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相似的架构，后起之秀 RocketMQ 为什么性能不如 Kafka？

IITPUB约 6 分钟
RocketMQ 的架构参考了 kafka 的设计思想，同时又在 kafka 的基础上做了一些调整。 看起来，RocketMQ 好像各方面都比 kafka 更能打。
但 kafka 却一直没被淘汰，说明 RocketMQ 必然是有着不如 kafka 的地方。是啥呢？ 性能 ，严格来说是 吞吐量 。阿里中间件团队对它们做过压测，同样条件下，kafka 比 RocketMQ 快 50%左右。但即使这样，RocketMQ 依然能每秒处理 10w 量级的数据，依旧非常能打。你不能说 RocketMQ 弱，只能说 Kafka 性能太强了。 不过这就很奇怪了， 为什么 RocketMQ 参考了 kafka 的架构，却不能跟 kafka 保持一样的性能呢 ？在回答这个问题之前，我们来聊下什么是 零拷贝 。

零拷贝是什么

我们知道，消息队列的消息为了防止进程崩溃后丢失，一般不会放内存里，而是放磁盘上。那么问题就来了，消息从消息队列的磁盘，发送到消费者，过程是怎么样的呢？

消息的发送过程

操作系统分为 用户空间 和 内核空间 。程序处于用户空间，而磁盘属于硬件，操作系统本质上是程序和硬件设备的一个 中间层 。程序需要通过操作系统去调用硬件能力。
如果用户想要将数据从磁盘发送到网络。那么就会发生下面这几件事：程序会发起 系统调用 read() ，尝试读取磁盘数据，
  • • 磁盘数据从设备 拷贝 到内核空间的缓冲区。
  • • 再从内核空间的缓冲区 拷贝 到用户空间。
程序再发起 系统调用 write() ，将读到的数据发到网络：
  • • 数据从用户空间 拷贝 到 socket 发送缓冲区
  • • 再从 socket 发送缓冲区 拷贝 到网卡。

最终数据就会经过网络到达消费者。

整个过程，本机内发生了 2 次 系统调用 ，对应 4 次用户空间和内核空间的 切换 ，以及 4 次数据 拷贝 。
一顿操作猛如虎，结果就是同样一份数据来回拷贝。有没有办法优化呢？有，它就是零拷贝技术，常见的方案有两种，分别是 mmap 和 sendfile 。我们来看下它们是什么。

mmap 是什么

mmap 是操作系统内核提供的一个方法，可以将内核空间的缓冲区 映射 到用户空间。
用了它，整个发送流程就有了一些变化。程序发起 系统调用 mmap() ，尝试读取磁盘数据，具体情况如下：
  • • 磁盘数据从设备 拷贝 到内核空间的缓冲区。
  • • 内核空间的缓冲区 映射 到用户空间，这里 不需要 拷贝。
程序再发起 系统调用 write() ，将读到的数据发到网络：
  • • 数据从内核空间缓冲区 拷贝 到 socket 发送缓冲区。
  • • 再从 socket 发送缓冲区 拷贝 到网卡。
整个过程，发生了 2 次系统调用，对应 4 次用户空间和内核空间的切换，以及 3 次数据拷贝，对比之前，省下 一次 内核空间到用户空间的拷贝。
看到这里大家估计也蒙了，不是说零拷贝吗？怎么还有 3 次拷贝。mmap 作为一种零拷贝技术，指的是用户空间到内核空间这个过程不需要拷贝，而不是指数据从磁盘到发送到网卡这个过程零拷贝。
确实省了一点，但不多 。有没有更彻底的零拷贝？有，用 sendfile .

sendfile 是什么

sendfile ，也是内核提供的一个方法，从名字可以看出，就是用来 发送文件数据 的。程序发起 系统调用 sendfile() ，内核会尝试读取磁盘数据然后发送，具体情况如下：
  • • 磁盘数据从设备 拷贝 到内核空间的缓冲区。
  • • 内核空间缓冲区里的数据 可以 直接 拷贝 到网卡。
整个过程，发生了 1 次系统调用，对应 2 次用户空间和内核空间的切换，以及 2 次数据拷贝。这时候问题很多的小明就有意见了，说好的 零 拷贝怎么还有 2 次拷贝？
其实，这里的零拷贝指的是 零 CPU 拷贝。也就是说 sendfile 场景下，需要的两次拷贝，都不是 CPU 直接参与的拷贝，而是其他硬件设备技术做的拷贝，不耽误我们 CPU 跑程序。

kafka 为什么性能比 RocketMQ 好

聊完两种零拷贝技术，我们回过头来看下 kafka 为什么性能比 RocketMQ 好。这是因为 RocketMQ 使用的是 mmap 零拷贝技术，而 kafka 使用的是 sendfile 。kafka 以更少的拷贝次数以及系统内核切换次数，获得了更高的性能。但问题又来了，为什么 RocketMQ 不使用 sendfile？参考 kafka 抄个作业也不难啊？我们来看下 sendfile 函数长啥样。 
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t* offset, size_t count);
// num = sendfile(xxx);
再来看下 mmap 函数长啥样。 
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
           int fd, off_t offset);
// buf = mmap(xxx)
注释里写的是两个函数的用法， mmap 返回的是数据的 具体内容 ，应用层能获取到消息内容并进行一些逻辑处理。
而 sendfile 返回的则是发送成功了几个 字节数 ， 具体发了什么内容，应用层根本不知道 。
而 RocketMQ 的一些功能，却需要了解具体这个消息内容，方便二次投递等，比如将消费失败的消息重新投递到死信队列中，如果 RocketMQ 使用 sendfile，那根本没机会获取到消息内容长什么样子，也就没办法实现一些好用的功能了。
而 kafka 却没有这些功能特性，追求极致性能，正好可以使用 sendfile。

除了零拷贝以外，kafka 高性能的原因还有很多，比如什么批处理，数据压缩啥的，但那些优化手段 rocketMQ 也都能借鉴一波，唯独这个零拷贝，那是毫无办法。

所以还是那句话，没有一种架构是完美的，一种架构往往用于适配某些场景，你很难做到既要又要还要。当场景不同，我们就需要做一些定制化改造，通过牺牲一部分能力去换取另一部分能力。做架构，做到最后都是在做折中。是不是感觉升华了。

kafka 和 RocketMQ 怎么选？

这时候大家估计还是想知道 kafka 和 RocketMQ 到底该怎么选，用哪个。官方点的回答是"这个要看场景的"。说了等于没说。这不是我的风格。我的标准只有一个，如果是大数据场景，比如你能频繁听到 spark，flink 这些关键词的时候，那就用 kafka。除此之外，如果公司组件支持，尽量用 RocketMQ。

现在大家通了吗？

总结

  • • RocketMQ 和 kafka 相比，在架构上做了减法，在功能上做了加法

  • • 跟 kafka 的架构相比，RocketMQ 简化了协调节点和分区以及备份模型。同时增强了消息过滤、消息回溯和事务能力，加入了延迟队列，死信队列等新特性。

  • • 凡事皆有代价，RocketMQ 牺牲了一部分性能，换取了比 kafka 更强大的功能特性。


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