这是我的第104篇原创文章

问题由来

在使用kafka时，创建topic，对某个topic进行扩分区的操作，想必大家肯定都使用过。尤其是集群进行扩容时，对流量较大的topic进行扩分区操作。一般而言，期望的效果是：新扩的分区分布到新的broker节点上，这样才能达到均衡流量分摊broker压力。

然而，我们在实际使用过程中发现，在一种场景下，原生的代码逻辑中，对topic分区进行扩容后，新增的分区并没有分配到新的节点上，即新增的分区和老的分区仍旧位于扩容前的broker节点上，导致这个节点压力反而变大，引发生产者发送超时等问题，本文就这个问题进行分析。

问题产生的步骤

我们先来看下问题出现的操作步骤与现象，在具有3个broker的集群环境中，分别通过自带脚本（kafka-topics.sh）和adminClient的接口创建一个分区数为2、副本因子为1的topic，然后再扩容到3分区，此后查看topic分区的分布情况。

通过接口操作的情况如下所示：

通过脚本操作的情况如下所示：

从图中可以直观的看到通过接口创建的topic，在扩容分区后，新增的2号分区的leader与老的1号分区的leader位于同一个broker节点上，而不是像脚本操作的一样，3个分区的leader分别位于3个broker节点上。

两种操作方式的区别

由于扩分区的操作都是一样的，那为什么不同的创建的方式，在进行扩容后就有了不同的结果呢？我们还是先来看下两种创建topic方式的逻辑。

对于通过脚本创建topic的处理逻辑为：

• 通过zk客户端获取当前集群的所有broker

• 根据topic创建的参数，进行topic分区副本的分配

• 通过zk客户端，将topic分区副本信息写入zookeeper

• kafka broker的controller监听zk并感知其变化，然后根据分区副本的分布情况向对应broker发送请求完成topic分区的创建

关键代码如下所示：

对于通过接口创建topic的处理逻辑为：

• 客户端向broker发送CREATE_TOPIC的请求

• broker接收到请求后，从元数据缓存中获取当前集群的所有broker

• 根据topic创建的参数，进行topic分区副本的分配

• 通过zk客户端，将topic分区副本信息写入zookeeper

• kafka broker的controller监听zk并感知其变化，然后根据分区副本的分布情况向对应broker发送请求完成topic分区的创建

两种方式本质上的处理都是一样的，即进行topic分区副本的分配，并将这个信息写入zookeeper，然后由controller完成真正的创建逻辑。只不过一个是在客户端侧完成，一个是向broker发送请求，在broker侧完成。

分区副本分配逻辑

既然两种创建topic的方式，其处理逻辑是一样的，那怎么进行扩分区操作后，就不一样了呢？我们再来看下扩分区的处理逻辑。其流程其实和创建topic是一样的，先获取集群所有broker的信息，然后对新增的分区进行broker的分配，最后将完整信息写入zookeeper，broker的controller监听感知信息的变化后，向对应的broker节点发送请求完成分区的新增动作。

值得注意的是：这里对新增分区进行broker分配时，与创建topic时分区的broker分配，调用的是同一个方法：AdminUtils的assignReplicasToBrokers方法，我们来仔细分析下这个函数。

private def assignReplicasToBrokersRackUnaware(
    // 需要分配的分区个数
    nPartitions: Int,
    // 副本因子
    replicationFactor: Int,
    // 集群broker列表
    brokerList: Seq[Int],
    // 分配的起始ID
    fixedStartIndex: Int,
    // 起始分区ID
    startPartitionId: Int): Map[Int, Seq[Int]] = {
    val ret = mutable.Map[Int, Seq[Int]]()
    val brokerArray = brokerList.toArray
    // 如果起始ID非0, 则以传入的为准, 否则从broker集群中随机挑选一个作为起始分配
    val startIndex = 
        if (fixedStartIndex >= 0) 
            fixedStartIndex 
        else 
            rand.nextInt(brokerArray.length)
    // 起始分配的分区ID
    // 对于创建topic而言, startPartitionId的值为-1, 因此分区是从0开始分配
    // 而对于新增分区而言, startPartitionId为当前topic实际分区的个数, 因此已存在的分区是不会再次分配的
    var currentPartitionId = math.max(0, startPartitionId)
    var nextReplicaShift = 
        if (fixedStartIndex >= 0) 
            fixedStartIndex 
        else 
            rand.nextInt(brokerArray.length)
    // 分区副本分配
    for (_ <- 0 until nPartitions) {
        if (currentPartitionId > 0 && (currentPartitionId % brokerArray.length == 0))
            nextReplicaShift += 1
        // 分区首个副本的 brokerID
        val firstReplicaIndex = (currentPartitionId + startIndex) % brokerArray.length
        val replicaBuffer = mutable.ArrayBuffer(brokerArray(firstReplicaIndex))
        for (j <- 0 until replicationFactor - 1)
            replicaBuffer += brokerArray(replicaIndex(firstReplicaIndex, nextReplicaShift, j, brokerArray.length))
        // 新分区的副本情况
        ret.put(currentPartitionId, replicaBuffer)
        currentPartitionId += 1
    }
    ret
}

这个函数为了能同时适用于创建topic和新增topic分区，巧妙的利用了fixedStartIndex和startPartitionId两个参数。

创建topic调用时，fixedStartIndex的值为 -1，即随机挑选一个broker作为起始分配，startPartitionId的值也为-1，因此分区副本是从0开始分配。在分配的时候，随分区的递增，brokerID也进行循环递增，这样可以保证分区副本是尽可能均匀分布在broker中的。

而扩分区调用时，fixedStartIndex为当前topic首个分区副本的brokerID，startPartitionId为当前topic实际分区的个数，这样一来，已经存在的分区不会再次进行分配，即仅对新增的分区进行分配；同时结合fixedStartIndex字段，保证分区分配逻辑是延续创建topic时的分配逻辑，达到分区副本的在broker集群中均衡分布的效果。

举个例子来说明下：在有5个节点的集群中，创建分区数为2、副本因子为1的topic，假设首个分区随机挑选的brokerID为3，那么分区副本的分配结果为："{0,[3]},{1,[4]}"；此后将分区数扩到5个，根据上面的代码分析，fixedStartIndex参数的值为3、startPartitionId的值为2，这样，这个函数得到的结果就是"{2,[0]},{3,[1]},{4,[2]}"。

罪魁祸首

从上面的分析来看，逻辑上都没有问题，但为什么就出现了不符合预期的现象呢？通过断点调试分析，我们发现了一个细节。

在用脚本创建topic和扩分区时，assignReplicasToBrokers函数的入参brokerList都是有序排列的

从代码中也可以证实这一点。

然而，通过接口创建topic时，入参的brokerList是无序的！

这样一来，前后两个操作的顺序不一致也就导致出现了这个问题。

回头再看文章开头的那个图，其实可以看出端倪，通过接口创建的topic的两个分区分布为：

分区号	副本所在的brokerID
0	1
1	0

从代码可以反推出，这里传入的broker列表是无序的：[1,0,2]，扩分区时，fixedStartIndex的值为1，startPartitionId为2，同时这里传入的broker列表又是有序的，即[0,1,2]，根据分配逻辑取broker数组的第 （1+2）%3=0位，即0，这样分区2就又分配到0号broker上了。

从上面断点的图中可以看到，broker侧在处理创建topic的请求时，brokerList是直接从元数据缓存中获取的，而这个元数据缓存是根据controller来更新的。

从代码逻辑可以分析出：controller被选举出来后首次初始化时触发的元数据更新，无法保证broker的有序，同样，随着broker可能的上下线引起的元数据更新也无法保证broker的有序（这里就不再贴相关的代码了，感兴趣的可以自行看下源码）。

小结

本文通过分析集群扩容，同时对topic进行扩分区操作，新扩的分区没有分布到新的broker节点上这一问题现象进行分析，最后发现是由于创建topic时broker列表没有按ID排序，而扩分区操作时broker列表又是按ID排序，两次操作时的broker列表顺序不一致导致出现该问题。

另外，在分析过程中，我们发现kafka-topics.sh脚本可以是指定--zookeeper参数，或者是--bootstrap-server参数。如果指定--bootstrap-server参数的话，等同于通过调用接口完成相关逻辑，也就是会遇到上面提到的问题。

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