Kafka源码分析(四) - Server端-请求处理框架

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一. 总体结构

先给一张概览图：
在这里插入图片描述

服务端请求处理过程涉及到两个模块：kafka.network和kafka.server。

1.1 kafka.network

该包是kafka底层模块，提供了服务端NIO通信能力基础。

有4个核心类：SocketServer、Acceptor、Processor、RequestChannel。各自角色如下：

SocketServer：服务端的抽象，是服务端通信的入口；
Acceptor：Reactor通信模式中处理连接ACCEPT事件的线程/线程池所执行的任务；
Processor：Reactor通信模式中处理连接可读/可写事件的线程/线程池所执行的任务；
RequestChannel：请求队列，存储已经解析好的请求以等待处理；

对于上层模块而言，该基础模块有两个输入和一个输出

输入：IP+端口号，该模块会对目标端口实现监听；
输出：解析好的请求，通过RequestChannel进行输出；
输入：待发送的Response，通过Processor.responseQueue来完成输入；

1.2 kafka.server

该包在kafka.network的基础上实现各种请求的处理逻辑，主要包含KafkaServer和KafkaApis两个类。其中：

KafkaServer：Kafka服务端的抽象，统一维护Kafka服务端的各流程和状态；
KakfaApis：维护了各类请求对应的业务逻辑，通过KafkaServer.apis字段组合到KafkaServer之中；

二. Server的端口监听

整体流程如图：
在这里插入图片描述

接下来按调用顺序依次分析各方法

2.1 KafkaServer.startup()

关于端口监听的核心逻辑分4步，代码如下(用注释说明各部分的目的)：

def startup() {
  // 省略无关代码
  ... ...

  // 1. 创建SocketServer
  socketServer = new SocketServer(config, metrics, time, credentialProvider)

  // 2. 启动端口监听
  // (在这里完成了Acceptor的创建和端口ACCEPT事件的监听)
  // (startupProcessors = false表示暂不启动Processor处理线程)
  socketServer.startup(startupProcessors = false)

  // 3. 启动请求处理过程中的相关依赖
  // (这也是第2步中不启动Processor处理线程的原因，有依赖项需要处理)
  ... ...

  // 4. 启动端口可读/可写事件处理线程(即Processor线程)
  socketServer.startProcessors()

  // 省略无关代码
  ... ...
}

2.2 SocketServer.startup(Boolean)

代码及说明性注释如下：

def startup(startupProcessors: Boolean = true) {
  this.synchronized {
    // 省略无关代码
    ... ...

    // 1. 创建Accetpor和Processor的实例,
    // 同时页完成了Acceptor对端口ACCEPT事件的监听
    createAcceptorAndProcessors(config.numNetworkThreads, config.listeners)

    // 2. [可选]启动各Acceptor对应的Processor线程
    if (startupProcessors) {
      startProcessors()
    }
  }
}

2.3 ScocketServer.createAcceptorAndProcessor()

直接上注释版的代码，流程分3步：

// 入参解释
// processorsPerListener: 对于每个IP:Port, 指定Reactor模式子线程池大小, 
//                        即处理端口可读/可写事件的线程数(Processor线程);
// endpoints: 接收请求的IP:Port列表;
def createAcceptorAndProcessors(processorsPerListener: Int,
                                endpoints: Seq[EndPoint]): Unit = synchronized {
    // 省略无关代码
    ... ...

    endpoints.foreach { endpoint =>
      // 省略无关代码
      ... ...

      // 1. 创建Acceptor对象
      // 在此步骤中调用Acceptor.openServerSocket, 完成了对端口ACCEPT事件的监听
      val acceptor = new Acceptor(endpoint, sendBufferSize, recvBufferSize, brokerId, connectionQuotas)

      // 2. 创建了与acceptor对应的Processor对象列表
      // (这里并未真正启动Processor线程)
      addProcessors(acceptor, endpoint, processorsPerListener)

      // 3. 启动Acceptor线程
      KafkaThread.nonDaemon(s"kafka-socket-acceptor-$listenerName-$securityProtocol-${endpoint.port}", acceptor).start()

      // 省略无关代码
      ... ...
    }
  }

2.4 Acceptor.openServerSocket()

该方法中没什么特殊点，就是java NIO的标准流程：

def openServerSocket(host: String, port: Int): ServerSocketChannel = {
  // 1. 构建InetSocketAddress对象
  val socketAddress =
    if (host == null || host.trim.isEmpty)
      new InetSocketAddress(port)
    else
      new InetSocketAddress(host, port)

  // 2. 构建ServerSocketChannel对象, 并设置必要参数值
  val serverChannel = ServerSocketChannel.open()
  serverChannel.configureBlocking(false)
  if (recvBufferSize != Selectable.USE_DEFAULT_BUFFER_SIZE)
    serverChannel.socket().setReceiveBufferSize(recvBufferSize)

  // 3. 端口绑定, 实现事件监听
  try {
    serverChannel.socket.bind(socketAddress)
    info("Awaiting socket connections on %s:%d.".format(socketAddress.getHostString, serverChannel.socket.getLocalPort))
  } catch {
    case e: SocketException =>
      throw new KafkaException("Socket server failed to bind to %s:%d: %s.".format(socketAddress.getHostString, port, e.getMessage), e)
  }

  // 4. 返回ServerSocketChannel对象, 用于后续register到Selector中
  serverChannel
}

2.5 SocketServer.startProcessor()

从这步开始，仅剩的工作就是启动Processor线程，代码都非常简单。比如本方法只是遍历Acceptor列表，并调用Acceptor.startProcessors()

def startProcessors(): Unit = synchronized {
  acceptors.values.asScala.foreach { _.startProcessors() }
  info(s"Started processors for ${acceptors.size} acceptors")
}

2.6 Acceptor.startProcessors()

该方法很简明，直接上代码

def startProcessors(): Unit = synchronized {
  if (!processorsStarted.getAndSet(true)) {
    startProcessors(processors)
  }
}

def startProcessors(processors: Seq[Processor]): Unit = synchronized {
  processors.foreach { processor =>
    KafkaThread.nonDaemon(s"kafka-network-thread-$brokerId-${endPoint.listenerName}-${endPoint.securityProtocol}-${processor.id}",
      processor).start()
  }
}

三. 请求/响应的格式

3.1 格式概述

在这里插入图片描述
请求和响应都由两部分组成：Header和Body。RequestHeader中包含ApiKey、ApiVersion、CorrelationId、ClientId；ResponseHeader中只包含CorrelationId字段。接下来逐个讲解这些字段。

ApiKey

2字节整型，指明请求的类型；比如0代表Produce请求，1代表Fetch请求；具体id和请求类型之间的映射关系可在 org.apache.kafka.common.protocol.ApiKeys 中找到；
ApiVersion

随着API的升级迭代，各类型请求的请求体格式可能有变更；这个2字节的整型指明了请求体结构的版本；
CorrelationId

4字节整型，在Response中传回，Kafka Server端不处理，用于客户端内部关联业务数据；
ClientId

可变长字符串，标识客户端；

3.2 请求体/响应体的具体格式

各业务操作(比如Produce、Fetch等)对应的请求体和响应体格式都维护在 org.apache.kafka.common.protocol.ApiKeys 中。接下来以Produce为例讲解ApiKeys是如何表达数据格式的。

ApiKeys是个枚举类，其核心属性如下：

public enum ApiKeys {
  // 省略部分代码
  ... ...

  // 上文提到的请求类型对应的id
  public final short id;

  // 业务操作名称
  public final String name;

  // 各版本请求体格式
  public final Schema[] requestSchemas;

  // 各版本响应体格式
  public final Schema[] responseSchemas;

  // 省略部分代码
  ... ...
}

其中PRODUCE枚举项的定义如下

PRODUCE(0, "Produce", ProduceRequest.schemaVersions(), ProduceResponse.schemaVersions())

可以看到各版本的请求格式维护在 ProduceRequest.schemaVersions()，代码如下

public static Schema[] schemaVersions() {
  return new Schema[] {PRODUCE_REQUEST_V0, PRODUCE_REQUEST_V1, PRODUCE_REQUEST_V2, PRODUCE_REQUEST_V3,
    PRODUCE_REQUEST_V4, PRODUCE_REQUEST_V5, PRODUCE_REQUEST_V6};
}

这里只是简单返回了一个Schema数组。一个Schema对象代表了一种数据格式。请求头中的ApiVersion指明了请求体的格式对应数组的第几项(从0开始)。

接下来我们看看Schema是如何表达数据格式的。其结构如下
在这里插入图片描述
Schema有两个字段：fields和fieldsByName。其中fields是体现数据格式的关键，它指明了字段的排序和各字段类型；而fieldsByName只是按字段名重新组织的Map，用于根据名称查找对应字段。

BoundField只是Field的简单封装。Field有两个核心字段：name和type。其中name表示字段名称，type表示字段类型。常见的Type如下：

Type.BOOLEAN;
Type.INT8;
Type.INT16;
Type.INT32;

// 可通过org.apache.kafka.common.protocol.types.Type查看全部类型
... ...

回到PRODUCE API，通过查看Schema的定义，能看到其V0版本的请求体和响应体的结构如下：
在这里插入图片描述

四. 请求的处理流程

在这里插入图片描述

Acceptor监听到ACCEPT事件(TCP创建连接"第一次握手"的SYN)；
Acceptor将将连接注册到Processor列表内的其中一个，由该Processor监听这个连接的后续可读可写事件；
Processor接收到完整请求后，会将Request追加到RequestChannel中进行排队，等待后续处理；
KafkaServer中有个requestHandlerPool的字段，KafkaRequestHandlerPool类型，代表请求处理线程池；KafkaRequestHandler就是其中的线程，会从RequestChannel拉请求进行处理；
KafkaRequestHandler将拉到的Request传入KafkaApis.handle(Request)方法进行处理；

KafkaApis根据不同的ApiKey调用不同的方法进行处理，处理完毕后会将Response最终写入对应的Processor的ResponseQueue中等待发送；KafkaApis.handle(Request)的方法结构如下：

def handle(request: RequestChannel.Request) {
  try {
    // 省略部分代码
    ... ...
    request.header.apiKey match {
      case ApiKeys.PRODUCE => handleProduceRequest(request)
      case ApiKeys.FETCH => handleFetchRequest(request)
      case ApiKeys.LIST_OFFSETS => handleListOffsetRequest(request)
      case ApiKeys.METADATA => handleTopicMetadataRequest(request)
      case ApiKeys.LEADER_AND_ISR => handleLeaderAndIsrRequest(request)
      // 省略部分代码
      ... ...
    }
  } catch {
    case e: FatalExitError => throw e
    case e: Throwable => handleError(request, e)
  } finally {
    request.apiLocalCompleteTimeNanos = time.nanoseconds
  }
}