Top 6 Warteschlangensysteme für Backend-Entwickler

Interessieren Sie sich für die Implementierung eines Warteschlangensystems oder suchen Sie vielleicht nach einer besseren Alternative? Hier finden Sie alle relevanten Informationen!

Warteschlangensysteme sind ein oft unterschätztes, aber entscheidendes Element der Backend-Entwicklung.

Ohne übertriebene Lobeshymnen auf Warteschlangensysteme anzustimmen, lässt sich festhalten, dass die Integration von Warteschlangen ein wesentlicher Schritt für Junior-Backend-Entwickler auf dem Weg zum Mid-Level-Entwickler ist. Warteschlangen optimieren das Benutzererlebnis, reduzieren die Komplexität von Systemen und verbessern deren Zuverlässigkeit.

Zweifellos mag es für einfache Webanwendungen mit geringem Traffic oder statische Webseiten unpraktisch sein, Warteschlangen zu implementieren (in manchen Shared-Hosting-Umgebungen sogar unmöglich). Allerdings profitieren nicht-triviale Applikationen erheblich von Warteschlangen, und komplexe Anwendungen wären ohne sie kaum realisierbar.

Ein Hinweis vorab: Wenn Sie bereits mit Warteschlangensystemen vertraut sind und lediglich einen Vergleich der Optionen suchen, werden Ihnen die folgenden einführenden Abschnitte möglicherweise etwas langatmig erscheinen. Springen Sie also gern direkt zu den relevanten Abschnitten. Die Einführung richtet sich vor allem an diejenigen, die lediglich ein grobes Verständnis von Warteschlangensystemen haben oder den Begriff beiläufig aufgeschnappt haben.

Was ist ein Warteschlangensystem?

Zunächst sollten wir klären, was genau eine Warteschlange ist.

In der Informatik bezeichnet eine Warteschlange eine Datenstruktur, die reale Warteschlangen, wie wir sie im Alltag erleben, nachbildet. Stellen Sie sich vor, Sie stehen an einem Ticketschalter: Sie müssen sich hinten anstellen, während die Person am vordersten Platz zuerst bedient wird. Dies wird auch als „First-In-First-Out“ (FIFO)-Prinzip bezeichnet. In der Programmierung können Aufgaben in einer solchen Warteschlange gespeichert und nacheinander nach diesem FIFO-Prinzip abgearbeitet werden.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Warteschlange selbst keine Verarbeitung durchführt. Sie dient lediglich als temporärer Speicher, in dem Aufgaben warten, bis sie von einem Prozess abgerufen werden. Falls dies zu abstrakt klingt, keine Sorge, wir werden im nächsten Abschnitt anschauliche Beispiele betrachten.

Warum werden Warteschlangensysteme benötigt?

Kurz gesagt, liegt der Hauptnutzen von Warteschlangensystemen in der Hintergrundverarbeitung, der parallelen Ausführung von Aufgaben und der Fehlerbehandlung. Betrachten wir einige Beispiele:

Hintergrundverarbeitung

Nehmen wir an, Sie führen eine zeitkritische E-Commerce-Marketingkampagne durch. Ihre Anwendung sendet eine Bestellbestätigungs-E-Mail, bevor der Kunde zur Dankesseite weitergeleitet wird. Wenn der Mailserver nicht erreichbar ist, kann dies dazu führen, dass die Seite hängt, was das Benutzererlebnis erheblich beeinträchtigt.

Stellen Sie sich den dadurch entstehenden Supportaufwand vor! In solchen Fällen ist es sinnvoller, die Aufgabe des E-Mail-Versands in eine Warteschlange zu verschieben und dem Kunden umgehend die Erfolgsseite zu zeigen.

Parallele Ausführung

Viele Entwickler, die hauptsächlich einfache Anwendungen mit geringem Datenverkehr programmieren, verwenden für Hintergrundverarbeitung oft Cronjobs. Dies funktioniert solange gut, bis die Datenmenge zu groß wird. Angenommen, ein Cronjob erstellt und versendet regelmäßig Analysen per E-Mail, wobei das System 100 Berichte pro Minute verarbeiten kann.

Sobald die App wächst und die Anzahl der Anfragen pro Minute die 100er-Marke überschreitet, entsteht ein Rückstau, der nie vollständig abgearbeitet werden kann.

Ein Warteschlangensystem kann dies verhindern, indem mehrere Worker eingesetzt werden, die jeweils eine bestimmte Anzahl an Berichten (z.B. 100) parallel verarbeiten, wodurch die Aufgabe viel schneller abgeschlossen werden kann.

Fehlerbehandlung

Als Webentwickler denken wir oft nicht an Fehlerfälle. Wir gehen davon aus, dass unsere Server und APIs immer online sein werden. Die Realität sieht jedoch anders aus: Netzwerkausfälle sind häufig, und auch vermeintlich zuverlässige APIs können aufgrund von Infrastrukturproblemen ausfallen (siehe Amazon S3 Ausfall). Was passiert also mit den 200 fehlgeschlagenen Berichten, wenn die Verbindung zur Zahlungs-API während der Berichtserstellung für 2 Minuten unterbrochen ist?

Es ist wichtig zu beachten, dass Warteschlangensysteme einen gewissen Overhead verursachen. Die Einarbeitungszeit kann beträchtlich sein, da es sich um eine neue Domäne handelt. Die Komplexität der Anwendung und Bereitstellung nimmt zu, und die Steuerung der Warteschlangenprozesse ist nicht immer präzise. Dennoch sind Warteschlangen in bestimmten Szenarien unerlässlich und ermöglichen es überhaupt erst, bestimmte Anwendungen zu realisieren.

Werfen wir nun einen Blick auf einige gängige Optionen für Warteschlangen-Backends bzw. -Systeme.

Redis

Redis ist bekannt als ein Key-Value-Speicher, der Daten als Strings ohne Kenntnis der Datenstruktur speichert, abruft und aktualisiert. Während dies einst zutreffend war, bietet Redis heute effiziente Datenstrukturen wie Listen, sortierte Mengen und sogar ein Pub/Sub-System, was es zu einer attraktiven Wahl für die Implementierung von Warteschlangen macht.

Die Vorteile von Redis sind:

• Vollständig im Speicher betriebene Datenbank, die schnelle Lese- und Schreiboperationen ermöglicht.
• Hocheffizient: Unterstützt problemlos mehr als 100.000 Lese- und Schreiboperationen pro Sekunde.
• Flexibles Persistenzschema: Ermöglicht die Optimierung auf maximale Leistung, auch auf Kosten möglicher Datenverluste bei Ausfällen, oder eine konservative Konfiguration, die Konsistenz über Leistung stellt.
• Standardmäßige Clusterunterstützung.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Redis keine direkten Abstraktionen für Messaging, Warteschlangen oder Fehlerbehandlung bietet. Daher ist entweder die Verwendung eines externen Pakets oder eine eigene Implementierung erforderlich. Ein Beispiel dafür ist die Nutzung von Redis als Standard-Warteschlangen-Backend im Laravel-PHP-Framework, wo ein Scheduler von den Framework-Autoren implementiert wurde.

Redis lernen ist unkompliziert.

RabbitMQ

Es gibt einige wesentliche Unterschiede zwischen Redis und RabbitMQ, die wir zu Beginn klären sollten.

RabbitMQ hat eine spezialisiertere und klar definierte Rolle: das Messaging. Es wurde explizit für die Rolle des Vermittlers zwischen zwei Systemen konzipiert, im Gegensatz zu Redis, das in erster Linie als Datenbank fungiert. Daher bietet RabbitMQ zusätzliche Funktionen, die in Redis fehlen, wie Nachrichtenweiterleitung, Wiederholungen und Lastverteilung.

Betrachtet man es aus einem bestimmten Blickwinkel, so können Aufgabenwarteschlangen auch als Nachrichtensystem interpretiert werden, bei dem der Scheduler, die Worker und die Aufgaben-„Absender“ als Nachrichtenübermittlungsparteien fungieren.

Die Vorteile von RabbitMQ sind:

• Bessere Abstraktionen für die Nachrichtenweiterleitung, die den Aufwand auf Anwendungsebene reduzieren, wenn die Nachrichtenübertragung im Vordergrund steht.
• Resistenter gegenüber Ausfällen (zumindest in der Standardkonfiguration) als Redis.
• Cluster- und Verbundunterstützung für verteilte Umgebungen.
• Nützliche Werkzeuge zur Verwaltung und Überwachung der Bereitstellungen.
• Unterstützung für praktisch alle relevanten Programmiersprachen.
• Flexibilität bei der Bereitstellung mit verschiedenen Tools wie Docker, Chef und Puppet.

Wann ist RabbitMQ die richtige Wahl? Es ist eine ausgezeichnete Option, wenn Sie eine asynchrone Nachrichtenübertragung benötigen, aber die Komplexität einiger anderen Warteschlangenlösungen auf dieser Liste (siehe unten) vermeiden möchten.

ActiveMQ

Für Anwendungen im Unternehmensumfeld oder bei der Entwicklung umfangreicher, verteilter Systeme, die auf bewährten Lösungen aufbauen möchten, ist ActiveMQ eine gute Wahl.

ActiveMQ zeichnet sich durch Folgendes aus:

• Implementiert in Java, bietet eine nahtlose Java-Integration (basierend auf dem JMS-Standard).
• Unterstützung für verschiedene Protokolle: AMQP, MQTT, STOMP, OpenWire usw.
• Integrierte Funktionen für Sicherheit, Routing, Nachrichtenablauf und Analysen.
• Unterstützung gängiger Messaging-Muster, wodurch Zeit und potenzielle Fehler eingespart werden.

ActiveMQ ist nicht nur auf Java beschränkt, sondern bietet Clients für Python, C/C++, Node, .Net und andere Ökosysteme. ActiveMQ basiert auf offenen Standards, so dass eigene Clients leicht entwickelt werden können.

ActiveMQ dient als Broker, nicht als Backend, und benötigt daher ein separates Backend zur Speicherung der Nachrichten. Es wird hier dennoch erwähnt, da es nicht auf eine bestimmte Programmiersprache beschränkt ist (im Gegensatz zu anderen populären Lösungen wie Celery oder Sidekiq).

Amazon MQ

Amazon MQ verdient eine kurze, aber wichtige Erwähnung. Wenn ActiveMQ Ihre ideale Lösung ist, Sie sich aber nicht mit dem Aufbau und der Wartung der Infrastruktur auseinandersetzen möchten, bietet Amazon MQ einen Managed Service dafür an. Es unterstützt alle von ActiveMQ verwendeten Protokolle und bietet die gleichen Funktionen, da es ActiveMQ selbst im Hintergrund nutzt.

Der Vorteil dieses Managed Services besteht darin, dass Sie sich nur auf die Verwendung der Lösung konzentrieren können. Dies ist besonders für AWS-Umgebungen sinnvoll, da Sie andere AWS-Dienste direkt nutzen können (z. B. schnellere Datenübertragungen).

Amazon SQS

Amazon wäre nicht Amazon, wenn es nicht auch in diesem Bereich mitmischen würde, oder? 🙂

Und so haben wir Amazon SQS, einen vollständig gehosteten, einfachen Warteschlangendienst (im wahrsten Sinne des Wortes) des bekannten Giganten AWS. Auch hier sind subtile Unterschiede wichtig. Im Gegensatz zu RabbitMQ unterstützt SQS kein Konzept der Nachrichtenweiterleitung. Wie Redis dient SQS als einfaches Backend zur Annahme und Verteilung von Aufgaben.

Wann sollten Sie Amazon SQS verwenden?

• Wenn Sie ein AWS-Fan sind und keine andere Lösung verwenden möchten (es gibt viele davon!).
• Wenn Sie eine gehostete Lösung mit maximaler Ausfallsicherheit und ohne Jobverlust benötigen.
• Wenn Sie keinen Cluster einrichten und überwachen möchten. Oder noch schlimmer, keine Überwachungstools schreiben müssen, die Zeit für produktivere Entwicklung verschwenden.
• Wenn Sie bereits in AWS investiert haben und dies auch geschäftlich sinnvoll ist.
• Wenn Sie ein einfaches Warteschlangensystem ohne jeglichen Schnickschnack im Zusammenhang mit Nachrichtenweiterleitung oder Protokollen benötigen.

Alles in allem ist Amazon SQS eine solide Wahl für alle, die Auftragswarteschlangen in ihr System integrieren möchten, ohne sich um die Infrastruktur kümmern zu müssen.

Beanstalkd

Beanstalkd existiert schon lange und ist ein bewährtes, schnelles und einfaches Backend für Auftragswarteschlangen. Einige Merkmale unterscheiden Beanstalkd von Redis:

• Beanstalkd dient ausschließlich als Job-Warteschlangensystem. Jobs werden dort abgelegt und später von Job-Workern abgeholt. Wenn Ihre Anwendung nur minimale Anforderungen an das Messaging hat, ist Beanstalkd wahrscheinlich keine gute Wahl.
• Es bietet keine erweiterten Datenstrukturen wie Sätze oder Prioritätswarteschlangen.
• Beanstalkd ist eine FIFO-Warteschlange, d.h. es gibt keine Möglichkeit, Jobs nach Priorität zu sortieren.
• Clustering wird nicht unterstützt.

All dies macht Beanstalkd zu einem schlanken und schnellen Warteschlangensystem für einfache Projekte, die auf einem einzigen Server laufen. Für viele ist es schneller und stabiler als Redis. Wenn Sie also Probleme mit Redis haben, die sich nicht lösen lassen, und Ihre Anforderungen einfach sind, ist Beanstalkd einen Versuch wert.

Zusammenfassend

Wenn Sie bis hierher gelesen haben (oder einfach hierher gescrollt sind 😉), ist es wahrscheinlich, dass Sie sich für Warteschlangensysteme interessieren oder eines benötigen. In diesem Fall wird Ihnen diese Liste eine gute Grundlage bieten, es sei denn, Sie sind auf der Suche nach einem sprach- oder frameworkspezifischen Warteschlangensystem.

Ich würde Ihnen gern erzählen, dass Warteschlangen einfach und 100% zuverlässig sind, aber das stimmt nicht. Es ist komplex, da alles im Hintergrund passiert und sehr schnell abläuft (Fehler können unbemerkt bleiben und teuer werden). Dennoch sind Warteschlangen ab einem bestimmten Punkt notwendig und werden zu einer mächtigen Waffe (vielleicht sogar der mächtigsten) in Ihrem Arsenal. Viel Glück! 🙂