1、kafka是什么

• Producer：即生产者，消息的产生者，是消息的入口；
• Consumer：消费者，即消息的消费方，是消息的出口；
• Broker：中间代理，即一个broker就是一个server。每个kafka集群内的broker都有一个不重复的编号，如图中的broker-0、broker-1等……
• Topic（主题）：可以理解为消息的分类，kafka的数据就保存在topic。在每个broker上都可以创建多个topic，也可以类比为电脑的文件夹；
• Event（事件）：也称为记录、消息(Message)，可以类比为文件。示例事件包括支付交易、来自手机的地理位置更新、运输订单、来自物联网设备或医疗设备的传感器测量等等。这些事件被组织并存储在 Topic 中；
• Partition：为了实现扩展性，一个非常大的 topic 可以分布到多个 broker(即服务器) 上，一个 topic 可以分为多个 partition，每个 partition 是一个有序的队列。partition 中的每条消息都会被分配一个有序的 id(offset)。kafka 只保证按一个 partition 中的顺序将消息发给 consumer ，不保证一个 topic 的整体（多个 partition 间）的顺序；
• Consumer Group（CG）：尚硅谷讲的，因为Topic被分为了Partition，同样Consumer一样可以分组。各个consumer可以组成一个组，同一个消费者组的消费者可以消费同一个topic的不同分区(partition)的数据，这也是为了提高kafka的吞吐量！
• Offset：kafka的存储文件都是按照offset.kafka来命名，用offset做名字的好处是方便查找。例如你想找位于2049的位置，只要找到2048.kafka的文件即可。当然the first offset就是00000000000.kafka。

参考连接《kafka基本原理详解》，里面有具体的流程。

下面是我自己看了很多资料理解的：

kafka 有很多 broker （因为一个 boker 相当于一个云服务器，即一台大型电脑），每个 broker 里有很多topic（相当于一个电脑有很多文件夹），而有时可能一个 topic 太大，一个 broker 无法存下一个 topic ，因此分为topicA-partition0 、 topicA-partition1 存在 broker1 、 broker2上（相当于分布式存储了，将一个大文件夹拆成很多小文件夹，当然为了防范风险，还有存其很多副本），而每一个 partition 下存的是event（相当于文件夹存的文档）。

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2、docker上部署kafka

1. 拉取zookeeper和kafka的镜像

   docker pull wurstmeister/zookeeper
   
   docker pull wurstmeister/kafka
   

2. 创建并运行容器。

   注意创建运行顺序，一定要先zookeeper，再kafka，否则报错！

   2.1 创建并运行zookeeper

   docker run --name zookeeper \
   -d -t wurstmeister/zookeeper \
   -p 2181:2181 
   

   参数说明（具体可查看《docker示例，菜鸟教程》）：

   • –name zookeeper：此容器别名叫zookeeper
   • -d：后台运行
   • -t: 在新容器内指定一个伪终端或终端
   • wurstmeister/zookeeper：指定要运行的镜像，Docker 首先从本地主机上查找镜像是否存在，如果不存在，Docker 就会从镜像仓库 Docker Hub 下载公共镜像。
   • -p ：端口号（映射到宿主机的端口：zookeeper端口号）。容器中可以运行一些网络应用，要让外部也可以访问这些应用，可以通过 -P 或 -p 参数来指定端口映射（具体查看《docker容器互联之端口互联，菜鸟教程》）。例如这里我在ubuntu虚拟机上部署的docker，那么在unbuntu虚拟机上访问 localhost:2181 就能访问docker中的zookeeper。

   执行完毕后，会返回一个容器ID。

   2.2 创建并运行kafka

   	docker run --name kafka \
   	-t wurstmeister/kafka\ 
   	-p 9092:9092 \
   	--link zookeeper:zk\
   	-e HOST_IP=localhost \
   	-e KAFKA_BROKER_ID=1 \
   	-e KAFKA_ZOOKEEPER_CONNECT=zk:2181 \
   	-e KAFKA_ADVERTISED_LISTENERS=PLAINTEXT://localhost:9092 \
   	-e KAFKA_LISTENERS=PLAINTEXT://localhost:9092 
   

   参数说明：

   • –name kafka：此容器别名叫kafka。
   • -d：后台运行。
   • -t: 在新容器内指定一个伪终端或终端。
   • wurstmeister/kafka：指定要运行的镜像，Docker 首先从本地主机上查找镜像是否存在，如果不存在，Docker 就会从镜像仓库 Docker Hub 下载公共镜像。
   • -p 端口号（映射到宿主机的端口：kafka端口号）。容器中可以运行一些网络应用，要让外部也可以访问这些应用，可以通过 -P 或 -p 参数来指定端口映射（具体查看《docker容器互联之端口映射，菜鸟教程》）。例如这里我在ubuntu虚拟机上部署的docker，那么在unbuntu虚拟机上访问 localhost:9092 就能访问docker中的kafka。
     –link=[]: 添加链接到另一个容器。这里代表链接到zookeeper这个容器，同时取别名为zk
   • -e : 设置环境变量：
     HOST_IP: 宿主主机的IP；
     KAFKA_BROKER_ID: 该ID是集群的唯一标识，因为在kafka集群中，每个kafka都有一个BROKER_ID来区分自己；
     KAFKA_ZOOKEEPER_CONNECT==<这里换成你的zookeeper地址和端口>: 配置zookeeper管理kafka的路径；
     KAFKA_ADVERTISED_LISTENERS=PLAINTEXT://<这里换成你的kafka地址和端口>: kafka发布到zookeeper供客户端使用的服务地址；
     KAFKA_LISTENERS: 配置kafka的监听端口，代表允许使用PLAINTEXT侦听器。网上有的教程将-e KAFKA_LISTENERS=PLAINTEXT://localhost:9092 换成了 -e ALLOW_PLAINTEXT_LISTENER=yes 是一个意思。

   2.3 使用如下命令，可查看容器是否创建成功：

   docker ps -a
   

   下图可以看到均处于up状态，代表创建运行成功。

   

3. 测试发送消息

   3.1 进入容器内部

   docker exec -it kafka /bin/bash  # 注意，这里kafka是之前创建的容器名。
   

   参数说明：

   • -i：允许你对容器内的标准输入 (STDIN) 进行交互。
   • -t：在新容器内指定一个伪终端或终端。
   • kafka：这里是之前run一个容器时，创建的容器名。
   • /bin/bash：通俗点讲，#!/bin/bash: 是指此脚本使用/bin/bash来解释执行。其中，#!是一个特殊的表示符，后面紧跟着解释此脚本的shell路径。bash只是shell的一种，还有很多其它shell，比如：sh,csh,ksh,tcsh等等。shell脚本通常第一句是#!/bin/bash,在很多情况中，如果没有设置好这一行，那么该程序很可能无法执行，因为系统无法判断该程序需要使用什么shell来执行

   下图显示成功进入容器内部，@后面跟“63d8a927b72c”的就是容器id。

   
   3.2 切换至该容器下的/opt/kafka/bin目录。

   此目录下存放的全是官方编写好的 .sh 文件。这些.sh文件全是脚本文件，不同脚本文件集合了不同的命令行命令，一个脚本文件实现一个功能，用户只用执行这个.sh文件+参数，就能实现很多命令，方便很多。

   例如创建topic、producer、consumer就需要执行对应的 .sh 文件。切换到此目录下的好处是，可以省略前面的路径了。

   可以照着下图依次切换（建议这样做，才能熟悉kafka容器默认文件夹下都有什么文件）。当然也可以一步到位：

   cd /opt/kafka/bin
   

   
   3.3 创建一个主题

   kafka-topics.sh --create \
   --zookeeper zookeeper:2181 \
   --replication-factor 1 \
   --partitions 1 \
   --topic mykafka
   

   参数说明（具体参数可参考《kafka-topics.sh脚本详解》）：

   • create：创建Topic。
   • zookerrper：指定连接的zk的地址。
   • replication-factor：创建主题时指定副本数
   • partitons：创建主题或增加分区时指定的分区数
   • topic：指定主题名称

   使用如下命令可查看已创建的Topic，下图可见之前创建的mykafka的Topic。

   kafka-topics.sh --zookeeper zookeeper:2181 --list

   

   3.4 运行一个消息生产者，指定topic为刚刚创建的topic。

   kafka-console-producer.sh --broker-list localhost:9092 \
   --topic mykafka
   

   参数说明（具体参数可参考《kafka-console-producer.sh脚本详解》）：

   • broker-list：要连接的服务器，也可用bootstrap-server代替。
   • topic：接收消息的主题名称。

   3.5 新开一个终端，进入相同目录，运行一个消费者，指定同样的主题：

   	docker exec -it kafka /bin/bash
   	cd opt/kafka/bin
   	kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server localhost:9092 \
   	--topic mykafka \
   	--from-beginning
   

   下图为生产者发送消息，消费者消费消息。

   

   有人肯定有疑问，为什么consumer会接收之前发送的消息？因为配置消费者时加了参数--from-beginning，代表consumer从存在的最早消息开始消费，而不是从最新消息开始。下图是去掉--from-beginning参数的相同topic的consumer，可以看到则从最新消息开始消费。

   

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3、在kafka容器内部署python，并跑通生产者-消费者简单代码

前提：

默认部署了zookeeper容器和kafka容器，且处于up状态。如果不是up状态，记得先restart zookeeper，再restart kafka。

使用sudo docker ps -a可查看所有容器加状态，如果不含参数-a就只能查看正在运行的容器。由于我之前关闭了虚拟机，因此查看之前部署的两个容器，可以看到下图均处于非up状态。

restart了以后可以看到下图部署了zookeeper容器和kafka容器，别名就是zookeeper和kafka。

下面开始部署python环境

1. 先进容器内部：

   docker exec -it kafka /bin/bash #（这里kafka为你的容器id或别名）
   

   可以看到，成功进入容器内部，自动当前用户切换到root，@后面跟的是容器id：

   

2. 更新apt指令。不更新第3步可能报错：

   apt update
   

3. 安装pip指令。安装pip时就自动安装python3环境了：

   apt install pip
   

   python命令执行，发现安装环境成功。再输入exit()退出。

   

4. 安装第三方库：kafka-python。

   python代码中from kafka import KafkaConsumer, KafkaProducer就是导自这个库。

   pip install kafka-python
   

   

5. 切换至opt目录，并创建文件夹保存python文档，这里我叫python_kafka.

   

6. 切换至python_kafka目录后，开始创建三个文件：config1.py为参数初始化文件，consumer1.py为消费者进程，produer.py为生产者进程。三个文件参考自《如何使用Python读写Kafka？》

   下面为具体步骤:

   6.1. config1.py

   在python_kafka目录下使用vim命令，创建并编辑config1.py文件。注意，第一次使用需要使用命令apt install vim，安装vim。

   	vim config1.py
   

   下面代码是config1.py具体内容。我是在windows下vscode写好的，直接复制粘贴过去的。windows下复制了，vim下在insert模式下按住shift再鼠标右键，便能粘贴（具体参考《Windows中的文本与Linux中CentOS的vim编辑器相互复制粘贴方法》）

   # config1.py
   # 参数初始化
   SERVER = 'localhost:9092'
   TOPIC = 'mykafka_py_1'
   

   
   写完了记得保存退出。

7. producer1.py

   创建生产者。同样在python_kafka目录下，使用命令vim，创建并编辑producer1.py文件。

   vim producer1.py
   

   下面代码是producer1.py具体内容：

   import json
   import time
   import datetime
   import config1  
   from kafka import KafkaProducer
   
   
   producer = KafkaProducer(bootstrap_servers=config1.SERVER,
                            value_serializer=lambda m: json.dumps(m).encode())
   
   for i in range(100):
       data = {'num': i, 'ts': datetime.datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')}
       producer.send(config1.TOPIC, data)
       time.sleep(1)
   

   

8. consumer1.py

   创建消费者。同样在python_kafka目录下，使用命令vim consumer1.py，创建并编辑consumer1.py文件。

   vim consumer1.py
   

   下面代码是consumer1.py具体内容：

    import config1
   	from kafka import KafkaConsumer
   	consumer = KafkaConsumer(config1.TOPIC,
   	                         bootstrap_servers=config1.SERVER,
   	                         group_id='test',
   	                         auto_offset_reset='earliest')
   	for msg in consumer:
   	    print(msg.value)
   

9. 一个生产者，一个消费者。可以看到互通消息了。

   

   说明：关于上方简单代码的具体函数和参数，可以看下方最新接口中的kafka_interface.py文件中注释。已将producer中的三种发送消息方式总结了。

4、最新接口

贡献：
1、对于第3部分简单代码进行改写，抽象成三个文件；
2、kafka_interface.py对于producer中三种方式进行了总结并代码复现，具体见其注释；
3、对于cosumer消费方式也进行了总结，具体见其注释。

参考：

《python kafka订阅之producer三种模式》
《学会使用Kafka（十一）Python生产者和消费者API使用 》
《《Apache Kafka系列》Kafka生产者（Producer）发送消息的几种方式，以及生产者相关配置》
《Python kafka操作实例（kafka-python）》
《Python之kafka消息队列操作入门》
《Python 操作 Kafka — kafka-python》
《Apache Kafka的3个核心Python客户端库》

4.1、kafka_config.py

# -*- coding: utf-8 -*-
# kafka_config.py

SERVER = 'localhost:9092'

TOPIC = 'howtousekafka'

group_id = 'test'

auto_offset_reset = 'earliest'

---

4.2、kafka_interface.py

# -*- coding: utf-8 -*-
# kafka_interface.py
from kafka import KafkaConsumer, KafkaProducer
import logging
import traceback
import kafka_config
log = logging.getLogger(__name__)


class KafkaInterface:

    def __init__(self):
        self.producer = KafkaProducer(bootstrap_servers=kafka_config.SERVER)
        # self.consumer = KafkaConsumer(kafka_config.TOPIC,
        #                               bootstrap_servers=kafka_config.SERVER,
        #                               group_id=kafka_config.group_id,
        #                               auto_offset_reset=kafka_config.auto_offset_reset)
        '''
        因为消费者消费数据时可以才从subscribe方法订阅相应的主题或assign订阅相应的分区，
        故初始化时不必指定topic,故采用下面此种写法。
        再高级点的用法是在subscribe基础上，搭配poll函数。有时候，我们并不需要实时获取数据，
        因为这样可能会造成性能瓶颈，我们只需要定时去获取队列里的数据然后批量处理就可以，
        这种情况，我们可以选择主动拉取数据。
        '''
        self.consumer = KafkaConsumer(bootstrap_servers=kafka_config.SERVER,
                                      group_id=kafka_config.group_id,
                                      auto_offset_reset=kafka_config.auto_offset_reset)
    '''
    Kafka发送消息主要有三种方式:
        1.发送并忘记
        2.同步发送
        3.异步发送+回调函数

    下面以单节点的方式分别用三种方法发送消息
    '''

    def send_message_asyn_producer(self, message):
        """
        方式一：
            发送并忘记(把消息发送给服务器,不关心消息是否正常到达,对返回结果不做任何判断处理)
        说明：
            1、发送并忘记的方式本质上也是一种异步的方式，消息先存储在缓冲区中，达到设定条件后批量发送,
            只是它不会获取消息发送的返回结果，这种方式的吞吐量是最高的，但是无法保证消息的可靠性。
            2、由于测试数据太少，异步看着像同步。当发送例如1w条消息时，可以通过对比执行完成时间可以看出：
            异步发送时间是低于同步发送时间的。
        """
        while True:
            counter = 0  # 记录一共发了多少条消息
            try:
                for item in message.split(","):
                    counter += 1  # 发一条消息就增加一条
                    self.producer.send(kafka_config.TOPIC,
                                       item.encode('utf-8'))
                self.producer.flush()  # 批量提交
                print("您使用方法一简单异步发送消息，此次一共发送了{}条消息".format(counter))
                self.producer.close()
                break
            except Exception as e:
                log.error("Kafka asyn send fail, {}.".format(e))
                traceback.format_exc()

    def send_message_sync_producer(self, message):
        """
        方式二：
            同步发送数据(通过get方法等待Kafka的响应,判断消息是否发送成功)
        说明：
            1、以同步的方式发送消息时，一条一条的发送，对每条消息返回的结果判断，可以明确地知道每条消息的发送情况，
            但是由于同步的方式会阻塞，只有当消息通过get返回future对象时，才会继续下一条消息的发送。
            2、如果业务要求消息必须是按顺序发送的，那么可以使用同步的方式，并且只能在一个partation上，
            结合参数设置retries的值让发送失败时重试，因为在同一个分区上是FIFO，不同分区上不能保证顺序读取，
            故只有指定同一个分区才能保证顺序读取。
            3、send函数是有返回值的是RecordMetadata，也就是记录的元数据，包括主题、分区、偏移量
        """
        while True:
            counter = 0  # 记录一共发了多少条消息
            try:
                for item in message.split(","):
                    counter += 1  # 发一条消息就增加一条
                    # 同步确认消费，即监控是否发送成功。future.get函数等待单条消息发送完成或超时，或用time.sleep代替
                    future = self.producer.send(
                        kafka_config.TOPIC, item.encode('utf-8'))
                    # time.sleep(10) # 等价于future.get(timeout=10)
                    # future.get会返回一个类ConsumerRecord, 内容格式如下：
                    # ConsumerRecord{topic=xxx, partition=xxx, offset=xxx, timestamp=xxx, timestamp_type=xxx, ...}
                    record_metadata = future.get(timeout=10) 
                    partition = record_metadata.partition     # 数据所在的分区
                    offset = record_metadata.offset           # 数据所在分区的位置
                    log.debug("save success, partition: {}, offset: {}".format(
                        partition, offset))  # 输出到日志
                print("您使用方法二同步发送消息，此次一共发送了{}条消息".format(counter))
                break
            except Exception as e:
                log.error("Kafka sync send fail, {}.".format(e))
                traceback.format_exc()

    def send_message_asyn_producer_callback(self, message):
        """
        方法三：
            异步发送+回调函数(消息以异步的方式发送，通过回调函数返回消息发送成功/失败)
        说明：
            1、在调用send方法发送消息的同时，指定一个回调函数，服务器在返回响应时会调用该回调函数，通过回调函数
            能够对异常情况进行处理，当调用了回调函数时，只有回调函数执行完毕生产者才会结束，否则一直会阻塞。
            2、如果业务上需要知道消息发送是否成功，并且对消息的顺序不关心，那么可以用异步+回调的方式来发送消息，
            配合参数retries=0，并将发送失败的消息记录到日志文件中。
        """
        while True:
            counter = 0  # 记录一共发了多少条消息
            try:
                for item in message.split(","):
                    counter += 1  # 发一条消息就增加一条
                    self.producer.send(kafka_config.TOPIC, item.encode('utf-8')).add_callback(
                        self.send_success).add_errback(self.send_error)
                    # 注册回调也可以这样写，上面的写法就是为了简化
                    # future.add_callback(self._onSendSucess)
                    # future.add_errback(self._onSendFailed)
                # self.producer.send(self.topic, data).add_callback(self.send_success).add_errback(self.send_error)
                self.producer.flush()  # 批量提交
                print("您使用方法三异步+回调发送消息，此次一共发送了{}条消息".format(counter))
                self.producer.close()
                break
            except Exception as e:
                log.error("Kafka asyn send fail, {}.".format(e))
                traceback.format_exc()

    def send_success(self, record_metadata):
        """
        异步发送成功回调函数，也就是真正发送到kafka集群且成功才会执行。发送到缓冲区不会执行回调方法。
        """
        print("发送成功")
        print("被发往的主题：", record_metadata.topic)
        print("被发往的分区：", record_metadata.partition)
        # 这个偏移量是相对偏移量，也就是相对起止位置，也就是队列偏移量。
        print("队列位置：", record_metadata.offset)
        log.debug("save success")

    def send_error(self):
        print("发送失败")
        log.debug("save error")

    # def send_message(self, message):
    #     producer = self.producer.send(
    #         kafka_config.TOPIC, message.encode('utf-8'))
    #     producer.flush()

    def receive_message(self):
        print("消费者开始消费来自生产者的消息：")
        self.consumer.subscribe([kafka_config.TOPIC])
        for k, v in enumerate(self.consumer, start=1):    # 这里将list转换为enumerate类型
            print("收到第{}条消息为：{}".format(k, v.value.decode('utf-8')))
            # 消费，这里具体为打印，到时候具体什么逻辑操作，再定


'''
不足：
    1、单机，没有实现分布式。尝试搭建一个boker集群，并指定不同分区试一试分布式；
    2、配置文件很简单，应像之前那样修改，例如读一个json文件来返回；
    3、代码是否有些变量和方法需要改成私有？
    4、此代码并不是最终抽象的接口，例如回调函数那里，可以利用@abc.abstractmethod，变成抽象方法。
    好处是不同实例可能回调函数编写不同，例如UAV实例和environment实例；
    5、message那里，有待商榷。目前初步想法是用户实例产生的：环境状态信息、智能体信息、错误信息，
    这些统一格式例如json格式，然后用户实例调用时可以将json里的message统一发送。统一格式的好处是
    就算message很复杂，但是统一后可以对message进行统一处理，例如切片处理等。
'''

---

4.3、run.py

# -*- coding: utf-8 -*-
import kafka_interface
import time

usermessage = input('请输入你要发的消息，每条消息间用英文逗号隔开: ')


kafka_interface = kafka_interface.KafkaInterface()

start_time = time.time()

'''
测试时记得修改，测试3种方案
'''
kafka_interface.send_message_asyn_producer(usermessage)  # 简单异步，即发送并忘记
# kafka_interface.send_message_sync_producer(usermessage) # 同步
# kafka_interface.send_message_asyn_producer_callback(usermessage) # 同步加回调

end_time = time.time()
print("time: {}".format(end_time-start_time))

kafka_interface.receive_message()

---

4、测试

测试一：修改run.py文件，使用简单异步发送

测试二：修改run.py文件，使用同步发送

测试三：修改run.py文件，使用异步+回调发送。

分析：

• 可以看出同步发送消息的时间会比异步的时间更长
• 异步+回调的一般用得会更多

注意：

ctrl+z退出run.py时，一定要run.py显示完毕后等5秒以后再退出，否则会出现下方重复消费的情况。

原因：

重复消费出现的常见场景主要分为两种，一种是 Consumer在消费过程中，应用进程被强制kill掉或者发生异常退出（挂掉…），另一种则是Consumer消费的时间过长。

1. Consumer消费过程中，进程挂掉/异常退出

   在Kafka消费端的使用中，位移（Offset）的提交有两种方式，自动提交和手动提交。自动提交情况下，当消费者拉取一批消息进行消费后，需要进行Offset的提交，在消费端提交Offset之前，Consumer挂掉了，当Consumer重启后再次拉取Offset，这时候拉取的依然是挂掉之前消费的Offset，因此造成重复消费的问题。在手动提交模式下，在提交代码调用之前，Consumer挂掉也会造成重复消费。

2. 消费者消费时间过长

   Kafka消费端的参数max.poll.interval.ms定义了两次poll的最大间隔，它的默认值是 5 分钟，表示 Consumer 如果在 5 分钟之内无法消费完 poll方法返回的消息，那么Consumer 会主动发起“离开组”的请求。

   在离开消费组后，开始Rebalance，因此提交Offset失败。之后重新Rebalance，消费者再次分配Partition后，再次poll拉取消息依然从之前消费过的消息处开始消费，这样就造成重复消费。而且若不解决消费单次消费时间过长的问题，这部分消息可能会一直重复消费。

   整体上来说，如果我们在消费中将消息数据处理入库，但是在执行Offset提交时，Kafka宕机或者网络原因等无法提交Offset，当我们重启服务或者Rebalance过程触发，Consumer将再次消费此消息数据。

总结：这里重复消费的原因是原因1。这里设置的是默认自动提交offset，自动提交是发生在消费者消费完后每隔5秒（由auto.commit.interval.ms指定）提交一次位移。而这里杀进程过快了，都没来得及提交，自然而然要重复消费了。