Kafka 之顺序消息

news2024/12/29 11:07:16

前言：

在分布式消息系统中，消息的顺序性是一个重要的问题，也是一个常见的业务场景，那 Kafka 作为一个高性能的分布式消息中间件，又是如何实现顺序消息的呢？本篇我们将对 Kafka 的顺序消息展开讨论。

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顺序消息的使用场景

顺序消息的使用场景众多，这里我简单列举几个如下：

  • 即时消息中的单对单聊天和群聊，保证发送方消息发送顺序与接收方的顺序一致。
  • 电商中下单后，订单创建、支付、订单发货和物流更新的顺序性。
  • 手机充值过程中的扣款短信和重置成功的短信应该有顺序性。
  • 。。。。等等等场景。

Kafka 如何保证消息的顺序性

讨论 Kafka 消息的顺序性，需要分单分区和多分区来讨论，具体如下：

  • 单分区：单分区的消息顺序性相对简单，因为消息在单分区中是相对有序的，只需要保证消息发送顺序和消费顺序即可。
  • 多分区：多分区要保证消息有序，就需要额外的设计来保证消息全局有序了。

根据上面的简单分析，我们知道 Kafka 单分区的消息有序相对简单，接下来我们分析一下 Kafka 如何保证单分区消息有序。

Kafka 如何保证单分区消息有序

Kafka 保证单分区消息有序需要从两个方面来讲，一个是消息生产者，一个是消息消费者，具体如下：

消息生产者：

  • 使用相同的分区键（Partition Key）：生产者发送消息时，指定相同的分区键，使得所有消息都发送到同一个分区。
  • 指定消息 key，如果没有指定分区，我们指定一个相同的消息 Key，Kafka 会根据 Key 进行 Hash 计算出一个分区号，如果消息的 Key 相同，那么也会计算一个相同的分区号，消息也会发送到同一个分区了。
  • 自定义分区器：如果想要实现更复杂的分区逻辑，可以实现自定义分区器，来达到消息最终到达同一个分区。

消息消费者：

生产这已经保证了消费的发送有序，因此消息消费者使用单线程消费即可。

Kafka 顺序消息实现案例

上面我们对 Kafka 顺序消息的实现做了基本分析，下面我们就使用代码来实现 Kafka 的顺序消息。

Kafka 顺序消息 Producer

在 Producer 中分别实现了两种顺序消息的方式，分别是指定分区和指定 Key，具体代码如下：

package com.order.service.kafka.producer;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.kafka.core.KafkaTemplate;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.util.concurrent.ExecutionException;

/**
 * @ClassName： MyKafkaOrderlyProducer
 * @Author: Author
 * @Date: 2024/10/22 19:22
 * @Description: 顺序消息发送者
 */
@Slf4j
@Component
public class MyKafkaOrderlyProducer {

    @Autowired
    private KafkaTemplate<String, String> kafkaTemplate;


    //指定分区
    public void sendOrderlyByPartitionMessage() {
        try {
            this.kafkaTemplate.send("my-topic", 1, null, "Partition--订单666创建").get();
            this.kafkaTemplate.send("my-topic", 1, null, "Partition--订单666支付").get();
            this.kafkaTemplate.send("my-topic", 1, null, "Partition--订单666发货").get();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //指定 key
    public void sendOrderlyByKeyMessage() {
        try {
            this.kafkaTemplate.send("my-topic", "666", "Key--订单666创建").get();
            this.kafkaTemplate.send("my-topic", "666", "Key--订单666支付").get();
            this.kafkaTemplate.send("my-topic", "666", "Key--订单666发货").get();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

在 Producer 代码中我们使用了 Kafka 的同步发送消息。

Kafka 顺序消息 Consumer

顺序消息的消费者代码十分简单，还是使用 @KafkaListener 完成消息消费，注意是单线程消费即可。

package com.order.service.kafka.consumer;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.kafka.annotation.KafkaListener;
import org.springframework.stereotype.Component;

/**
 * @ClassName： MyKafkaConsumer
 * @Author: zhangyong
 * @Date: 2024/10/22 19:22
 * @Description: MyKafkaOrderlyConsumer
 */
@Slf4j
@Component
public class MyKafkaOrderlyConsumer {

    @KafkaListener(id = "my-kafka-order-consumer",
            groupId = "my-kafka-consumer-groupId",
            topics = "my-topic",
            containerFactory = "myContainerFactory")
    public void listen(String message) {
        log.info("消息消费成功消息内容:{}", message);
    }

}

Kafka 顺序消息发送消费验证

验证指定分区情况下的顺序消息：

2024-10-28 20:55:18.495  INFO 24876 --- [-consumer-1-C-1] c.o.s.k.consumer.MyKafkaOrderlyConsumer  : 消息消费成功消息内容:Partition--订单666创建
2024-10-28 20:55:18.599  INFO 24876 --- [-consumer-1-C-1] c.o.s.k.consumer.MyKafkaOrderlyConsumer  : 消息消费成功消息内容:Partition--订单666支付
2024-10-28 20:55:18.704  INFO 24876 --- [-consumer-1-C-1] c.o.s.k.consumer.MyKafkaOrderlyConsumer  : 消息消费成功消息内容:Partition--订单666发货

消息是按照发送顺序来消费的，结果符合预期。

验证指定 Key 情况下的顺序消息：

2024-10-28 20:56:13.238  INFO 24876 --- [-consumer-0-C-1] c.o.s.k.consumer.MyKafkaOrderlyConsumer  : 消息消费成功消息内容:Key--订单666创建
2024-10-28 20:56:13.341  INFO 24876 --- [-consumer-0-C-1] c.o.s.k.consumer.MyKafkaOrderlyConsumer  : 消息消费成功消息内容:Key--订单666支付
2024-10-28 20:56:13.443  INFO 24876 --- [-consumer-0-C-1] c.o.s.k.consumer.MyKafkaOrderlyConsumer  : 消息消费成功消息内容:Key--订单666发货

消息是按照发送顺序来消费的，结果符合预期。

Kafka 自定义分区器

自定义分区器就是按自己的规则来指定消息最终要发送的分区，可以根据自己的需求灵活实现，案例代码中先获取分区数量，然后使用的是 key 的 Hash 值进行 Hash 取模的方式获取分区，具体代码如下：

package com.order.service.kafka;

import com.order.service.exception.BusinessException;
import org.apache.kafka.clients.producer.Partitioner;
import org.apache.kafka.common.Cluster;
import org.apache.kafka.common.PartitionInfo;

import java.util.List;
import java.util.Map;

/**
 * @ClassName： CustomPartitioner
 * @Author: Author
 * @Date: 2024/10/28 20:57
 * @Description:
 */
public class CustomPartitioner implements Partitioner {


    @Override
    public int partition(String topic, Object key, byte[] keyBytes, Object value, byte[] valueBytes, Cluster cluster) {
        //获取 分区数量
        List<PartitionInfo> partitionInfos = cluster.partitionsForTopic(topic);

         if (key == null || keyBytes == null && !(key instanceof String)) {
            throw new BusinessException("key 不能为空且需要是字符串类型");
        }
        String keyStr = key.toString();
        int partition = keyStr.hashCode() % partitionInfos.size();
        return partition;
    }

    @Override
    public void close() {

    }

    @Override
    public void configure(Map<String, ?> map) {

    }
}

配置自定义分区器

自定义了分区器后还需要再 Kafka 配置中配置上我们自定义的分区器，关键配置如下：

//自定义分区器配置
props.put(ProducerConfig.PARTITIONER_CLASS_CONFIG, CustomPartitioner.class);

完整的配置 KafkaProducerConfig 配置如下：

package com.order.service.config;

import com.order.service.kafka.CustomPartitioner;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.kafka.annotation.EnableKafka;
import org.springframework.kafka.core.DefaultKafkaProducerFactory;
import org.springframework.kafka.core.KafkaTemplate;
import org.springframework.kafka.core.ProducerFactory;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * @author ：author
 * @description：
 * @modified By：
 * @version: V1.0
 */
@Configuration
@EnableKafka
public class KafkaProducerConfig {


    @Value("${spring.kafka.bootstrap-servers}")
    private String servers;

    @Value("${spring.kafka.producer.batch-size}")
    private String batchSize;

    @Value("${spring.kafka.producer.buffer-memory}")
    private String bufferMemory;

    @Value("${spring.kafka.producer.properties.linger.ms}")
    private String lingerMs;

    @Bean("myProducerKafkaProps")
    public Map<String, Object> getMyKafkaProps() {
        Map<String, Object> props = new HashMap<>(10);
        props.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, servers);
        props.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class);
        props.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class);
        //批量发送消息的大小 默认 16KB
        props.put(ProducerConfig.BATCH_SIZE_CONFIG,batchSize);
        //生产者可用于缓冲等待发送到服务器的消息占用的总内存字节数  默认 32M
        props.put(ProducerConfig.BUFFER_MEMORY_CONFIG,bufferMemory);
        //批量发送的的最大时间间隔，单位是毫秒
        props.put(ProducerConfig.LINGER_MS_CONFIG,lingerMs);
        //自定义分区器配置
        props.put(ProducerConfig.PARTITIONER_CLASS_CONFIG, CustomPartitioner.class);
        return props;
    }

    @Bean
    public ProducerFactory<String, String> newProducerFactory() {
        return new DefaultKafkaProducerFactory<>(getMyKafkaProps());
    }

    @Bean
    public KafkaTemplate<String, String> kafkaTemplate() {
        return new KafkaTemplate<>(newProducerFactory());
    }



}

自定义分区 Consumer 代码案例

自定义分区 Consumer 代码没有什么特殊之处，指定一个 key 即可，key 一致就可以保证消息发送到同一个 Partition 中，保证消息的顺序，具体代码如下：

//自定义分区发送消息
public void sendOrderlyByCustomPartitionerMessage() {
	try {
		this.kafkaTemplate.send("my-topic", "666", "Key--订单666创建").get();
		this.kafkaTemplate.send("my-topic", "666", "Key--订单666支付").get();
		this.kafkaTemplate.send("my-topic", "666", "Key--订单666发货").get();
	} catch (InterruptedException e) {
		e.printStackTrace();
	} catch (ExecutionException e) {
		e.printStackTrace();
	}
}

自定义分区顺序消息验证

触发消息发送后 debugger 如下：

在这里插入图片描述

控制台记录消费日志如下：

2024-10-30 17:24:52.716  INFO 1308 --- [-consumer-0-C-1] c.o.s.k.consumer.MyKafkaOrderlyConsumer  : 消息消费成功消息内容:Key--订单666创建
2024-10-30 17:24:52.819  INFO 1308 --- [-consumer-0-C-1] c.o.s.k.consumer.MyKafkaOrderlyConsumer  : 消息消费成功消息内容:Key--订单666支付
2024-10-30 17:24:52.921  INFO 1308 --- [-consumer-0-C-1] c.o.s.k.consumer.MyKafkaOrderlyConsumer  : 消息消费成功消息内容:Key--订单666发货

消息是按顺序消费的，结果符合预期。

总结：Kafka 只能在单个 Partition 中保持消息的顺序存储，要想保证消息的顺序性就必须让需要保持顺序的消息发送到同一个 Partition，对于消费端，消费消息的顺序性只需要保证使用单线程进行消费即可，一般来说比较少用到 Kafka 的顺序消息，这里分享一下还是希望可以帮助到有需要的朋友。

如有不正确的地方欢迎各位指出纠正。

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