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想开发IM:买成品怕坑?租第3方怕贵?找开源自已撸?尽量别走弯路了... 找站长给点建议
零基础IM开发入门(四):什么是IM系统的消息时序一致性?
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本文引用了沈剑《如何保证IM实时消息的“时序性”与“一致性”?》一文的图片和内容(由于本人太懒,图我没重新画),原文链接在文末。


1、引言


本文接上篇《零基础IM开发入门(三):什么是IM系统的可靠性?》,讲解IM系统中消息时序的一致性问题。

所谓的一致性,在IM中通常指的是消息时序的一致性,那就是:

  • 1)聊天消息的上下文连续性;
  • 2)聊天消息的绝对时间序。

再具体一点,IM消息的一致性体现在:

  • 1)单聊时:要保证发送方发出聊天消息的顺序与接收方看到的顺序一致;
  • 2)群聊时:要保证所有群员看到的聊天消息,与发送者发出消息时的绝对时间序是一致的。

IM系统中消息时序的一致性问题是个看似简单,实则非常有难度的技术热点话题之一,本文尽量以通俗简显的文字为你讲解IM消息时序一致性问题的产品意义、发生原因、解决思路等

                  

阅读对象:本系列文章主要阅读对象为零IM基础的开发者或产品经理,目标是告诉你“IM系统是什么?”,尽量不深入探讨具体的技术实现,确保通俗易懂,老少皆宜。

如您想从技术维度系统学习IM技术并着手自已的IM开发(即解决“IM系统要怎么做?”这个疑问),请从此文开始:《新手入门一篇就够:从零开发移动端IM》。

本文已同步发布于“即时通讯技术圈”公众号,欢迎关注。公众号上的链接是:点此进入

2、系列文章



3、消息时序的一致性,对于IM的意义


现如今,由于移动互联网的普及,现代人的实际社交关系,几乎完全是靠IM这种即时通讯社交工具所组织起来的,IM这种工具的重要性不言而喻。

IM在现代人的生活中,越来越重要,但也越来平常。现在想联系一个人,第一时间想到的不是打个电话,而是发个“微信”或“QQ”。是的,IM这玩意承载的意义越来越多。

消息时序的一致性问题,对于IM的意义,毫无疑问带来的不只是简简单单的所谓用户体验问题。我们来看看例子。

假设:你跟女神的表白正进入到关键阶段,聊着聊着就因为这烂IM,导致聊天消息前言不搭后语,此刻1000公里外你的女神真一脸蒙逼的盯着手机看你的“醉话”,后果是多么严重——这半年来的“舔狗”生活、忍辱负重,算是白白被程序员这群“格子衫”、“地中海”们给祸害了。

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再往严重了说,就因为这烂IM,让你失去了这难得的借助女神优良基因,改造家族后代颜值的绝佳机会,无不让人痛心疾首。。。

上面这个例子,说的还只是单聊,如果是群聊,则问题可能还会被无限放大:试想一个技术交流群,正在激烈的争吵着“php是世界最好语言”这种话题的时候,忽然就想砸手机了,不是因为吵的太凶,而因为消息顺序全乱完全没法看,已经严重影响键盘侠们积极发表个人意见了。

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4、凭什么说保证消息时序的一致性很困难?


4.1基本认知


在普通IM用户的眼里,消息无非是从一台手机传递到另一台手机而已,保证时序有何困难?

是的,普通用户这么认为,从技术上讲,他只是单纯的将IM消息的收发过程理解为单线程的工作模式而已。

实际上,在IM这种高性能场景下,服务端为了追求高吞吐、高并发,用到了多线程、异步IO等等技术。

在这种情况下,“高并发”与“顺序”对于IM服务端来说,本来就是矛盾的,这就有点鱼与熊掌的味道了(两者很难兼得)。

所以,要实现IM场景下的消息时序一致性,需要做出权衡,而且要考虑的技术维度相当多。这就导致具体技术实施起来没有固定的套路,而由于开发者技术能力的参差不齐,也就使得很多IM系统在实际的效果上会有较大问题,对于用户而言也将直接在产品体验上反应出来。

下面将具体说明技术难点所在。

4.2没有全局时钟


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如上图所示,一个真正堪用的生产系统,显示不可能所有服务都跑在一台服务器上,分布式环境是肯定的。

那么:在分布式环境下,客户端+服务端后台的各种后台服务,都各自分布在不同的机器上,机器之间都是使用的本地时钟,没有一个所谓的“全局时钟”(也没办法做到真正的全局时钟),那么所谓的消息时序也就没有真正意义上的时序基准点。所以消息时序问题显然不是“本地时间”可以完全决定的。

4.3多发送方问题


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服务端分布式的情况下,不能用“本地时间”来保证时序性,那么能否用接收方本地时间表示时序呢?

遗憾的是,由于多个客户端的存在(比如群聊时),即使是一台服务器的本地时间,也无法表示“绝对时序”。

如上图所示:绝对时序上,APP1先发出msg1,APP2后发出msg2,都发往服务器web1,网络传输是不能保证msg1一定先于msg2到达的,所以即使以一台服务器web1的时间为准,也不能精准描述msg1与msg2的绝对时序。

4.4多接收方问题


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多发送方不能保证时序,假设只有一个发送方,能否用发送方的本地时间表示时序呢?遗憾的是,由于多个接收方的存在,无法用发送方的本地时间,表示“绝对时序”。

如上图,绝对时序上,web1先发出msg1,后发出msg2,由于网络传输及多接收方的存在,无法保证msg1先被接收到先被处理,故也无法保证msg1与msg2的处理时序。

4.5网络传输与多线程问题


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既然多发送方与多接收方都难以保证绝对时序,那么假设只有单一的发送方与单一的接收方,能否保证消息的绝对时序一致性呢?

结论是悲观的,由于网络传输与多线程的存在,这仍然不行。

如上图所示,web1先发出msg1、后发出msg2,即使msg1先到达(网络传输其实还不能保证msg1先到达),由于多线程的存在,也不能保证msg1先被处理完。

5、如何保证绝对的消息时序一致性?


通过上一章内容的总结,我们已经对IM中消息时序一致性问题所产生的缘由,有了较为深刻的认识。

从纯技术的角度来说,假设:

  • 1)只有一个发送方;
  • 2)一个接收方;
  • 3)上下游连接只有一条socket连接;
  • 4)通过阻塞的方式通讯。

这样的情况下,难道不能保证先发出的消息被先处理,进而被先展示给消息的接收者吗?

是的,可以!

但实际生产情况下不太可能出现这种IM系统,必竟单发送方、单接收方、单socket连接、阻塞方式,这样的IM一旦做出来,产品经理会立马死给你看。。。

6、实用的优化思路


6.1一对一单聊的消息一致性保证思路


假设两人一对一聊天,发送方A依次发出了msg1、msg2、msg3三条消息给接收方B,这三条消息该怎么保证显示时序的一致性(发送与显示的顺序一致)?

我们知道,发送方A依次发出的msg1、msg2、msg3三条消息,到底服务端后,再由服务端中转发出时,这个顺序由于多线程的网络的问题,是有可能乱序的。

那么结果就可能是这样:
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如上图所示,会出现与发出时的消息时序不一致问题(收到的消息顺序是:msg3、msg1、msg2)。

不过,实际上一对一聊天的两个人,并不需要全局消息时序的一致(因为聊天只在两人的同一会话在发生),只需要对于同一个发送方A,发给B的消息时序一致就行了。

常见优化方案,在A往B发出的消息中,加上发送方A本地的一个绝对时序(比如本机时间戳),来表示接收方B的展现时序。

那么当接收方B收到消息后,即使极端情况下消息可能存在乱序到达,但因为这个乱序的时间差对于普通用户来说体感是很短的,在UI展现层按照消息中自带的绝对时序排个序后再显示,用户其实是没有太多感知的。

6.2多对多群聊的消息一致性保证思路


假设N个群友在一个IM群里聊天,应该怎样保证所有群员收到消息的显示时序一致性呢?

首先:不能像一对聊天那样利用发送方的绝对时序来保证消息顺序,因为群聊发送方不单点,时间也不一致。

或许:我们可以利用服务器的单点做序列化。

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如上图所示,此时IM群聊的发送流程为:

  • 1)sender1发出msg1,sender2发出msg2;
  • 2)msg1和msg2经过接入集群,服务集群;
  • 3)service层到底层拿一个唯一seq,来确定接收方展示时序;
  • 4)service拿到msg2的seq是20,msg1的seq是30;
  • 5)通过投递服务讲消息给多个群友,群友即使接收到msg1和msg2的时间不同,但可以统一按照seq来展现。

这个方法:

  • 1)优点是:能实现所有群友的消息展示时序相同;
  • 2)缺点是:这个生成全局递增序列号的服务很容易成为系统瓶颈。

还有没有进一步的优化方法呢?

从技术角度看:群消息其实也不用保证全局消息序列有序,而只要保证一个群内的消息有序即可,这样的话,“消息id序列化”就成了一个很好的思路。

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上图这个方案中,service层不再需要去一个统一的后端拿全局seq(序列号),而是在service连接池层面做细小的改造,保证一个群的消息落在同一个service上,这个service就可以用本地seq来序列化同一个群的所有消息,保证所有群友看到消息的时序是相同的。

关于IM的系统架构下使用怎么样实现消息序列化,或者说全局消息ID的生成方案,这又是另一个很热门的技术话题。

有兴趣,可以深入阅读下面这个系列:


这个系列中,尤其微信的趋势递增ID生成思路(注意:趋势递增不是严格递增,趋势递增意味着中问有ID被跳过也没事),对于分布式IM的消息ID来说是非常切实可行的。

是的,对于IM系统来说,绝对意义上的时序很难保证,但通过服务端生成的单调递增消息ID的方式,利用递增ID来保证时序性,也是一个很可性的方案。

7、小结一下


IM系统架构下,消息的绝对时序是很困难的,原因多种多样,比如:没有全局时钟、多发送方、多接收方、多线程、网络传输不确定性等。

一对一单聊时,其实只需要保证发出的时序与接收的时序一致,就基本能让用户感觉不到乱序了。

多对多的群聊情况下,保证同一群内的所有接收方消息时序一致,也就能让用户感觉不到乱序了,方法有两种,一种单点绝对时序,另一种实现消息id的序列化(也就是实现一种全局递增消息ID)。

8、参考资料


[1] 如何保证IM实时消息的“时序性”与“一致性”?,作者:沈剑
[2] 一个低成本确保IM消息时序的方法探讨,作者:封宇

附录:更多IM开发热门技术点


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