延迟消息队列设计

由于Kafka不支持延迟消息，而目前公司技术栈中消息中间件使用的是Kafka，业务方希望使用RocketMQ满足延迟消息场景，但如果仅仅只是需要延迟消息功能而引入多一套消息中间件，这会增加运维与维护成本。在此背景下，我们希望通过扩展Kafka客户端提供延迟消息的支持。

本篇将介绍四种延迟消息实现方案的原理，以及分析其优缺点。

方案一：时间轮算法

每个生产者持有一个时间轮延迟消息队列，消息保存在内存中。

• slot = (当前时间戳 - 时间轮启动时间) % slot总数；
• round = (当前时间戳 - 时间轮启动时间) / slot总数；
• 延时消息链表： 按round排序。

缺点分析：

• 消耗内存资源严重，只适用于延迟时间短（如一分钟内）的场景；
• 容易丢失消息。

方案二：单轮时间轮算法+文件存储（方案一的改进版）

使用单轮的时间轮算法，单轮的slot数量满足max delay = slot count，并让每个slot指向一个文件。

缺点分析：

• 如果服务容器化部署，重新构建后也会导致时间轮文件丢失，无法保证消息一致性。

方案三：多级分区+自动降级

按等级划分多个分区，根据剩余延时（期望发送时间-当前时间）将消息降级到指定分区，直到降级到真实topic。

缺点分析：

• 需要经过多次发送-订阅，如果按照图中的等级划分，那么一个延迟2小时的消息至少要经过8次订阅、9次发送才最终发送到目标topic；
• 由于同一个等级中每个消息的延时不同，如果要确保消息延迟准确，就可能导致一条消息不止需要经过8次订阅、9次发送才最终发送到目标topic，这次数可能会翻好几倍。

比如都是30～60分钟的等级，如果目前队列中的几条消息按顺序延迟值分别为： 50、40、36、56，为了不影响后面的延时消息，前面每个消息都必须要消费，然后重新写回同等级分区。因此，最坏的情况下，延时高的消息可能需要经过上百次发送-订阅才能完成。

方案四：多级延迟，不支持任意时间精度的延迟消息（方案三的改进版）

参考RocketMQ支持延迟消息设计，不支持任意时间精度的延迟消息，只支持特定级别的延迟消息，将消息延迟等级分为1s、5s、10s 、30s、1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、20m、30m、1h、2h，共18个级别，只创建一个有18个分区的延时topic，每个分区对应不同延时等级。

举例：

• 当发送延迟5秒消息时，将消息发送到order-topic.delay的第二个分区；
• 当发送延迟1分钟消息时，将消息发送到order-topic.delay的第五个分区;
• 当发送延迟1小时消息时，将消息发送到order-topic.delay的第17个分区;

优点：

• 保证了每个分区中的消息都是时间顺序的，只需要顺序消费每个分区，将已经达到发送时间的消息转发到真实topic即可；
• 如果消息未到达发送时间，则不需要提交offset，因为相同分区上的offset之后的消息也必定是未到发送时间的。

我们最终采用的是方案四，在实现上，我们为每个进程启动一个KafkaConsumer，使用正则表达式订阅以'.delay'结尾的topic，以此减少线程资源的消耗。在将消息发送到延迟topic时，将延迟等级作为消息key，而将原消息key存储在消息头，等发送到实际topic时再从延迟消息的消息头获取real key以及real topic。