“同步”通信模式相对简单，一般用在发送心跳包场景下，无需关注其Response。本文将主要介绍RocketMQ的异步通信流程（限于篇幅，读者可以按照同样的模式进行分析同步通信流程）。
下面先给出了RocketMQ异步通信的整体流程图：

RocketMQ异步通信的整体时序图.png

下面两小节内容主要介绍了Client端发送请求消息和Server端接收消息的具体实现，其中对于Client端的回调可以参考RocketMQ的源码来分析这里就不做详细介绍。

3.1、Client发送请求消息的具体实现

当客户端调用异步通信接口—invokeAsync时候，先由RemotingClient的实现类—NettyRemotingClient根据addr获取相应的channel（如果本地缓存中没有则创建），随后调用invokeAsyncImpl方法，将数据流转给抽象类NettyRemotingAbstract处理（真正做完发送请求动作的是在NettyRemotingAbstract抽象类的invokeAsyncImpl方法里面）。具体发送请求消息的源代码如下所示：

/*** invokeAsync（异步调用）* * @param channel* @param request* @param timeoutMillis* @param invokeCallback* @throws InterruptedException* @throws RemotingTooMuchRequestException* @throws RemotingTimeoutException* @throws RemotingSendRequestException*/public void invokeAsyncImpl(final Channel channel, final RemotingCommand request, final long timeoutMillis,final InvokeCallback invokeCallback)throws InterruptedException, RemotingTooMuchRequestException, RemotingTimeoutException, RemotingSendRequestException {//相当于request ID, RemotingCommand会为每一个request产生一个request ID, 从0开始, 每次加1final int opaque = request.getOpaque();boolean acquired = this.semaphoreAsync.tryAcquire(timeoutMillis, TimeUnit.MILLISECONDS);if (acquired) {final SemaphoreReleaseOnlyOnce once = new SemaphoreReleaseOnlyOnce(this.semaphoreAsync);//根据request ID构建ResponseFuturefinal ResponseFuture responseFuture = new ResponseFuture(opaque, timeoutMillis, invokeCallback, once);//将ResponseFuture放入responseTablethis.responseTable.put(opaque, responseFuture);try {//使用Netty的channel发送请求数据channel.writeAndFlush(request).addListener(new ChannelFutureListener() {//消息发送后执行@Overridepublic void operationComplete(ChannelFuture f) throws Exception {if (f.isSuccess()) {//如果发送消息成功给Server，那么这里直接Set后returnresponseFuture.setSendRequestOK(true);return;} else {responseFuture.setSendRequestOK(false);}responseFuture.putResponse(null);responseTable.remove(opaque);try {//执行回调executeInvokeCallback(responseFuture);} catch (Throwable e) {log.warn("excute callback in writeAndFlush addListener, and callback throw", e);} finally {//释放信号量responseFuture.release();}log.warn("send a request command to channel <{}> failed.", RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(channel));}});} catch (Exception e) {//异常处理responseFuture.release();log.warn("send a request command to channel <" + RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(channel) + "> Exception", e);throw new RemotingSendRequestException(RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(channel), e);}} else {if (timeoutMillis <= 0) {throw new RemotingTooMuchRequestException("invokeAsyncImpl invoke too fast");} else {String info =String.format("invokeAsyncImpl tryAcquire semaphore timeout, %dms, waiting thread nums: %d semaphoreAsyncValue: %d",timeoutMillis,this.semaphoreAsync.getQueueLength(),this.semaphoreAsync.availablePermits());log.warn(info);throw new RemotingTimeoutException(info);}}}

在Client端发送请求消息时有个比较重要的数据结构需要注意下：
（1）responseTable—保存请求码与响应关联映射

protected final ConcurrentHashMap<Integer /* opaque */, ResponseFuture> responseTable

opaque表示请求发起方在同个连接上不同的请求标识代码，每次发送一个消息的时候，可以选择同步阻塞/异步非阻塞的方式。无论是哪种通信方式，都会保存请求操作码至ResponseFuture的Map映射—responseTable中。
（2）ResponseFuture—保存返回响应（包括回调执行方法和信号量）

public ResponseFuture(int opaque, long timeoutMillis, InvokeCallback invokeCallback,SemaphoreReleaseOnlyOnce once) {this.opaque = opaque;this.timeoutMillis = timeoutMillis;this.invokeCallback = invokeCallback;this.once = once;}

对于同步通信来说，第三、四个参数为null；而对于异步通信来说，invokeCallback是在收到消息响应的时候能够根据responseTable找到请求码对应的回调执行方法，semaphore参数用作流控，当多个线程同时往一个连接写数据时可以通过信号量控制permit同时写许可的数量。
（3）异常发送流程处理—定时扫描responseTable本地缓存
在发送消息时候，如果遇到异常情况（比如服务端没有response返回给客户端或者response因网络而丢失），上面所述的responseTable的本地缓存Map将会出现堆积情况。这个时候需要一个定时任务来专门做responseTable的清理回收。在RocketMQ的客户端/服务端启动时候会产生一个频率为1s调用一次来的定时任务检查所有的responseTable缓存中的responseFuture变量，判断是否已经得到返回, 并进行相应的处理。

public void scanResponseTable() {final List<ResponseFuture> rfList = new LinkedList<ResponseFuture>();Iterator<Entry<Integer, ResponseFuture>> it = this.responseTable.entrySet().iterator();while (it.hasNext()) {Entry<Integer, ResponseFuture> next = it.next();ResponseFuture rep = next.getValue();if ((rep.getBeginTimestamp() + rep.getTimeoutMillis() + 1000) <= System.currentTimeMillis()) {rep.release();it.remove();rfList.add(rep);log.warn("remove timeout request, " + rep);}}for (ResponseFuture rf : rfList) {try {executeInvokeCallback(rf);} catch (Throwable e) {log.warn("scanResponseTable, operationComplete Exception", e);}}}

3.2、Server端接收消息并进行处理的具体实现

Server端接收消息的处理入口在NettyServerHandler类的channelRead0方法中，其中调用了processMessageReceived方法（这里省略了Netty服务端消息流转的大部分流程和逻辑）。其中服务端最为重要的处理请求方法实现如下：

public void processRequestCommand(final ChannelHandlerContext ctx, final RemotingCommand cmd) {//根据RemotingCommand中的code获取processor和ExecutorServicefinal Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService> matched = this.processorTable.get(cmd.getCode());final Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService> pair = null == matched ? this.defaultRequestProcessor : matched;final int opaque = cmd.getOpaque();if (pair != null) {Runnable run = new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {//rpc hookRPCHook rpcHook = NettyRemotingAbstract.this.getRPCHook();if (rpcHook != null) {rpcHook.doBeforeRequest(RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(ctx.channel()), cmd);}//processor处理请求final RemotingCommand response = pair.getObject1().processRequest(ctx, cmd);//rpc hookif (rpcHook != null) {rpcHook.doAfterResponse(RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(ctx.channel()), cmd, response);}if (!cmd.isOnewayRPC()) {if (response != null) {response.setOpaque(opaque);response.markResponseType();try {ctx.writeAndFlush(response);} catch (Throwable e) {PLOG.error("process request over, but response failed", e);PLOG.error(cmd.toString());PLOG.error(response.toString());}} else {}}} catch (Throwable e) {if (!"com.aliyun.openservices.ons.api.impl.authority.exception.AuthenticationException".equals(e.getClass().getCanonicalName())) {PLOG.error("process request exception", e);PLOG.error(cmd.toString());}if (!cmd.isOnewayRPC()) {final RemotingCommand response = RemotingCommand.createResponseCommand(RemotingSysResponseCode.SYSTEM_ERROR, //RemotingHelper.exceptionSimpleDesc(e));response.setOpaque(opaque);ctx.writeAndFlush(response);}}}};if (pair.getObject1().rejectRequest()) {final RemotingCommand response = RemotingCommand.createResponseCommand(RemotingSysResponseCode.SYSTEM_BUSY,"[REJECTREQUEST]system busy, start flow control for a while");response.setOpaque(opaque);ctx.writeAndFlush(response);return;}try {//封装requestTaskfinal RequestTask requestTask = new RequestTask(run, ctx.channel(), cmd);//想线程池提交requestTaskpair.getObject2().submit(requestTask);} catch (RejectedExecutionException e) {if ((System.currentTimeMillis() % 10000) == 0) {PLOG.warn(RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(ctx.channel()) //+ ", too many requests and system thread pool busy, RejectedExecutionException " //+ pair.getObject2().toString() //+ " request code: " + cmd.getCode());}if (!cmd.isOnewayRPC()) {final RemotingCommand response = RemotingCommand.createResponseCommand(RemotingSysResponseCode.SYSTEM_BUSY,"[OVERLOAD]system busy, start flow control for a while");response.setOpaque(opaque);ctx.writeAndFlush(response);}}} else {String error = " request type " + cmd.getCode() + " not supported";//构建responsefinal RemotingCommand response =RemotingCommand.createResponseCommand(RemotingSysResponseCode.REQUEST_CODE_NOT_SUPPORTED, error);response.setOpaque(opaque);ctx.writeAndFlush(response);PLOG.error(RemotingHelper.parseChannelRemoteAddr(ctx.channel()) + error);}
}

上面的请求处理方法中根据RemotingCommand的请求业务码来匹配到相应的业务处理器；然后生成一个新的线程提交至对应的业务线程池进行异步处理。
（1）processorTable—请求业务码与业务处理、业务线程池的映射变量

    protected final HashMap<Integer/* request code */, Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService>> processorTable =new HashMap<Integer, Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService>>(64);

我想RocketMQ这种做法是为了给不同类型的请求业务码指定不同的处理器Processor处理，同时消息实际的处理并不是在当前线程，而是被封装成task放到业务处理器Processor对应的线程池中完成异步执行。(在RocketMQ中能看到很多地方都是这样的处理，这样的设计能够最大程度的保证异步，保证每个线程都专注处理自己负责的东西）

三、总结

刚开始看RocketMQ源码—RPC通信模块可能觉得略微有点复杂，但是只要能够抓住Client端发送请求消息、Server端接收消息并处理的流程以及回调过程来分析和梳理，那么整体来说并不复杂。RPC通信部分也是RocketMQ源码中最重要的部分之一，想要对其中的全过程和细节有更为深刻的理解，还需要多在本地环境Debug和分析对应的日志。同时，鉴于篇幅所限，本篇还没有来得及对RocketMQ的Netty多线程模型进行介绍，将在消息中间件—RocketMQ的RPC通信（二）篇中来做详细地介绍。
在此顺便为自己打个Call，有兴趣的朋友可以关注下我的个人公众号：“匠心独运的博客”，对于Java并发、Spring、数据库和消息队列的一些细节、问题的文章将会在这个公众号上发布，欢迎交流与讨论。

作者：癫狂侠
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