8张图带你全面了解kafka的核心机制

深碍√TFBOYSˉ_ 2023-09-27 22:55 135阅读 0赞

### 前言 ###

kafka是目前企业中很常用的消息队列产品，可以用于削峰、解耦、异步通信。特别是在大数据领域中应用尤为广泛，主要得益于它的高吞吐量、低延迟，在我们公司的解决方案中也有用到。既然kafka在企业中如此重要，那么本文就通过几张图带大家全面认识一下kafka，现在我们不妨带入kafka设计者的角度去思考该如何设计，它的架构是怎么样的、都有哪些组件组成、如何进行扩展等等。

### kafka基础架构 ###

现在假如有100T大小的消息要发送到kafka中，数据量非常大，一台机器存储不下，面对这种情况，你该如何设计呢？

很简单，分而治之，一台不够，那就多台，这就形成了一个kafka集群。如下图所示，一个broker就是一个kafka节点，100T数据就有3个节点分担，每个节点约33T，这样就能解决问题了，还能提高吞吐量。

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1.  **Topic:** 可以理解为一个队列，一个kafka集群中可以定义很多的topic，比如上图中的`topicA`。
2.  **Partition：** 为了实现扩展性，提高吞吐量，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。比如上图中的topicA被分成了3个`partition`。
3.  **Replica：** 副本，如果数据只放在一个`broker`中，万一这个`broker`宕机了怎么办？为了实现高可用，一个 `topic` 的每个分区都有若干个副本，一个 `Leader` 和若干个`Follower`。比如上图中的虚线连接的就是它的副本。
4.  **Leader：** 每个分区多个副本的“主”，生产者发送数据的对象，以及消费者消费数据的对象都是 `Leader`。
5.  **Follower:** 每个分区多个副本中的“从”，实时从 `Leader` 中同步数据，保持和`Leader` 数据的同步。`Leader` 发生故障时，某个 `Follower` 会成为新的 `Leader`。
6.  **Producer:** 消息生产者，就是向 `Kafka broker`发消息的客户端，后面详细讲解。
7.  **Consumer**: 消息消费者，向 `Kafka broker` 取消息的客户端，多个`Consumer`会组成一个消费者组，后面详细讲解。
8.  **Zookeeper**：用来记录kafka中的一些元数据，比如kafka集群中的broker，leader是谁等等，但`Kafka`2.8.0版本以后也支持非zk的方式，大大减少了和zk的交互。

### kafka生产者流程 ###

前面通过一张图片讲解了kafka整体的架构，那现在我们来看看kafka生产者发送的整个过程，这里面也是大有文章。

在消息发送的过程中，涉及到了两个线程——`main` 线程和 `Sender` 线程。在 `main` 线程中创建了一个双端队列 `RecordAccumulator`。`main` 线程将消息发送给 `RecordAccumulator`，`Sender` 线程不断从 `RecordAccumulator` 中拉取消息发送到 `Kafka Broker`。

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1.  在主线程中由 `kafkaProducer` 创建消息，然后通过可能的拦截器、序列化器和分区器的作用之后缓存到消息累加器（`RecordAccumulator`, 也称为消息收集器）中。

*  **拦截器**： 可以用来在消息发送前做一些准备工作，比如按照某个规则过滤不符合要求的消息、修改消息的内容等，也可以用来在发送回调逻辑前做一些定制化的需求，比如统计类工作。
 *  **序列化器：** 用于在网络传输中将数据序列化为字节流进行传输，保证数据不会丢失。
 *  **分区器：** 用于按照一定的规则将数据分发到不同的kafka broker节点中

1.  `Sender` 线程负责从 `RecordAccumulator` 获取消息并将其发送到 `Kafka` 中。

*  `RecordAccumulator` 主要用来缓存消息以便 `Sender` 线程可以批量发送，进而减少网络传输的资源消耗以提升性能。

*  `RecordAccumulator` 缓存的大小可以通过生产者客户端参数 `buffer.memory` 配置，默认值为 `33554432B` ，即 `32M`。

*  主线程中发送过来的消息都会被迫加到 `RecordAccumulator` 的某个双端队列（ `Deque` ）中，`RecordAccumulator` 内部为每个分区都维护了一个双端队列，即 `Deque<ProducerBatch>`, 消息写入缓存时，追加到双端队列的尾部。
 *  `Sender` 读取消息时，从双端队列的头部读取。`ProducerBatch` 是指一个消息批次；与此同时，会将较小的 `ProducerBatch` 凑成一个较大 `ProducerBatch` ，也可以减少网络请求的次数以提升整体的吞吐量。`ProducerBatch` 大小可以通过`batch.size` 控制，默认`16kb`。
 *  `Sender` 线程会在有数据积累到`batch.size`,默认16kb，或者如果数据迟迟未达到`batch.size`，`Sender`线程等待`linger.ms`设置的时间到了之后就会获取数据。`linger.ms`单位`ms`，默认值是`0ms`，表示没有延迟。

1.  `Sender` 从 `RecordAccumulator` 获取缓存的消息之后，会将数据封装成网络请求`<Node,Request>` 的形式，这样就可以将 `Request` 请求发往各个 `Node` 了。
2.  请求在从 `sender` 线程发往 `Kafka` 之前还会保存到 `InFlightRequests` 中，它的主要作用是缓存了已经发出去但还没有收到服务端响应的请求。`InFlightRequests`默认每个分区下最多缓存5个请求，可以通过配置参数为`max.in.flight.request.per. connection`修改。
3.  请求`Request`通过通道`Selector`发送到`kafka`节点。
4.  发送后，需要等待kafka的应答机制，取决于配置项`acks`.

*  0：生产者发送过来的数据，不需要等待数据落盘就应答。
 *  1：生产者发送过来的数据，`Leader` 收到数据后应答。
 *  \-1（all）：生产者发送过来的数据，Leader和副本节点收齐数据后应答。默认值是-1，-1 和all 是等价的。

1.  `Request`请求接受到kafka的响应结果，如果成功的话，从`InFlightRequests` 清除请求，否则的话需要进行重发操作，可以通过配置项`retries`决定，当消息发送出现错误的时候，系统会重发消息。`retries`表示重试次数。默认是 int 最大值，`2147483647`。
2.  清理消息累加器`RecordAccumulator` 中的数据。

### kafka消费者流程 ###

原来kafka生产者发送经过了这么多流程，我们现在来看看kafka消费者又是如何进行的呢？

Kafka 中的消费是基于拉取模式的。消息的消费一般有两种模式：推送模式和拉取模式。推模式是服务端主动将消息推送给消费者，而拉模式是消费者主动向服务端发起请求来拉取消息。

kafka是以消费者组进行消费的，一个消费者组，由多个consumer组成。形成一个消费者组的条件，是所有消费者的groupid相同。

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*  消费者组内每个消费者负责消费不同分区的数据，**一个分区只能由一个组内消费者消费**。如果向消费组中添加更多的消费者，超过主题分区数量，则有一部分消费者就会闲置，不会接收任何消息。
 *  **消费者组之间互不影响**。所有的消费者都属于某个消费者组，即消费者组是逻辑上的一个订阅者。

**那么问题来了，kafka是如何指定消费者组的每个消费者消费哪个分区？每次消费的数量是多少呢？**

**一、如何制定消费方案**

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1.  消费者consumerA，consumerB, consumerC向kafka集群中的协调器`coordinator`发送`JoinGroup`的请求。`coordinator`主要是用来辅助实现消费者组的初始化和分区的分配。

*  `coordinator`老大节点选择 = `groupid`的`hashcode`值 % 50（ `__consumer_offsets`内置主题位移的分区数量）例如： `groupid`的hashcode值 为1，`1% 50 = 1`，那么`__consumer_offsets` 主题的1号分区，在哪个`broker`上，就选择这个节点的`coordinator`作为这个消费者组的老大。消费者组下的所有的消费者提交`offset`的时候就往这个分区去提交`offset`。

1.  选出一个 `consumer`作为消费中的`leader`，比如上图中的`ConsumerB`。
2.  消费者`leader`制定出消费方案，比如谁来消费哪个分区等
3.  把消费方案发给`coordinator`
4.  最后`coordinator`就把消费方 案下发给各个`consumer`, 图中只画了一条线，实际上是有下发各个`consumer`。

注意，每个消费者都会和`coordinator`保持心跳（默认3s），一旦超时（`session.timeout.ms=45s`），该消费者会被移除，并触发再平衡；或者消费者处理消息的时间过长（`max.poll.interval.ms`=5分钟），也会触发再平衡，也就是重新进行上面的流程。

**二、消费者消费细节**

现在已经初始化消费者组信息，知道哪个消费者消费哪个分区，接着我们来看看消费者细节。

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1.  消费者创建一个网络连接客户端`ConsumerNetworkClient`, 发送消费请求，可以进行如下配置：

*  `fetch.min.bytes`: 每批次最小抓取大小，默认1字节
 *  `fetch.max.bytes`: 每批次最大抓取大小，默认50M
 *  `fetch.max.wait.ms`：最大超时时间，默认500ms

1.  发送请求到kafka集群
2.  成功的回调，会将数据保存到`completedFetches`队列中
3.  消费者从队列中抓取数据，根据配置`max.poll.records`一次拉取数据返回消息的最大条数，默认500条。
4.  获取到数据后，需要经过反序列化器、拦截器等。

### kafka的存储机制 ###

我们都知道消息发送到kafka，最终是存储到磁盘中的，我们看下kafka是如何存储的。

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一个`topic`分为多个`partition`，每个partition对应于一个`log`文件，为防止log文件过大导致数据定位效率低下，Kafka采取了分片和索引机制，每个`partition`分为多个`segment`。每个`segment`包括：“`.index`”文件、“`.log`”文件和`.timeindex`等文件，`Producer`生产的数据会被不断追加到该log文件末端。

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上图中t1即为一个`topic`的名称，而“t1-0/t1-1”则表明这个目录是t1这个`topic`的哪个`partition`。

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kafka中的索引文件以稀疏索引（`sparseindex`）的方式构造消息的索引，如下图所示：

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1.根据目标`offset`定位`segment`文件

2.找到小于等于目标`offset`的最大`offset`对应的索引项

3.定位到`log`文件

4.向下遍历找到目标`Record`

注意：index为稀疏索引，大约每往`log`文件写入`4kb`数据，会往`index`文件写入一条索引。通过参数`log.index.interval.bytes`控制，默认`4kb`。

**那kafka中磁盘文件保存多久呢？**

kafka 中默认的日志保存时间为 7 天，可以通过调整如下参数修改保存时间。

*  `log.retention.hours`，最低优先级小时，默认 7 天。
 *  `log.retention.minutes`，分钟。
 *  `log.retention.ms`，最高优先级毫秒。
 *  `log.retention.check.interval.ms`，负责设置检查周期，默认 5 分钟。

### 总结 ###

其实kafka中的细节十分多，本文也只是对kafka的一些核心机制从理论层面做了一个总结，更多的细节还是需要自行去实践，去学习。

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