kafka性能指南

1.绪论

首先是epoll模型，epoll使其在框架上得以使用mmp和回写高性能。

epoll模型具体可以看linuxIO那一个笔记，这里简单讲一下

首先是epoll模型，模型要求有一组fd由单独线程监控，然后app去干别的事，当fd有变动时，守护线程通知app来处理。这样可以使app持续工作，提高资源使用率。

mmp就是那个单独维护fd链表地址。是在内存中的一块区域，可以在此进行数据修改，到达条件后回写到硬盘。因为是cpu直接操纵内存，所以效率快很多。

同时在kafka产生的文件里，所有的logs等文件时stage类型。该类型文件在磁盘上是顺序读写的，读写速度接近内存。

2.读写部分

2.1顺序读写

因为随机存储需要很长的寻址时间，顺序读写则省去了寻址的时间。

每次新文件都是直接追加到原始文件后端。每个partition都是文件。

这样的弊端是没法删除文件，所以kafka没法删除文件，所有的信息都会保存下来。

每个消费者对每个topic都会有一个offset表示读到了第几条数据。

一般情况offset的信息会存储到zookeeper里

2.2 MemoryMappedFiles

这就是回写，一种设计模式，比如把硬盘的文件映射到内存。cpu直接操作内存，最后回写回硬盘。

mmap就是这个思想的具体实现之一。

mmap是一个特殊的内存空间，在内核层和用户层之间。用户层可以直接操作该空间，所有不涉及到普通切换空间涉及到的四次传递文件，以及大量的contexet转换。因为kafka可以直接操作该地址。

缺点是不可靠，因为在数据flush到硬盘之前，数据都是记载在内存上的。

kafka提供了producer.type来控制flush的时机。

sync是同步，数据写道mmap时立即flush然后通知producer

async时异步，数据写道mmap后不flush直接通知producer

2.3 partition

partition的定义及划分

一个topic会分为多个partition放在多个节点上。

通过源码可知，partition默认是随机把该消息发给一个partition

当然你也可以自定义发送给那个partition。

partiton在文件系统上是一个物理文件夹的形式。同时partition里有多个segment文件。

删除是就是删除segment文件。这样可以避免随机删除数据。

partition的优化

因为存在于多个节点，可以充分发挥集群优势。

如果就一个节点，多个分区也可以配置在一个磁盘上。实现磁盘间的并行。

一般精确到节点即可

3.零拷贝

sendfile技术。该参数在nginx 等web服务器中也有可以大幅提升文件传输性能。

一般传输文件是以下过程

调用read函数，文件数据被硬件层copy到内核缓冲区
read函数返回，文件数据从内核缓冲区copy到用户缓冲区
write函数调用，将文件数据从用户缓冲区copy到内核与socket相关的缓冲区。
数据从socket缓冲区copy到相关协议引擎。

以上细节是传统read/write方式进行网络文件传输的方式，我们可以看到，在这个过程当中，文件数据实际上是经过了四次copy操作：

硬盘—>内核buf—>用户buf—>socket相关缓冲区—>协议引擎

而sendfile系统调用则提供了一种减少以上多次copy，提升文件传输性能的方法。
在内核版本2.1中，引入了sendfile系统调用，以简化网络上和两个本地文件之间的数据传输。 sendfile的引入不仅减少了数据复制，还减少了上下文切换。

sendfile(socket, file, len);

运行流程如下：

sendfile系统调用，文件数据被copy至内核缓冲区
再从内核缓冲区copy至内核中socket相关的缓冲区
最后再socket相关的缓冲区copy到协议引擎

硬盘->内核->内核中scoket区->协议引擎

相较传统read/write方式，2.1版本内核引进的sendfile已经减少了内核缓冲区到user缓冲区，再由user缓冲区到socket相关缓冲区的文件copy，而在内核版本2.4之后，文件描述符结果被改变，sendfile实现了更简单的方式，再次减少了一次copy操作。

在apache，nginx，lighttpd等web服务器当中，都有一项sendfile相关的配置，使用sendfile可以大幅提升文件传输性能。

Kafka把所有的消息都存放在一个一个的文件中，当消费者需要数据的时候Kafka直接把文件发送给消费者，配合mmap作为文件读写方式，直接把它传给sendfile。

4.删除策略

因为kafka的特殊构造，导致其并不好删除数据。所以kafka提供了两种策略。

可以基于时间删除文件，也可以基于partition大小删除文件。

5.批量压缩

对于大量数据流来说，网络IO很重要，所以kafka提供了压缩策略。

但是一个一个压缩效率会很低，所以是批量压缩。kafka支持gzip和snappy等格式。

6.总结

可以理解为epol为程序设计框架，而零拷贝是具体的关于 fd队列读写中的设计，而mmap则是具体的执行，就是零拷贝是怎么实现的。零拷贝相对于普通的I/O中忽略的关于把数据从内核层拷贝至用户缓冲区的部分就是mmap实现。