消息队列ZeroMQ实践

一、    ZeroMQ简介

ZeroMQ被称为史上最快消息队列，它处于会话层之上，应用层之下，使用后台异步线程完成消息的接受和发送，完美的封装了Socket API，大大简化了编程人员的复杂度，被称为史上最强大的消息中间件。ZMQ是用C语言编写的，30us内完成消息的传输，能够兼容多个平台，多种语言，可以使用多种方式实现N对N的Socket连接。本文仅以JAVA版本的ZMQ API为例，介绍ZMQ

ZMQ与传统的TCP Socket相比，具有以下优点:

ZMQ发送和接受的是具有固定长度的二进制对象，ZMQ的消息包最大254个字节，前6个字节是协议，然后是数据包。数据包由3个部分组成，第一个字节是包的长度，第二个字节是包的一些属性，最后是包的内容。如果超过255个字节（有一个字节表示包属性），则ZMQ会自动分包传输；而对于TCP Socket，是面向字节流的连接，编程人员需要处理数据块与数据块之间的边界问题，而ZMQ能够保证每次用户发送和接受的都是一个完整的数据块；

传统的TCP Socket的连接是1对1的，可以认为“1个Socket=1个连接”，每一个线程独立的维护一个Socket。但是ZMQ摒弃了这种1对1的模式，ZMQ的Socket可以很轻松的实现1对N，N对1和N对N的连接模式，一个ZMQ的Socket可以自动的维护一组连接，用户无法操作这些连接，用户只能操作套接字，而不是连接本身，所以说ZMQ的世界里，连接是私有的。这里大家关心的一点是，一个Socket是如何识别来自多个Socket的连接的，这里以请求响应模式为例介绍ZMQ是如何实现一个Socket连接N个Socket的；

MQ使用异步后台线程处理接受和发送请求，这意味着发送完消息，不可以立即释放资源，消息什么时候发送用户是无法控制的，同时，ZMQ自动重连，这意味着用户可以以任意顺序加入到网络中，服务器也可以随时加入或者退出网络；

ZMQ之所以能够在无状态的网络中实现1对N的连接，关键在于信封的机制，信封里保存了应答目标的位置。ZMQ涉及到请求-响应模式的Socket一共有4种类型：

DEALER是一种负载均衡，它会将消息分发给已连接的节点，并使用公平队列的机制处理接受到的消息。

REQ发送消息时会在消息顶部插入一个空帧，接受时会将空帧移去。其实REQ是建立在DEALER之上的，但REQ只有当消息发送并接受到回应后才能继续运行。

ROUTER在收到消息时会在顶部添加一个信封，标记消息来源。发送时会通过该信封决定哪个节点可以获取到该条消息。

REP在收到消息时会将第一个空帧之前的所有信息保存起来，将原始信息传送给应用程序。在发送消息时，REP会用刚才保存的信息包裹应答消息。REP其实是建立在ROUTER之上的，但和REQ一样，必须完成接受和发送这两个动作后才能继续。

在了解了4种类型的Socket之后，我们就不难理解ZMQ的信封机制了。ZMQ信封机制的核心是Router Socket，它的工作原理如下：

从ROUTER中读取一条消息时，ZMQ会包上一层信封，上面注明了消息的来源。向ROUTER写入一条消息时（包含信封），ZMQ会将信封拆开，并将消息递送给相应的对象。当REQ Socket向ROUTER Socket发送一条请求后，REP会从ROUTER收到一条消息，消息格式如下：

第三帧是REP从应用程序收到的数据，第二帧是空帧，是REQ在发送ROUTER数据之前添加的，用来表示结束，第一帧即信封，是ROUTER添加的，主要用来记录消息来源；整个数据包处理过程如下：

对于REQ Socket，可以在创建Socket的时候，为该Sock指定标示符，此时的Socket称为持久Socket，没有指定标示符的我们称为瞬时Socket，ROUTER会自动为瞬时Socket生成一个标示符；

这样REP返回包含信封的数据给ROUTER，ROUTER就可以根据信封上的标示符将该消息发送到对应的REQ上；

ZMQ使用注意事项：

ZMQ是在发送端缓存消息的，可以通过阈值控制消息的溢出；

ZMQ不可以线程之间共享Socket，否则会报org.zeromq.ZMQException: Operation cannot be accomplished in current state错误。

ZMQ一个进程只允许有一个Context，new Context(int arg) arg表示后台线程的数量。

ZMQ的Socket类有一个Linger参数，可以通过SetLinger设置，主要用于表示该Socket关闭以后，未发送成功的消息是否还保存，如果设置为-1表示该消息将永久保存（除非宕机，ZMQ是不持久化消息的），如果为0表示所有未发送成功的消息在Socker关闭以后都将立即清除，如果是一个正数，则表示该消息在Socket关闭后多少毫秒内被删除；这个方法非常有用，尤其在控制发送失败时，是否重发消息。

二、    ZeroMQ多线程编程

ZMQ与传统的TCP Socket最大的区别在于Socket连接不再是1:1的，而是1：N甚至N:N的，这意味ZMQ摒弃了每个后台请求处理线程都使用单独的一个 Socket来返回用户请求的。同时，ZMQ又不允许多个线程共享Socket，所以ZMQ在使用一个Socket处理请求的过程中，会阻塞同一个端口的 其他请求，显然这是无法满足需求的。ZMQ使用了信封的机制灵活的解决了这个问题。

正如上节介绍，ZMQ的Socket有4种类型：DEALER，REQ，REP，ROUTER。4种Socket之间的组合变化基本可以满足绝大多数消息 通信的需求，当然也可以实现多线程处理用户请求。信封机制的核心是Router Socket，它可以为每一个来自REQ的请求打上一个标记来标识该REQ，在返回的时候直接返回给对应的REQ，利用Router我们就可以实现利用多 线程处理用户请求。

这里我们采用经典的请求-响应模式为例，了解如何利用ZMQ实现多线程处理用户请求。整个消息通信系统的架构如图1-1所示，由客户端，服务器端监听线程，后台消息处理线程组成。

整个消息通信流程如下：

客户端使用REQ Socket发送消息给服务器端监听线程的Front Router，REQ Socket会为每一个用户请求消息前加入一个空帧(Frame)；

Front Router在接到REQ的消息后，会判断该REQ是否是持久化Socket，即是否有标示符，如果没有，则自动为该REQ生成一个标示符。将该标识符作 为一个帧加入到整个消息的前面。如上节所述，ZMQ的消息(ZMsg)由若干个帧(ZFrame)组成，当前，整个ZMsg由三个部分组成，Client Identifier，空帧和消息实体。

Front Router在接到消息后，服务器端监听线程会将该消息交给一个后台线程进行处理，然后继续监听其他客户端请求，这样就不会阻塞端口；

后台消息处理线程将接到的消息进行拆分，取出客户端请求进行处理，然后按照ClientIdentifier，空帧和返回内容组装成新的Zmsg，交给该后台线程REQ。

后台消息处理线程的REQ在接到ZMsg后，会为该Zmsg外层再加入一个空帧，然后发送给服务器端监听线程的Backend Router；

Backend Router同理会自动在接到ZMsg的最外层加入一个后台线程的标示符，然后服务器监听线程对消息进行拆分，取出ClientIdentifier，然 后交给FrontRouter，利用Front Router发送给对应的客户端。

至此，整个消息通信过程结束。

三、    Windows下编译安装

zmq和jzmq目前官方没有提供已编译好的文件供下载，git上的也只有很老的(2.0)版本。由于在开发过程中都使用的windows系统，所以在 windows下能够使用jzmq对开发和调试系统来讲都会很方便。但是，通过官方网站上的介绍在windows下安装zmq3.2.2版本会有许多问 题，有各种坑，且网上相关资料缺乏。笔者经过不断的尝试终于成功的在windows下编译和使用了jzmq，这里把windows通过编译安装zmq和 jzmq的方式整理并记录了下来，以便需要的人能够参考。

环境要求：

安装了jdk（请选择对应的是32位版本还是64位版本）且设置了对应的环境变量，能够正确在cmd中执行javac命令。window环境中安装了msvc2008或更新版本。

zeromq的编译：

zeromq官方提供了已编译好的对应的installer版本下载，包含32位和64位。但是在使用时会遇到许多问题，故无论是使用zeromq还是通过zeromq库去编译jzmq，最好都是自己去编译一下zeromq。编译方法如下：

登录http://www.zeromq.org/area:download下载window的源码包，下载好源码包后用msvc打开builds\msvc\msvc.sln编译即可。注意这里有个小坑，3.2.2版本在编译中会抛出errorno.cpp文件找不到等异常，并导致编译失败，比较奇怪。这时候可以在 libzmq工程目录下Source Files中找到errorno.cpp文件，双击后发现msvc也无法打开它，难道这个文件本身不需要？直接删除这个文件，再次编译，通过。

编译好的库会放在lib子目录中。

jzmq的编译:

要在windows下使用jzmq就更悲催了。官方居然没有提供已编译好的window版本，只给出了源码和编译步骤。这样只能自己编译。jzmq编译也 分windows32位和64位两个版本。编译方式也不同特别是window64位版本的编译，你用官方的方法一定编译不过。下面具体讲讲在编译中遇到的 问题和处理方式。

jzmq的windows32位版本的编译：

下载源码包:git clone https://github.com/zeromq/jzmq.git。

用msvc打开builds\msvc\msvc.sln进入jzmq工程。

配置工程依赖路径：msvc2008配置在：Tools|Options|Projects and Solutions|VC++ Directories|Include files。2008后期后期版本略有不同，在对应的工程下，点击右键进入属性后找到VC++目录做对应操作即可。路径设置参考：
Include files:
    \include\win32
    \include
    \include
Library files:
    \lib

编译即可。注意这里有个小坑：如果你使用的是官方已打包好的zeromq库进行编译，下载对应的依赖库名称是类似libzmq-v90-mt- 3_2_2.dll(或lib)而非libzmq.dll(或lib)。这是你要将名称替换成libzmq.dll,libzmq.lib。这样才能编译 通过。

jzmq的windows64为版本的编译：

下载jzmq源码:git clone https://github.com/zeromq/jzmq.git

另外还需要下载cmake for window(注意官方没有说选择32位还是64位版本，但实际上这只是个编译中间工具，32位版本亦可，无需刻意寻找对应的64位版本，官方也没提 供):http://www.cmake.org/cmake/resources/software.html

在jzmq源码目录中创建一个新目录:build64（官方在步骤3中说Insert attached CMakeLists.txt，下载这个文件并覆盖到jzmq根目录。注意千万别这么做，那个CMakeLists.txt是很老的版本了。不适用现在的 环境了。好大个坑。实际上你无需替换任何CMakeLists.txt文件）

在build64目录中cmd运行D:\Microsoft Visual Studio 11.0\VC\bin\amd64\vcvars64.bat(请换成你机子上msvc对应目录。又是个大坑，官方居然没有这一步，cmd没有通过该步 设置对应的环境变量后续即使能工作都是错误的)

不要关闭cmd,再运行cmake .. -G "NMake Makefiles"

完成后再cmake-gui .打开cmake图形界面，设置CMAKE_BUILD_TYPE为Release，然后分别点击Configure，Generate

指定编译的include和lib（官方又没提该步，如果不熟悉nmake的话后续操作会比较困惑）请换成你机子上msvc对应目录，注意libzmq.dll也需要64位版本，可在http://miru.hk/archive /ZeroMQ-3.2.2rc2~miru1.5-x86.exe下载编译好的版本。然后进入lib目录下把任意一个lib版本换成 libzmq.lib，这样编译器才能够识别。如libzmq-v110-mt-3_2_2.lib换成libzmq.lib。cmd脚本例子如下:
set INCLUDE=%INCLUDE%;F:\zmq\zeromq-3.2.2\include;D:\jdk\include;D:\jdk\include\win32
set LIB=%LIB%;F:\zmq\zmq

最后运行nmake生成对应库文件。(可选)如果你安装了NSIS的话可以运行nmake package让它生成可安装文件

使eclipse能够使用jzmq:

在使用jzmq时可能也会遇到一些问题，这里提供了一些解决方案可参考。

首先确保run->run configurations->arguments->VM arguments下指定了libraray path，如：-Djava.library.path=E:\cfg\lib\win64。由于jzmq.dll同时又依赖libzmq.dll，而 dll与dll之间的依赖是通过system path关联的，所以还需要将libzmq.dll放在system path环境变量中。

如果eclipse运行Can't find dependent libraries出现问题，请按如下方式依次检查：

确保libzmq.dll已放入了system path环境变量中？可通过打开cmd后输入where libzmq.dll检查

eclipse是否重启？如果system path环境变量变更，需要重启eclipse后eclipse才能识别

如果还是不行，从http://www.dependencywalker.com/下载dependencywalker小工具，600k左右，它能够 查看window模块(exe,dll,sys等)依赖的模块有哪些，使用非常简单。通过它检查jzmq.dll模块具体依赖了哪些模块，在系统环境变量 中补上缺失的模块即可

网易云新用户大礼包：https://www.163yun.com/gift

本文来自网易实践者社区，经作者郭忆授权发布。