Kafka文件存储机制那些事

Kafak采用内存映射文件、硬盘顺序写入技术提示性能。即便是顺序写入硬盘，硬盘的访问速度还是不可能追上内存。所以Kafka的数据并不是实时的写入硬盘，

它充分利用了现代操作系统分页存储来利用内存提高I/O效率。

一、顺序写入

在机械硬盘上写还是在固态硬盘上写。尽管结论都是顺序写比随机写快，但是原因却是不一样的。

1. 机械硬盘

机械硬盘的结构你可以想象成一个唱片机，它有一个旋转的盘片和一个能沿半径方向移动的磁头。处理读取和写入请求时，

首先可以根据请求的开始地址算出要处理的数据在磁盘上的位置，之后要进行以下几步工作：

1、磁头沿半径方向移动，直至移动到数据所在的柱面（相同半径的磁道组成的环面）

2、盘片高速旋转，使磁头到达数据的起始位置

3、磁头沿磁道从磁盘读取或写入数据

当一次读取的数据量很少的时候，1、2步骤带来的开销是无法忽略的，这使得随机写相对于顺序写会有巨大的性能劣势。

因为在顺序写的时候，1、2步骤只需要执行一次，剩下的全是数据传输所需要的固有开销；

而每次随机写的时候，前两个步骤都需要执行，带来了极大的额外开销。

2. 固态硬盘

理论上来说，它不应该存在明显的随机写与顺序写的速度差异，因为它就是一块支持随机寻址的存储芯片，没有寻道和旋转盘片的开销，但是随机写实际

上还是比顺序写要慢。这是由于其存储介质闪存的一些特性导致的，简单来说：

1、闪存不支持in-place update：你更新一个数据，不可以直接在原有数据上改，而要写到新的空白的地方，并把原有数据标记为失效。

2、标记失效的数据不是浪费空间么？可以将其清除。但是闪存上清除操作的最小单位是一个大块，大约128K-256K的大小。

一次清除会影响到还未标记失效的有用的数据，要先把它们移走。

二、内存映射文件

java io操作中通常采用BufferedReader，BufferedInputStream等带缓冲的IO类处理大文件，不过java nio中引入MappedByteBuffer操作大文件的方式，其读写性能极高。

File.read()将文件从硬盘拷贝到内核空间的一个缓冲区，再将这些数据拷贝到用户空间，实际上进行了两次数据拷贝。

FileChannal.map()直接将文件从硬盘拷贝到用户空间，只进行了一次数据拷贝。

public class MapMemeryBuffer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(14 * 1024 * 1024);
        byte[] bytes = new byte[14 * 1024 * 1024];
        FileInputStream fis = new FileInputStream("d:\java_transactions_book.pdf");
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("d:\java_transactions_book_copy.pdf");
        FileChannel fileChannel = fis.getChannel();

        long timeStar = System.currentTimeMillis();
        // 读取
        //fileChannel.read(byteBuf);
        MappedByteBuffer mbb = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, fileChannel.size());
        long timeEnd = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Read time :" + (timeEnd - timeStar) + "ms");

        timeStar = System.currentTimeMillis();
        // 写入
        //fos.write(bytes);
        // After a sequence of channel-read or put operations,
        // invoke this method to prepare for a sequence of channel-write or relative get operations.
        mbb.flip();
        timeEnd = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Write time :" + (timeEnd - timeStar) + "ms");

        fos.flush();
        fileChannel.close();
        fis.close();
    }
}

2.注意

A mapped byte buffer and the file mapping that it represents remain valid until the buffer itself is garbage-collected.

The content of a mapped byte buffer can change at any time, for example if the content of the corresponding region of the mapped file

is changed by this program or another. Whether or not such changes occur, and when they occur, is operating-system dependent and

therefore unspecified.

All or part of a mapped byte buffer may become inaccessible at any time, for example if the mapped file is truncated. An attempt to access an

inaccessible region of a mapped byte buffer will not change the buffer's content and will cause an unspecified exception to be thrown either at

the time of the access or at some later time. It is therefore strongly recommended that appropriate precautions be taken to avoid the manipulation

of a mapped file by this program, or by a concurrently running program, except to read or write the file's content.

Mapped byte buffers otherwise behave no differently than ordinary direct byte buffers.

解决：

AccessController.doPrivileged(newPrivilegedAction() {   
  publicObject run() {   
    try{   
       Method getCleanerMethod = buffer.getClass().getMethod("cleaner",newClass[0]);   
       getCleanerMethod.setAccessible(true);   
       sun.misc.Cleaner cleaner = (sun.misc.Cleaner)   
       getCleanerMethod.invoke(byteBuffer,newObject[0]);   
       cleaner.clean();   
     } catch(Exception e) {   
       e.printStackTrace();   
     }   
    returnnull;   
   }   
});

参考：

美团：Kafka文件存储机制那些事

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