MQTT 的主题通配符有哪些？如何使用？ - 面试题

MQTT 的主题通配符是一种强大的订阅机制，允许客户端订阅一类主题而不是单个主题，提高了订阅的灵活性。

主题通配符类型

MQTT 提供两种通配符：

1. 单级通配符（+）

符号：加号（+）
作用：匹配主题中的单个层级
位置：可以出现在主题的任何位置
限制：不能匹配空层级

2. 多级通配符（#）

符号：井号（#）
作用：匹配主题中的多个层级（包括零个）
位置：必须出现在主题的最后
限制：必须是主题过滤器的最后一个字符

通配符使用示例

单级通配符（+）示例

shell
订阅主题：home/+/temperature

匹配的主题：
- home/livingroom/temperature ✓
- home/bedroom/temperature ✓
- home/kitchen/temperature ✓

不匹配的主题：
- home/livingroom/kitchen/temperature ✗（层级过多）
- home/temperature ✗（层级过少）
- home/livingroom/humidity ✗（最后一层不匹配）

shell
订阅主题：sensor/+/data/+

匹配的主题：
- sensor/001/data/temperature ✓
- sensor/002/data/humidity ✓
- sensor/003/data/pressure ✓

不匹配的主题：
- sensor/001/data ✗（层级过少）
- sensor/001/data/temperature/value ✗（层级过多）

多级通配符（#）示例

shell
订阅主题：home/#

匹配的主题：
- home/ ✓
- home/livingroom ✓
- home/livingroom/temperature ✓
- home/livingroom/temperature/value ✓
- home/bedroom/humidity ✓

不匹配的主题：
- home ✗（必须以 / 结尾或包含 /）
- office/livingroom ✗（第一层不匹配）

shell
订阅主题：sensor/+/#

匹配的主题：
- sensor/001/ ✓
- sensor/001/data ✓
- sensor/001/data/temperature ✓
- sensor/002/data/humidity/value ✓

不匹配的主题：
- sensor ✗（层级过少）
- office/001/data ✗（第一层不匹配）

组合使用示例

shell
订阅主题：home/+/sensors/#

匹配的主题：
- home/livingroom/sensors/ ✓
- home/livingroom/sensors/temperature ✓
- home/livingroom/sensors/temperature/value ✓
- home/bedroom/sensors/humidity ✓

不匹配的主题：
- home/sensors/ ✗（缺少中间层级）
- home/livingroom/sensors ✗（# 必须在最后）

通配符规则

单级通配符（+）规则

匹配单个层级：只能匹配一个非空层级
可以多次使用：可以在主题过滤器中多次出现
可以出现在任何位置：可以在主题的任何层级使用
不能跨层级：不能匹配多个层级

多级通配符（#）规则

匹配多个层级：可以匹配零个或多个层级
必须在最后：必须是主题过滤器的最后一个字符
只能使用一次：每个主题过滤器中只能使用一次
必须跟随 /：如果主题有多个层级，# 前面必须有 /

通配符应用场景

1. 设备分类监控

shell
场景：监控所有温度传感器

订阅主题：sensors/+/temperature

效果：接收所有设备的温度数据

2. 区域监控

shell
场景：监控某个区域的所有数据

订阅主题：building/floor1/#

效果：接收一楼所有设备的数据

3. 设备状态监控

shell
场景：监控所有设备的在线状态

订阅主题：device/+/status

效果：接收所有设备的状态更新

4. 数据类型订阅

shell
场景：订阅所有告警消息

订阅主题：alert/#

效果：接收所有类型的告警

5. 分层订阅

shell
场景：订阅特定类型的所有子主题

订阅主题：system/metrics/+/#

效果：接收所有系统指标的详细数据

通配符限制和注意事项

1. 发布限制

不能发布到通配符主题：通配符只能用于订阅，不能用于发布
主题必须明确：发布时必须指定完整的主题路径

2. 订阅限制

通配符不能用于主题层级内部：如 home/room+/temperature 是无效的
# 必须在最后：home/#/temperature 是无效的
+ 不能匹配空：home/+/temperature 不能匹配 home//temperature

3. 性能考虑

通配符订阅会增加 Broker 负担：Broker 需要进行主题匹配
避免过度使用通配符：过多的通配符订阅可能影响性能
合理设计主题结构：良好的主题设计可以减少通配符使用

4. 安全考虑

ACL 权限控制：通配符订阅需要相应的权限
避免过度授权：通配符订阅可能暴露过多数据
最小权限原则：只授予必要的通配符权限

代码示例

Python (paho-mqtt)

python
import paho.mqtt.client as mqtt

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print(f"Connected with result code {rc}")
    
    # 单级通配符订阅
    client.subscribe("sensor/+/temperature")
    
    # 多级通配符订阅
    client.subscribe("home/bedroom/#")
    
    # 组合通配符订阅
    client.subscribe("system/+/metrics/#")

def on_message(client, userdata, msg):
    print(f"Received: {msg.topic} - {msg.payload.decode()}")

client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect("broker.example.com", 1883, 60)
client.loop_forever()

JavaScript (MQTT.js)

javascript
const mqtt = require('mqtt');

const client = mqtt.connect('mqtt://broker.example.com');

client.on('connect', () => {
    console.log('Connected');
    
    // 单级通配符订阅
    client.subscribe('sensor/+/temperature');
    
    // 多级通配符订阅
    client.subscribe('home/bedroom/#');
    
    // 组合通配符订阅
    client.subscribe('system/+/metrics/#');
});

client.on('message', (topic, message) => {
    console.log(`Received: ${topic} - ${message.toString()}`);
});

最佳实践

1. 主题设计

层级清晰：主题层级应该清晰、有意义
避免过深：主题层级不宜过深（建议不超过 5 层）
使用分隔符：统一使用 / 作为分隔符
命名规范：使用一致的命名规范

2. 通配符使用

按需使用：只在需要时使用通配符
避免过度通配：避免使用过于宽泛的通配符（如 #）
组合使用：合理组合单级和多级通配符
性能优化：在高性能场景下减少通配符使用

3. 订阅管理

及时取消订阅：不再需要的订阅应该及时取消
避免重复订阅：避免重复订阅相同的主题
监控订阅数量：监控订阅数量，避免过多订阅

4. 安全管理

权限控制：为通配符订阅设置适当的权限
最小权限：只授予必要的最小权限
定期审查：定期审查通配符订阅权限

通配符性能优化

1. Broker 优化

选择合适的 Broker：选择支持高效通配符匹配的 Broker
配置优化：根据实际需求调整 Broker 配置
集群部署：大规模场景下使用集群部署

2. 订阅优化

精确订阅优先：优先使用精确主题订阅
减少通配符层级：减少通配符匹配的层级
批量订阅：使用批量订阅减少连接开销

3. 主题优化

主题前缀：使用主题前缀减少匹配范围
主题分组：合理分组主题，减少通配符使用
避免通配符嵌套：避免复杂的通配符嵌套

MQTT 主题通配符是提高订阅灵活性的重要机制，合理使用可以简化应用逻辑，提高开发效率。但需要注意性能和安全问题，避免过度使用通配符。