kafka原理

摘自：https://blog.csdn.net/ychenfeng/article/details/74980531          https://blog.csdn.net/qq_24084925/article/details/78842844

Kafka是最初由Linkedin公司开发，是一个分布式、支持分区的（partition）、多副本的（replica），基于zookeeper协调的分布式消息系统，它的最大的特性就是可以实时的处理大量数据以满足各种需求场景：比如基于hadoop的批处理系统、低延迟的实时系统、storm/Spark流式处理引擎，web/nginx日志、访问日志，消息服务等等，用scala语言编写，Linkedin于2010年贡献给了Apache基金会并成为顶级开源项目。

Kafka的特性:

  • 高吞吐量、低延迟：kafka每秒可以处理几十万条消息，它的延迟最低只有几毫秒，每个topic可以分多个partition, consumer group 对partition进行consume操作。
  • 可扩展性：kafka集群支持热扩展。
  • 持久性、可靠性：消息被持久化到本地磁盘，并且支持数据备份防止数据丢失。
  • 容错性：允许集群中节点失败（若副本数量为n,则允许n-1个节点失败）。
  • 高并发：支持数千个客户端同时读写。

Kafka的使用场景：

  • 日志收集：一个公司可以用Kafka可以收集各种服务的log，通过kafka以统一接口服务的方式开放给各种consumer，例如hadoop、Hbase、Solr等。
  • 消息系统：解耦和生产者和消费者、缓存消息等。
  • 用户活动跟踪：Kafka经常被用来记录web用户或者app用户的各种活动，如浏览网页、搜索、点击等活动，这些活动信息被各个服务器发布到kafka的topic中，然后订阅者通过订阅这些topic来做实时的监控分析，或者装载到hadoop、数据仓库中做离线分析和挖掘。
  • 运营指标：Kafka也经常用来记录运营监控数据。包括收集各种分布式应用的数据，生产各种操作的集中反馈，比如报警和报告。
  • 流式处理：比如spark streaming和storm。
  • 事件源。

Kafka架构

相关概念

1.producer：
　　消息生产者，发布消息到 kafka 集群的终端或服务。
2.broker：
　　kafka 集群中包含的服务器。
3.topic：
　　每条发布到 kafka 集群的消息属于的类别，即 kafka 是面向 topic 的。
4.partition：
　　partition 是物理上的概念，每个 topic 包含一个或多个 partition。kafka 分配的单位是 partition。
5.consumer：
　　从 kafka 集群中消费消息的终端或服务。
6.Consumer group：
　　high-level consumer API 中，每个 consumer 都属于一个 consumer group，每条消息只能被 consumer group 中的一个 Consumer 消费，但可以被多个 consumer group 消费。
7.replica：
　　partition 的副本，保障 partition 的高可用。
8.leader：
　　replica 中的一个角色， producer 和 consumer 只跟 leader 交互。
9.follower：
　　replica 中的一个角色，从 leader 中复制数据。
10.controller：
　　kafka 集群中的其中一个服务器，用来进行 leader election 以及 各种 failover。
12.zookeeper：
　　kafka 通过 zookeeper 来存储集群的 meta 信息。
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Zookeeper节点

Producer发布消息

 写入方式

 producer 采用push模式将消息发布到broker，每条消息都被append到patition中，属于顺序写磁盘（顺序写磁盘效率比随机写内存要高保障kafka吞吐率）。

 消息路由   producer发送消息到broker时，会根据分区算法选择将其存储到哪一个partition。其路由机制为：

1. 指定了 patition，则直接使用；
2. 未指定 patition 但指定 key，通过对 key 的 value 进行hash 选出一个 patition
3. patition 和 key 都未指定，使用轮询选出一个 patition。

 Java客户端分区源码

//创建消息实例
public ProducerRecord(String topic, Integer partition, Long timestamp, K key, V value) {
     if (topic == null)
          throw new IllegalArgumentException("Topic cannot be null");
     if (timestamp != null && timestamp < 0)
          throw new IllegalArgumentException("Invalid timestamp " + timestamp);
     this.topic = topic;
     this.partition = partition;
     this.key = key;
     this.value = value;
     this.timestamp = timestamp;
}

//计算 patition，如果指定了 patition 则直接使用，否则使用 key 计算
private int partition(ProducerRecord<K, V> record, byte[] serializedKey , byte[] serializedValue, Cluster cluster) {
     Integer partition = record.partition();
     if (partition != null) {
          List<PartitionInfo> partitions = cluster.partitionsForTopic(record.topic());
          int lastPartition = partitions.size() - 1;
          if (partition < 0 || partition > lastPartition) {
               throw new IllegalArgumentException(String.format("Invalid partition given with record: %d is not in the range [0...%d].", partition, lastPartition));
          }
          return partition;
     }
     return this.partitioner.partition(record.topic(), record.key(), serializedKey, record.value(), serializedValue, cluster);
}

// 使用 key 选取 patition
public int partition(String topic, Object key, byte[] keyBytes, Object value, byte[] valueBytes, Cluster cluster) {
     List<PartitionInfo> partitions = cluster.partitionsForTopic(topic);
     int numPartitions = partitions.size();
     if (keyBytes == null) {
          int nextValue = counter.getAndIncrement();
          List<PartitionInfo> availablePartitions = cluster.availablePartitionsForTopic(topic);
          if (availablePartitions.size() > 0) {
               int part = DefaultPartitioner.toPositive(nextValue) % availablePartitions.size();
               return availablePartitions.get(part).partition();
          } else {
               return DefaultPartitioner.toPositive(nextValue) % numPartitions;
          }
     } else {
          //对 keyBytes 进行 hash 选出一个 patition
          return DefaultPartitioner.toPositive(Utils.murmur2(keyBytes)) % numPartitions;
     }
}
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 写入流程

1. producer 先从 zookeeper 的 "/brokers/.../state" 节点找到该 partition 的 leader
2. producer 将消息发送给该 leader
3. leader 将消息写入本地 log
4. followers 从 leader pull 消息，写入本地 log 后 leader 发送 ACK
5. leader 收到所有 ISR 中的 replica 的 ACK 后，增加 HW（high watermark，最后 commit 的 offset） 并向 producer 发送 ACK
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 producer delivery guarantee

1. At most once 消息可能会丢，但绝不会重复传输
2. At least one 消息绝不会丢，但可能会重复传输
3. Exactly once 每条消息肯定会被传输一次且仅传输一次
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当producer向broker发送消息时，一旦这条消息被 commit，由于replication的存在，它就不会丢。但是如果producer发送数据给broker后，遇到网络问题而造成通信中断，那 Producer就无法判断该条消息是否已经commit。虽然Kafka无法确定网络故障期间发生了什么，但是producer可以生成一种类似于主键的东西，发生故障时幂等性的重试多次，这样就做到了Exactly once，但目前还并未实现。所以目前默认情况下一条消息从producer到broker是确保了At least once，可通过设置producer异步发送实现At most once。

Broker 保存消息

 存储方式  物理上把topic分成一个或多个patition（对应 server.properties 中的 num.partitions=3 配置），每个 patition 物理上对应一个文件夹（该文件夹存储该 patition 的所有消息和索引文件），如下：

 存储策略

  无论消息是否被消费，kafka 都会保留所有消息。有两种策略可以删除旧数据：需要注意的是，因为Kafka读取特定消息的时间复杂度为O(1)，即与文件大小无关，所以这里删除过期文件与提高 Kafka 性能无关。

1. 基于时间：log.retention.hours=168
2. 基于大小：log.retention.bytes=1073741824

 topic 创建与删除

  创建topic

1. controller 在 ZooKeeper 的 /brokers/topics 节点上注册 watcher，当 topic 被创建，则 controller 会通过 watch 得到该 topic 的 partition/replica 分配。
2. controller从 /brokers/ids 读取当前所有可用的 broker 列表，对于 set_p 中的每一个 partition：
    2.1 从分配给该 partition 的所有 replica（称为AR）中任选一个可用的 broker 作为新的 leader，并将AR设置为新的 ISR
    2.2 将新的 leader 和 ISR 写入 /brokers/topics/[topic]/partitions/[partition]/state
3. controller 通过 RPC 向相关的 broker 发送 LeaderAndISRRequest。
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 删除topic

1. controller 在 zooKeeper 的 /brokers/topics 节点上注册 watcher，当 topic 被删除，则 controller 会通过 watch 得到该 topic 的 partition/replica 分配。
2. 若 delete.topic.enable=false，结束；否则 controller 注册在 /admin/delete_topics 上的 watch 被 fire，controller 通过回调向对应的 broker 发送 StopReplicaRequest。
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kafka HA

 replication

  同一个partition可能会有多个replica（对应 server.properties 配置中的 default.replication.factor=N）。没有replica的情况下，一旦 broker宕机，其上所有patition 的数据都不可被消费，同时producer也不能再将数据存于其上的patition。引入replication之后，同一个partition可能会有多个replica，而这时需要在这些replica之间选出一个 leader，producer和consumer只与这个leader交互，其它replica作为follower从leader中复制数据。

 Kafka分配Replica 的算法如下：

1. 将所有 broker（假设共 n 个 broker）和待分配的 partition 排序
2. 将第 i 个 partition 分配到第（i mod n）个 broker 上
3. 将第 i 个 partition 的第 j 个 replica 分配到第（(i + j) mode n）个 broker上
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  leader failover

  当partition对应的leader宕机时，需要从follower中选举出新leader。在选举新leader时，一个基本的原则是，新的leader必须拥有旧leader commit 过的所有消息。kafka 在 zookeeper中（/brokers/.../state）动态维护了一个ISR（in-sync replicas），由3.3节的写入流程可知ISR里面的所有replica都跟上了leader，只有 ISR 里面的成员才能选为 leader。对于f+1个replica，一个partition可以在容忍f个replica失效的情况下保证消息不丢失。当所有 replica 都不工作时，有两种可行的方案：

1. 等待 ISR 中的任一个 replica 活过来，并选它作为 leader。可保障数据不丢失，但时间可能相对较长。
2. 选择第一个活过来的 replica（不一定是 ISR 成员）作为 leader。无法保障数据不丢失，但相对不可用时间较短。
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 broker failover

1. controller 在 zookeeper 的 /brokers/ids/[brokerId] 节点注册 Watcher，当 broker 宕机时 zookeeper 会 fire watch
2. controller 从 /brokers/ids 节点读取可用broker
3. controller决定set_p，该集合包含宕机 broker 上的所有 partition
4. 对 set_p 中的每一个 partition
    4.1 从/brokers/topics/[topic]/partitions/[partition]/state 节点读取 ISR
    4.2 决定新 leader（如4.3节所描述）
    4.3 将新 leader、ISR、controller_epoch 和 leader_epoch 等信息写入 state 节点
5. 通过 RPC 向相关 broker 发送 leaderAndISRRequest 命令
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controller failover

当controller宕机时会触发controller failover。每个broker都会在zookeeper的 "/controller" 节点注册 watcher，当 controller 宕机时zookeeper中的临时节点消失，所有存活的broker收到fire的通知，每个broker都尝试创建新的 controller path，只有一个竞选成功并当选为 controller。当新的 controller当选时，会触发 KafkaController.onControllerFailover 方法，在该方法中完成如下操作：

1. 读取并增加 Controller Epoch。
2. 在 reassignedPartitions Patch(/admin/reassign_partitions) 上注册 watcher。
3. 在 preferredReplicaElection Path(/admin/preferred_replica_election) 上注册 watcher。
4. 通过 partitionStateMachine 在 broker Topics Patch(/brokers/topics) 上注册 watcher。
5. 若 delete.topic.enable=true（默认值是 false），则 partitionStateMachine 在 Delete Topic Patch(/admin/delete_topics) 上注册 watcher。
6. 通过 replicaStateMachine在 Broker Ids Patch(/brokers/ids)上注册Watch。
7. 初始化 ControllerContext 对象，设置当前所有 topic，“活”着的 broker 列表，所有 partition 的 leader 及 ISR等。
8. 启动 replicaStateMachine 和 partitionStateMachine。
9. 将 brokerState 状态设置为 RunningAsController。
10. 将每个 partition 的 Leadership 信息发送给所有“活”着的 broker。
11. 若 auto.leader.rebalance.enable=true（默认值是true），则启动 partition-rebalance 线程。
12. 若 delete.topic.enable=true 且Delete Topic Patch(/admin/delete_topics)中有值，则删除相应的Topic。
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 consumer 消费消息

 kafka提供了两套consumer API：其中high-level consumer API提供了一个从kafka消费数据的高层抽象，而SimpleConsumer API则需要开发人员更多地关注细节。

1. The high-level Consumer API
2. The SimpleConsumer API

  The high-level consumer API

    high-level consumer API提供了consumer group的语义，一个消息只能被group内的一个consumer所消费，且consumer消费消息时不关注offset，最后一个offset由zookeeper 保存。使用 high-level consumer API 可以是多线程的应用，应当注意：

1. 如果消费线程大于 patition 数量，则有些线程将收不到消息
2. 如果 patition 数量大于线程数，则有些线程多收到多个 patition 的消息
3. 如果一个线程消费多个 patition，则无法保证你收到的消息的顺序，而一个 patition 内的消息是有序的

  The SimpleConsumer API

   如果你想要对 patition 有更多的控制权，那就应该使用 SimpleConsumer API，比如：

1. 多次读取一个消息
2. 只消费一个 patition 中的部分消息
3. 使用事务来保证一个消息仅被消费一次

但是使用此 API 时，partition、offset、broker、leader 等对你不再透明，需要自己去管理。你需要做大量的额外工作：

1. 必须在应用程序中跟踪 offset，从而确定下一条应该消费哪条消息
2. 应用程序需要通过程序获知每个 Partition 的 leader 是谁
3. 需要处理 leader 的变更

使用 SimpleConsumer API 的一般流程如下：

1. 查找到一个“活着”的 broker，并且找出每个 partition 的 leader
2. 找出每个 partition 的 follower
3. 定义好请求，该请求应该能描述应用程序需要哪些数据
4. fetch 数据
5. 识别 leader 的变化，并对之作出必要的响应

 consumer group

  kafka的分配单位是patition。每个consumer都属于一个group，一个partition只能被同一个group内的一个consumer所消费（也就保障了一个消息只能被group内的一个consuemr 所消费），但是多个group可以同时消费这个partition。kafka的设计目标之一就是同时实现离线处理和实时处理，根据这一特性,可以使用spark/Storm 这些实时处理系统对消息在线处理，同时使用Hadoop批处理系统进行离线处理，还可以将数据备份到另一个数据中心，只需要保证这三者属于不同的 consumer group。如下图所示：

消费方式

consumer采用pull模式从broker中读取数据。push模式很难适应消费速率不同的消费者，因为消息发送速率是由broker决定的。它的目标是尽可能以最快速度传递消息，但是这样很容易造成consumer来不及处理消息，典型的表现就是拒绝服务以及网络拥塞。而pull模式则可以根据consumer的消费能力以适当的速率消费消息。对于Kafka而言，pull模式更合适，它可简化broker的设计，consumer可自主控制消费消息的速率，同时consumer可以自己控制消费方式——即可批量消费也可逐条消费，同时还能选择不同的提交方式从而实现不同的传输语义。

consumer delivery guarantee

如果将consumer设置为autocommit，consumer一旦读到数据立即自动commit。如果只讨论这一读取消息的过程，那Kafka确保了Exactly once。但实际使用中应用程序并非在 consumer读取完数据就结束了，而是要进行进一步处理，而数据处理与commit的顺序在很大程度上决定了consumer delivery guarantee：

1.读完消息先 commit 再处理消息。
    这种模式下，如果 consumer 在 commit 后还没来得及处理消息就 crash 了，下次重新开始工作后就无法读到刚刚已提交而未处理的消息，这就对应于 At most once
2.读完消息先处理再 commit。
    这种模式下，如果在处理完消息之后 commit 之前 consumer crash 了，下次重新开始工作时还会处理刚刚未 commit 的消息，实际上该消息已经被处理过了。这就对应于 At least once。
3.如果一定要做到 Exactly once，就需要协调 offset 和实际操作的输出。
    精典的做法是引入两阶段提交。如果能让 offset 和操作输入存在同一个地方，会更简洁和通用。这种方式可能更好，因为许多输出系统可能不支持两阶段提交。比如，consumer 拿到数据后可能把数据放到 HDFS，如果把最新的 offset 和数据本身一起写到 HDFS，那就可以保证数据的输出和 offset 的更新要么都完成，要么都不完成，间接实现 Exactly once。（目前就 high-level API而言，offset 是存于Zookeeper 中的，无法存于HDFS，而SimpleConsuemr API的 offset 是由自己去维护的，可以将之存于 HDFS 中）
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consumer rebalance

当有 consumer 加入或退出、以及 partition 的改变（如 broker 加入或退出）时会触发 rebalance。consumer rebalance算法如下：

1. 将目标 topic 下的所有 partirtion 排序，存于PT
2. 对某 consumer group 下所有 consumer 排序，存于 CG，第 i 个consumer 记为 Ci
3. N=size(PT)/size(CG)，向上取整
4. 解除 Ci 对原来分配的 partition 的消费权（i从0开始）
5. 将第i*N到（i+1）*N-1个 partition 分配给 Ci
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在 0.8.*版本，每个 consumer 都只负责调整自己所消费的 partition，为了保证整个consumer group 的一致性，当一个 consumer 触发了 rebalance 时，该 consumer group 内的其它所有其它 consumer 也应该同时触发 rebalance。这会导致以下几个问题：

1.Herd effect
　　任何 broker 或者 consumer 的增减都会触发所有的 consumer 的 rebalance
2.Split Brain
　　每个 consumer 分别单独通过 zookeeper 判断哪些 broker 和 consumer 宕机了，那么不同 consumer 在同一时刻从 zookeeper 看到的 view 就可能不一样，这是由 zookeeper 的特性决定的，这就会造成不正确的 reblance 尝试。
3. 调整结果不可控
　　所有的 consumer 都并不知道其它 consumer 的 rebalance 是否成功，这可能会导致 kafka 工作在一个不正确的状态。
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 基于以上问题，kafka 设计者考虑在0.9.*版本开始使用中心 coordinator 来控制 consumer rebalance，然后又从简便性和验证要求两方面考虑，计划在 consumer 客户端实现分配方案。

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