Kafka-4.1-工作原理综述

1 Kafka工作原理详解

1.1 工作流程

Kafka集群将 Record 流存储在称为 Topic 的类中，每个记录由⼀个键、⼀个值和⼀个时间戳组成。

Kafka 中消息是以 Topic 进⾏分类的，⽣产者⽣产消息，消费者消费消息，⾯向的都是同⼀个Topic。Topic 是逻辑上的概念，⽽ Partition 是物理上的概念，每个 Partition 对应于⼀个 log ⽂件，该log ⽂件中存储的就是 Producer ⽣产的数据。Producer ⽣产的数据会不断追加到该 log ⽂件末端，且每条数据都有⾃⼰的 Offset。消费者组中的每个消费者，都会实时记录⾃⼰消费到了哪个 Offset，以便出错恢复时，从上次的位置继续消费。

1.2 存储机制

由于⽣产者⽣产的消息会不断追加到 log ⽂件末尾，为防⽌ log ⽂件过⼤导致数据定位效率低下，Kafka 采取了分⽚和索引机制。它将每个 Partition 分为多个 Segment，每个 Segment 对应两个⽂件：“.index” 索引⽂件和“.log” 数据⽂件。这种索引思想值得我们学习应用到平时的开发中。

这些⽂件位于同⼀⽂件下，该⽂件夹的命名规则为：topic 名-分区号。例如，test这个 topic 有三个分区，则其对应的⽂件夹为 test-0，test-1，test-2。

$ ls /tmp/kafka-logs/test-1
00000000000000009014.index
00000000000000009014.log
00000000000000009014.timeindex
leader-epoch-checkpoint

index 和 log ⽂件以当前 Segment 的第⼀条消息的 Offset 命名。下图为 index ⽂件和 log ⽂件的结构示意图。

“.index” ⽂件存储⼤量的索引信息，“.log” ⽂件存储⼤量的数据，索引⽂件中的元数据指向对应数据⽂件中 Message 的物理偏移量。

使用shell命令查看索引：

./kafka-dump-log.sh --files /tmp/kafka-logs/test-1/00000000000000000000.index

1.3 分区机制

分区原因：

⽅便在集群中扩展，每个 Partition 可以通过调整以适应它所在的机器，⽽⼀个 Topic ⼜可以有多个 Partition 组成，因此可以以 Partition 为单位读写了。
可以提⾼并发，避免两个分区持久化的时候争夺资源。
备份的问题。防止一台机器宕机后数据丢失的问题。

分区原则：我们需要将 Producer 发送的数据封装成⼀个 ProducerRecord 对象。该对象需要指定⼀些参数：

topic：string 类型，NotNull。
partition：int 类型，可选。
timestamp：long 类型，可选。
key：string 类型，可选。
value：string 类型，可选。
headers：array 类型，Nullable。

指明 Partition 的情况下，直接将给定的 Value 作为 Partition 的值；没有指明 Partition 但有 Key 的情况下，将 Key 的 Hash 值与分区数取余得到 Partition 值；既没有 Partition 又没有 Key 的情况下，第⼀次调⽤时随机⽣成⼀个整数（后⾯每次调⽤都在这个整数上⾃增），将这个值与可⽤的分区数取余，得到 Partition 值，也就是常说的 Round-Robin轮询算法。

1.4 生产者

Producer⽣产者，是数据的⼊⼝。Producer在写⼊数据的时候永远的找leader，不会直接将数据写⼊follower。下图很好地阐释了生产者的工作流程。这里获取分区信息，是从zookeeper中获取的。生产者不会每个消息都调用一次send()，这样效率太低，默认是数据攒到16K或是超时（如10ms）会send()一次。注意这里发消息是异步操作。

1.5 ack机制

producer端设置request.required.acks=0；只要请求已发送出去，就算是发送完了，不关心有没有写成功。性能很好，如果是对一些日志进行分析，可以承受丢数据的情况，用这个参数，性能会很好。

request.required.acks=1；发送一条消息，当leader partition写入成功以后，才算写入成功。不过这种方式也有丢数据的可能。
request.required.acks=-1；需要ISR列表里面，所有副本都写完以后，这条消息才算写入成功。

设计一个不丢数据的方案：数据不丢失的方案：1)分区副本 >=2 2)acks = -1 3)min.insync.replicas >=2。

下面给出此时leader出现故障的情况，可以看出，此时数据可能重复。

解释上面出现的几个名词。Leader维护了⼀个动态的 in-sync replica set（ISR）：和 Leader 保持同步的 Follower 集合。当 ISR 集合中的 Follower 完成数据的同步之后，Leader 就会给 Follower 发送 ACK。如果 Follower ⻓时间未向 Leader 同步数据，则该 Follower 将被踢出 ISR 集合，该时间阈值由replica.lag.time.max.ms 参数设定。Leader 发⽣故障后，就会从 ISR 中选举出新的 Leader。

kafka服务端中min.insync.replicas。如果我们不设置的话，默认这个值是1。一个leader partition会维护一个ISR列表，这个值就是限制ISR列表里面至少得有几个副本，比如这个值是2，那么当ISR列表里面只有一个副本的时候，往这个分区插入数据的时候会报错。

1.6 消费者

Consumer 采⽤ Pull（拉取）模式从 Broker 中读取数据。Pull 模式则可以根据 Consumer 的消费能⼒以适当的速率消费消息。Pull 模式不⾜之处是，如果Kafka 没有数据，消费者可能会陷⼊循环中，⼀直返回空数据。因为消费者从 Broker 主动拉取数据，需要维护⼀个⻓轮询，针对这⼀点， Kafka 的消费者在消费数据时会传⼊⼀个时⻓参数 timeout。如果当前没有数据可供消费，Consumer 会等待⼀段时间之后再返回，这段时⻓即为 timeout。

1.6.1 分区分配策略

⼀个Consumer Group中有多个Consumer，⼀个Topic有多个Partition。不同组间的消费者是相互独立的，相同组内的消费者才会协作，这就必然会涉及到Partition的分配问题，即确定哪个Partition由哪个Consumer来消费。

Kafka 有三种分配策略：

RoundRobin
Range，默认为Range
Sticky

当消费者组内消费者发⽣变化时，会触发分区分配策略（⽅法重新分配），在分配完成前，kafka会暂停对外服务。注意为了尽量确保消息的有序执行，一个分区只能对应一个消费者，这也说明消费者的数量不能超过分区的数量。

1.6.1.1 range方式

Range ⽅式是按照主题来分的，不会产⽣轮询⽅式的消费混乱问题，但是也有不足。

注意图文不符，图片是一个例子，文字再给一个例子，以便理解。假设我们有10个分区，3个消费者，排完序的分区将会是0,1,2,3,4,5,6,7,8,9；消费者线程排完序将会是C1-0,C2-0,C3-0。然后将partitions的个数除以消费者线程的总数来决定每个消费者线程消费⼏个分区。如果除不尽，那么前⾯⼏个消费者线程将会多消费⼀个分区。

在我们的例⼦⾥⾯，我们有10个分区，3个消费者线程， 10/3 = 3，⽽且除不尽，那么消费者线程 C1-0将会多消费⼀个分区：C1-0 将消费 0, 1, 2, 3 分区；C2-0将消费 4,5,6分区；C3-0将消费 7,8,9分区。

假如我们有11个分区，那么最后分区分配的结果看起来是这样的：

C1-0将消费 0,1,2,3分区；
C2-0将消费 4,5,6,7分区；
C3-0 将消费 8, 9, 10 分区。

假如我们有2个主题(T1和T2)，分别有10个分区，那么最后分区分配的结果看起来是这样的：

C1-0 将消费 T1主题的 0, 1, 2, 3 分区以及 T2主题的 0, 1, 2, 3分区
C2-0将消费 T1主题的 4,5,6分区以及 T2主题的 4,5,6分区
C3-0将消费 T1主题的 7,8,9分区以及 T2主题的 7,8,9分区

这就可以看出，C1-0 消费者线程⽐其他消费者线程多消费了2个分区，这就是Range strategy的⼀个很明显的弊端。如下图所示，Consumer0、Consumer1 同时订阅了主题 A 和 B，可能造成消息分配不对等问题，当消费者组内订阅的主题越多，分区分配可能越不均衡。

1.6.1.2 RoundRobin

RoundRobin 轮询⽅式将所有分区作为⼀个整体进⾏ Hash 排序，消费者组内分配分区个数最⼤差别为 1，是按照组来分的，可以解决多个消费者消费数据不均衡的问题。

轮询分区策略是把所有partition和所有consumer线程都列出来，然后按照hashcode进⾏排序。最后通过轮询算法分配partition给消费线程。如果所有consumer实例的订阅是相同的，那么partition会均匀分布。

在上面的例⼦⾥⾯，假如按照 hashCode排序完的topic-partitions组依次为T1-5,T1-3,T1-0,T1-8,T1-2,T1-1,T1-4,T1-7,T1-6,T1-9，我们的消费者线程排序为C1-0,C1-1,C2-0,C2-1，最后分区分配的结果为：

C1-0将消费 T1-5,T1-2,T1-6分区；
C1-1将消费 T1-3,T1-1,T1-9分区；
C2-0将消费 T1-0,T1-4分区；
C2-1将消费 T1-8,T1-7分区。

图文不符。

但是，当消费者组内订阅不同主题时，可能造成消费混乱，如下图所示，Consumer0 订阅主题A，Consumer1 订阅主题 B。

将 A、B 主题的分区排序后分配给消费者组，TopicB 分区中的数据可能分配到 Consumer0 中。

因此，使⽤轮询分区策略必须满⾜两个条件：

每个主题的消费者实例具有相同数量的流；
每个消费者订阅的主题必须是相同的。

注意，其实对于生产者而言，可以自定义push但哪个分区中，也可以使用如hash等方法。

1.6.1.3 Sticky

前两种rebalance方式需要重新映射，代价较大，特别是由于rebalance期间会暂停服务，这就要求该过程尽量短。Sticky在没有rebalance时采用轮询方式，发生rebalance时，尽量保持原映射关系，只是改变与宕机相关的映射，依然采用轮询的方式。

1.6.2 可靠性保证

在前面ack保障消息到了broker之后，消费者也需要有⼀定的保证，因为消费者也可能出现某些问题导致消息没有消费到。

这里介绍一下偏移量。每个consumer内存里数据结构保存对每个topic的每个分区的消费offset，定期会提交offset，0.9版本以后，提交offset发送给kafka内部额外生成的一个topic：__consumer_offsets，提交过去的时候， key是group.id+topic+分区号，value就是当前offset的值，每隔一段时间，kafka内部会对这个topic进行compact(合并)，也就是每个group.id+topic+分区号就保留最新数据。

这里引入enable.auto.commit，默认为true，也就是⾃动提交offset，⾃动提交是批量执⾏的，有⼀个时间窗⼝，这种⽅式会带来重复提交或者消息丢失的问题，所以对于⾼可靠性要求的程序，要使⽤⼿动提交。对于⾼可靠要求的应⽤来说，宁愿重复消费也不应该因为消费异常⽽导致消息丢失。当然，我们也可以使用策略来避免消息的重复消费与丢失，比如使用事务，将offset与消息执行放在同一数据库中。

最后再简单介绍一个应用。kafka可以用在分布式延时队列中。创建一个额外的主题和一个定时进程，检测这个主题中是否有消息过期，过期后放在常规的消息队列中，消费者从这个常规的队列中获取消息来消费。

1.7 Kafka配额限速机制（Quotas）

生产者和消费者以极高的速度生产/消费大量数据或产生请求，从而占用broker上的全部资源，造成网络IO饱和。有了配额（Quotas）就可以避免这些问题。Kafka支持配额管理，从而可以对Producer和Consumer的produce&fetch操作进行流量限制，防止个别业务压爆服务器。

配额限速
- 可以限制Producer、Consumer的速率
- 防止Kafka的速度过快，占用整个服务器（broker）的所有IO资源

1.7.1 限制producer端速率

为所有client id设置默认值，以下为所有producer程序设置其TPS不超过1MB/s，即1048576‬/s，命令如下：

bin/kafka-configs.sh 
  --zookeeper bigdata-pro-m07:2181 
  --alter 
  --add-config 'producer_byte_rate=1048576' 
  --entity-type clients 
  --entity-default

运行基准测试，观察生产消息的速率

bin/kafka-producer-perf-test.sh 
  --topic test 
  --num-records 500000 
  --throughput -1 
  --record-size 1000 
  --producer-props bootstrap.servers=bigdata-pro-m07:9092,bigdata-pro-m08:9092,bigdata-pro-m09:9092 acks=1

结果：

50000 records sent, 1108.156028 records/sec (1.06 MB/sec)

1.7.2 限制consumer端速率

对consumer限速与producer类似，只不过参数名不一样。

为指定的topic进行限速，以下为所有consumer程序设置topic速率不超过1MB/s，即1048576/s。命令如下：

bin/kafka-configs.sh 
  --zookeeper bigdata-pro-m07:2181 
  --alter 
  --add-config 'consumer_byte_rate=1048576' 
  --entity-type clients 
  --entity-default

运行基准测试：

bin/kafka-consumer-perf-test.sh 
  --broker-list bigdata-pro-m07:9092,bigdata-pro-m08:9092,bigdata-pro-m09:9092 
  --topic test 
  --fetch-size 1048576 
  --messages 500000

结果为：

MB.sec：1.0743

1.7.3 取消Kafka的Quota配置

使用以下命令，删除Kafka的Quota配置

bin/kafka-configs.sh 
  --zookeeper bigdata-pro-m07:2181 
  --alter 
  --delete-config 'producer_byte_rate' 
  --entity-type clients 
  --entity-default bin/kafka-configs.sh 
  --zookeeper bigdata-pro-m07:2181 
  --alter 
  --delete-config 'consumer_byte_rate' 
  --entity-type clients 
  --entity-default