【Kafka】高级特性：生产者

消息发送

消息生产流程

在这里插入图片描述

整个流程如下：

Producer创建时，会创建一个Sender线程并设置为守护线程。
生产消息时，内部其实是异步流程；生产的消息先经过拦截器->序列化器->分区器，然后将消息缓存在缓冲区（该缓冲区也是在Producer创建时创建）。
批次发送的条件为：缓冲区数据大小达到batch.size或者linger.ms达到上限，哪个先达到就算哪个。
批次发送后，发往指定分区，然后落盘到broker；如果生产者配置了retrires参数大于0并且失败原因允许重试，那么客户端内部会对该消息进行重试。
落盘到broker成功，返回生产元数据给生产者。
元数据返回有两种方式：一种是通过阻塞直接返回，另一种是通过回调返回。

ProducerRecord

在生产发送消息前，会将信息封装成ProducerRecord对象。主要由以下几部分组成：

private final String topic;
private final Integer partition;
private final Headers headers;
private final K key;
private final V value;
private final Long timestamp;

其中主要有要发送的Topic名称，要发送至那个分区，以及要发送的数据和key。

其他的都比较好理解，key的作用是如果key存在的话，就会对key进行hash，然后根据不同的结果发送至不同的分区，这样当有相同的key时，所有相同的key都会发送到同一个分区，我们之前也提到，所有的新消息都会被添加到分区的尾部，进而保证了数据的顺序性。

序列化器

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由于Kafka中的数据都是字节数组，在将消息发送到Kafka之前需要先将数据序列化为字节数组。

序列化器的作用就是用于序列化要发送的消息的。

Kafka使用org.apache.kafka.common.serialization.Serializer 接口用于定义序列化器，将泛型指定类型的数据转换为字节数组，如下：

public interface Serializer<T> extends Closeable {
    default void configure(Map<String, ?> configs, boolean isKey) {
    }

    byte[] serialize(String var1, T var2);

    default byte[] serialize(String topic, Headers headers, T data) {
        return this.serialize(topic, data);
    }

    default void close() {
    }
}

其中kafka提供了许多实现类。

在这里插入图片描述

除了上述提供的，还可以自定义序列化器，只要实现Serializer接口即可。

假如我们有如下实体类：

public class User {
    private Integer userId;
    private String username;

    public Integer getUserId() {
        return userId;
    }

    public void setUserId(Integer userId) {
        this.userId = userId;
    }

    public String getUsername() {
        return username;
    }

    public void setUsername(String username) {
        this.username = username;
    }
}

序列化类：

import com.lagou.kafka.demo.entity.User;
import org.apache.kafka.common.errors.SerializationException; 
import org.apache.kafka.common.serialization.Serializer; 
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.nio.Buffer; 
import java.nio.ByteBuffer; 
import java.util.Map;


public class UserSerializer implements Serializer<User> {
    @Override
    public void configure(Map<String, ?> configs, boolean isKey) {
        // do nothing
    }

    @Override
    public byte[] serialize(String topic, User data) {
        try {
            // 如果数据是null，则返回null 
            if (data == null) return null;
            Integer userId = data.getUserId();
            String username = data.getUsername();
            int length = 0;
            byte[] bytes = null;
            if (null != username) {
                bytes = username.getBytes("utf-8");
                length = bytes.length;
            }
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4 + 4 + length);
            buffer.putInt(userId);
            buffer.putInt(length);
            buffer.put(bytes);
            return buffer.array();
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            throw new SerializationException("序列化数据异常");
        }
    }

    @Override
    public void close() {
        // do nothing
    }
}

分区器

在这里插入图片描述

分区器来计算消息该发送到哪个分区中。

默认（DefaultPartitioner）分区计算：

如果record提供了分区号，则使用record提供的分区号
如果record没有提供分区号，则使用key的序列化后的值的hash值对分区数量取模
如果record没有提供分区号，也没有提供key，则使用轮询的方式分配分区号。

也可以自定义分区器，需要

首先开发Partitioner接口的实现类
在KafkaProducer中进行设置：configs.put(“partitioner.class”, “xxx.xx.Xxx.class”)

拦截器

在这里插入图片描述

Producer拦截器（interceptor）和Consumer端Interceptor是在Kafka 0.10版本被引入的，主要用于实现Client端的定制化控制逻辑。

对于Producer而言，Interceptor使得用户在消息发送前以及Producer回调逻辑前有机会对消息做一些定制化需求，比如修改消息等。同时，Producer允许用户指定多个Interceptor按序作用于同一条消息从而形成一个拦截链(interceptor chain)。

注意拦截器发生异常抛出的异常会被忽略；此外，也要注意一种情况：如果某个拦截器依赖上一个拦截器的结果，但是当上一个拦截器异常，则该拦截器可能也不会正常工作，因为他接受到的是上一个成功返回的结果，而不是期望的上一个拦截器结果。

Intercetpor的实现接口是org.apache.kafka.clients.producer.ProducerInterceptor，其定义的方法包括：

onSend(ProducerRecord)：该方法封装进KafkaProducer.send方法中，即运行在用户主线程中。Producer确保在消息被序列化以计算分区前调用该方法。用户可以在该方法中对消息做任何操作，但最好保证不要修改消息所属的topic和分区，否则会影响目标分区的计算。
onAcknowledgement(RecordMetadata, Exception)：该方法会在消息被应答之前或消息发送失败时调用，并且通常都是在Producer回调逻辑触发之前。onAcknowledgement运行在Producer的IO线程中，因此不要在该方法中放入很重的逻辑，否则会拖慢Producer的消息发送效率。
close：关闭Interceptor，主要用于执行一些资源清理工作。

如前所述，Interceptor可能被运行在多个线程中，因此在具体实现时用户需要自行确保线程安全。另外倘若指定了多个Interceptor，则Producer将按照指定顺序调用它们。

自定义拦截器步骤：

实现ProducerInterceptor接口
在KafkaProducer的设置中设置自定义的拦截器

案例：

消息实体类：

public class User {
    private Integer userId;
    private String username;

    public Integer getUserId() {
        return userId;
    }

    public void setUserId(Integer userId) {
        this.userId = userId;
    }

    public String getUsername() {
        return username;
    }

    public void setUsername(String username) {
        this.username = username;
    }
}

还是用上面的序列化器。

自定义拦截器1：

import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerInterceptor;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import org.apache.kafka.clients.producer.RecordMetadata;
import org.apache.kafka.common.header.Headers;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.util.Map;

public class InterceptorOne implements ProducerInterceptor<Integer, String> {

    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(InterceptorOne.class);

    @Override
    public ProducerRecord<Integer, String> onSend(ProducerRecord<Integer, String> record) {
        System.out.println("拦截器1 -- go");


        // 消息发送的时候，经过拦截器，调用该方法

        // 要发送的消息内容
        final String topic = record.topic();
        final Integer partition = record.partition();
        final Integer key = record.key();
        final String value = record.value();
        final Long timestamp = record.timestamp();
        final Headers headers = record.headers();


        // 拦截器拦下来之后根据原来消息创建的新的消息
        // 此处对原消息没有做任何改动
        ProducerRecord<Integer, String> newRecord = new ProducerRecord<Integer, String>(
                topic,
                partition,
                timestamp,
                key,
                value,
                headers
        );
        // 传递新的消息
        return newRecord;
    }

    @Override
    public void onAcknowledgement(RecordMetadata metadata, Exception exception) {
        System.out.println("拦截器1 -- back");
        // 消息确认或异常的时候，调用该方法，该方法中不应实现较重的任务
        // 会影响kafka生产者的性能。
    }

    @Override
    public void close() {

    }

    @Override
    public void configure(Map<String, ?> configs) {
        final Object classContent = configs.get("classContent");
        System.out.println(classContent);
    }
}

自定义拦截器2：

import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerInterceptor;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import org.apache.kafka.clients.producer.RecordMetadata;
import org.apache.kafka.common.header.Headers;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.util.Map;

public class InterceptorTwo implements ProducerInterceptor<Integer, String> {

    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(InterceptorTwo.class);

    @Override
    public ProducerRecord<Integer, String> onSend(ProducerRecord<Integer, String> record) {
        System.out.println("拦截器2 -- go");


        // 消息发送的时候，经过拦截器，调用该方法

        // 要发送的消息内容
        final String topic = record.topic();
        final Integer partition = record.partition();
        final Integer key = record.key();
        final String value = record.value();
        final Long timestamp = record.timestamp();
        final Headers headers = record.headers();


        // 拦截器拦下来之后根据原来消息创建的新的消息
        // 此处对原消息没有做任何改动
        ProducerRecord<Integer, String> newRecord = new ProducerRecord<Integer, String>(
                topic,
                partition,
                timestamp,
                key,
                value,
                headers
        );
        // 传递新的消息
        return newRecord;
    }

    @Override
    public void onAcknowledgement(RecordMetadata metadata, Exception exception) {
        System.out.println("拦截器2 -- back");
        // 消息确认或异常的时候，调用该方法，该方法中不应实现较重的任务
        // 会影响kafka生产者的性能。
    }

    @Override
    public void close() {

    }

    @Override
    public void configure(Map<String, ?> configs) {
        final Object classContent = configs.get("classContent");
        System.out.println(classContent);
    }
}

正常那个运行会打印：

拦截器1 -- go
拦截器2 -- go
拦截器1 -- back
拦截器2 -- back

即发送和回调都是按照链的顺序正序来的。

生产者原理剖析

kafka整个消息发送流程如下图：

在这里插入图片描述

生产消息的所有工作分给了2个线程协作完成：一个是主线程（负责消息的预处理），第二个是发送线程（sender线程负责将发送消息以及接受发送的结果）。

主线程

主线程：负责消息创建，拦截器，序列化器，分区器等操作，并将消息追加到消息收集器消息累加器（RecoderAccumulator）中。

消息累加器

参考：https://mp.weixin.qq.com/s/n8iCJWA13Xz-haZnB8zYFg

消息累加器的作用是缓存消息以便sender线程可以批量发送，进而减少网络传输的资源消耗提升性能。

消息累加器的缓存大小可以通过生产者参数 buffer.memory 配置，默认为32MB。

若主线程发送消息的速度超过sender线程发送消息的速度，会导致消息累加器被填满，这时候再调用生产者客户端的send方法会被阻塞，若阻塞超过60秒（由参数max.block.ms控制），则会抛出异常 BufferExhaustedException 。

消息收集器RecoderAccumulator为每个分区都维护了一个Deque<ProducerBatch> 类型的双端队列。

ProducerBatch 可以理解为是 ProducerRecord 的集合，批量发送有利于提升吞吐量，降低网络影响。

主线程发送的数据由这样的结构保存：首先按照 Topic 进行划分，每个 Topic 会有一个 Map（key：Topic，value：TopicInfo）；之后，按照分区进行划分，TopicInfo 里也有一个 Map（key：分区号，value：Deque<ProducerBatch>），每个双端队列会保存多个消息批次。当有消息发送时，会从对应 Topic 、对应分区的双端队列的尾部取出一个批次，判断是否可以将消息追加到后面。这种结构的目的在于：

使用字节将更加紧凑，节约空间
多个小的消息组成一个批次一起发送，减少网络请求次数提升吞吐量。因为 sender 线程发送消息的基本单位也是批次，它会从双端队列的头部取数据发送。

ProducerBatch 的大小与 batch.size 参数（默认16KB）密切相关。此外，Kafka 生产者使用 BufferPool 实现 ByteBuffer 从而实现对内存的复用。该缓存池只针对特定大小（ batch.size指定）的 ByteBuffer进行管理，对于消息过大的缓存，不能做到重复利用。

消息累加器的基本结构如下图所示，红色+绿色区域总大小32MB，一个池中单位 ByteBuffer 大小16KB。

在这里插入图片描述

假设刚启动新插入一条消息，对应的 Topic 、对应的 Deque<ProducerBatch> 为空，这时执行allocate方法尝试开辟空间，方法主要过程如下：

如果申请空间的大小大于最大空间（buffer.memory 默认32MB），则直接抛出异常；
操作缓存池之前尝试获取可重入锁，若获取的空间（size）正好等于每个批次预设大小（batch.size 默认16KB），则直接从Deque<ByteBuffer>中取出第一个 ByteBuffer 返回；
若获取的空间（size）大于批次预设大小，计算剩余的空闲空间，即池中空闲空间+池外空闲空间（nonPooledAvailableMemory）。如果剩余的空闲空间大于size，则进行第4步；如果小于size，则进行第5步；
直接使用池外空闲空间分配，若不够再取池内空闲空间，最后返回。
将当前线程加入到等待队列（waiters）的尾部，如果等待超时也没有足够的空间，则抛出异常；若中途被唤醒，则进行下一步；
中途唤醒后有两种情况，当释放的空间正好等于一个批次大小且自己没有累计获得空间，则获取后返回；否则累计获取释放空间，满足后才会返回。

发送线程

sender 线程从消息累加器获取准备好可以发送消息（等待时候是否超过linger.ms参数设置的时间、或批次个数大于1或第一个批次已满）后，就可以准备消费消息了：

遍历每个 Topic 下的分区批次，根据分区 leader，将其处理为 <Node, List<ProducerBatch> 的形式， Node 表示集群的broker节点。
进一步将<Node, List<ProducerBatch>转化为<Node, Request>形式，此时才可以向服务端发送数据。
在发送之前，Sender线程将消息以 Map<NodeId, Deque<Request>> 的形式保存到InFlightRequests 中进行缓存，可以通过其获取 leastLoadedNode ，即当前Node中负载压力最小的一个，以实现消息的尽快发出。保存到InFlightRequests 中的目的是缓存已经发出去但没收到响应的请求，NodeId 对应一个 broker 节点 id ，也就是一个连接，每个连接最多堆积的未完成请求为5个（max.in.flight.requests.per.connection参数配置）。

生产者参数

除了前面说过的必要的5个参数，如下：

bootstrap.servers：配置生产者如何与broker建立连接。该参数设置的是初始化参数。如果生产者需要连接的是Kafka集群，则这里配置集群中几个部分broker的地址，而不是全部，当生产者连接上此处指定的broker之后，在通过该连接发现集群中的其他节点。
key.serializer：要发送信息的key数据的序列化类。设置的时候可以写类名，也可以使用该类的Class对象。
value.serializer：要发送消息的value数据的序列化类。设置的时候可以写类名，也可以使用该类的Class对象。
acks：默认值：all。
- acks=0：生产者不等待broker对消息的确认，只要将消息放到缓冲区，就认为消息已经发送完成。该情形不能保证broker是否真的收到了消息，retries配置也不会生效。发送的消息的返回的消息偏移量永远是-1。
- acks=1：表示消息只需要写到主分区即可，然后就响应客户端，而不等待副本分区的确认。在该情形下，如果主分区收到消息确认之后就宕机了，而副本分区还没来得及同步该消息，则该消息丢失。
- acks=all：leader分区会等待所有的ISR副本分区确认记录。该处理保证了只要有一个ISR副本分区存活，消息就不会丢失。这是Kafka最强的可靠性保证，等效于 acks=-1。
retries：retries重试次数。当消息发送出现错误的时候，系统会重发消息。跟客户端收到错误时重发一样。如果设置了重试，还想保证消息的有序性，需要设置MAX_IN_FLIGHT_REQUESTS_PER_CONNECTION=1，否则在重试此失败消息的时候，其他的消息可能发送成功了。

还有一些比较重要的参数：

client.id ：生产者发送请求的时候传递给broker的id字符串。用于在broker的请求日志中追踪什么应用发送了什么消息。一般该id是跟业务有关的字符串。
retry.backoff.ms ：在向一个指定的主题分区重发消息的时候，重试之间的等待时间。比如3次重试，每次重试之后等待该时间长度，再接着重试。在一些失败的场景，避免了密集循环的重新发送请求。 long型值，默认100。
request.timeout.ms ：客户端等待请求响应的最大时长。如果服务端响应超时，则会重发请求，除非达到重试次数。该设置应该比 replica.lag.time.max.ms 要大，以免在服务器延迟时间内重发消息。int类型值，默认： 30000。
buffer.memory ：生产者可以用来缓存等待发送到服务器的记录的总内存字节。如果记录的发送速度超过了将记录发送到服务器的速度，则生产者将阻塞 max.block.ms 的时间，此后它将引发异常。此设置应大致对应于生产者将使用的总内存，但并非生产者使用的所有内存都用于缓冲。一些额外的内存将用于压缩（如果启用了压缩）以及维护运行中的请求。long型数据。默认值：33554432。
batch.size ：当多个消息发送到同一个分区的时候，生产者尝试将多个记录作为一个批来处理。批处理提高了客户端和服务器的处理效率。该配置项以字节为单位控制默认批的大小。所有的批小于等于该值。发送给broker的请求将包含多个批次，每个分区一个，并包含可发送的数据。如果该值设置的比较小，会限制吞吐量（设置为0会完全禁用批处理）。如果设置的很大，又有一点浪费内存，因为Kafka会永远分配这么大的内存来参与到消息的批整合中。
linger.ms：该配置设置了一个延迟，生产者不会立即将消息发送到broker，而是等待这么一段时间以累积消息，然后将这段时间之内的消息作为一个批次发送。该设置是批处理的另一个上限：一旦批消息达到了 batch.size 指定的值，消息批会立即发送，如果积累的消息字节数达不到 batch.size 的值，可以设置该毫秒值，等待这么长时间之后，也会发送消息批。该属性默认值是0（没有延迟）。如果设置 linger.ms=5 ，则在一个请求发送之前先等待5ms。long型值，默认：0。
max.request.size ：单个请求的最大字节数。该设置会限制单个请求中消息批的消息个数，以免单个请求发送太多的数据。服务器有自己的限制批大小的设置，与该配置可能不一样。int类型值，默认1048576。
interceptor.classes ：指定在生产者接收到该消息，向Kafka集群传输之前，由序列化器处理之前，配置的拦截器对消息进行处理。
partitioner.class ：实现了接口 org.apache.kafka.clients.producer.Partitioner 的分区器实现类，默认为DefaultPartitioner。
send.buffer.bytes ：TCP发送数据的时候使用的缓冲区（SO_SNDBUF）大小。如果设置为0，则使用操作系统默认的。
receive.buffer.bytes：TCP接收缓存（SO_RCVBUF），如果设置为-1，则使用操作系统默认的值。 int类型值，默认32768。
security.protocol ：跟broker通信的协议：PLAINTEXT, SSL, SASL_PLAINTEXT, SASL_SSL。string类型值，默认：PLAINTEXT。
max.block.ms：控制 KafkaProducer.send() 和 KafkaProducer.partitionsFor() 阻塞的时长。当缓存满了或元数据不可用的时候，这些方法阻塞。在用户提供的序列化器和分区器的阻塞时间不计入。long型值，默认：60000。
connections.max.idle.ms：当连接空闲时间达到这个值，就关闭连接。long型数据，默认：540000
max.in.flight.requests.per.connection ：单个连接上未确认请求的最大数量。达到这个数量，客户端阻塞。如果该值大于1，且存在失败的请求，在重试的时候消息顺序不能保证。 int类型值，默认5。
reconnect.backoff.max.ms：对于每个连续的连接失败，每台主机的退避将成倍增加，直至达到此最大值。在计算退避增量之后，添加20％的随机抖动以避免连接风暴。 long型值，默认1000。
reconnect.backoff.ms ：尝试重连指定主机的基础等待时间。避免了到该主机的密集重连。该退避时间应用于该客户端到broker的所有连接。 long型值，默认50。
compression.type ：生产者发送的所有数据的压缩方式。默认是none，也就是不压缩。支持的值：none、gzip、snappy和lz4。压缩是对于整个批来讲的，所以批处理的效率也会影响到压缩的比例。