副本和分区状态机
1 前言
Controller 是从Kafka集群中选取一个的broker，负责管理topic分区和副本的状态的变化，通过上篇我们知道了controller的启动流程，这篇我们学习一下分区和副本状态机。
分区状态机记录着当前集群所有 Partition 的状态信息以及如何对 Partition 状态转移进行相应的处理；副本状态机则是记录着当前集群所有 Replica 的状态信息以及如何对 Replica 状态转变进行相应的处理。
2 PartitionStateMachine
PartitionStateMachine 记录着集群所有 Partition 的状态信息，它决定着一个 Partition 处在什么状态以及它在什么状态下可以转变为什么状态，Kafka 中 Partition 的状态总共有以下四种类型：
- l NonExistentPartition：这个代表着这个 Partition 之前没有被创建过或者之前创建了现在又被删除了，它有效的前置状态是 OfflinePartition；
- l NewPartition：Partition 创建后，它将处于这个状态，这个状态的 Partition 还没有 leader 和 isr，它有效的前置状态是 NonExistentPartition；
- l OnlinePartition：一旦这个 Partition 的 leader 被选举出来了，它将处于这个状态，它有效的前置状态是 NewPartition、OnlinePartition、OfflinePartition；
- l OfflinePartition：如果这个 Partition 的 leader 掉线，这个 Partition 将被转移到这个状态，它有效的前置状态是 NewPartition、OnlinePartition、OfflinePartition。
分区状态机转移图如下所示：
先看下 KafkaController 在启动时，调用 PartitionStateMachine 的 startup() 方法初始化的处理过程。
PartitionStateMachine 的初始化方法如下所示：
在这个方法中，PartitionStateMachine 先调用 initializePartitionState() 方法初始化集群中所有 Partition 的状态信息：
- l 如果该 Partition 有 LeaderAndIsr 信息，那么如果 Partition leader 所在的机器是 alive 的，那么将其状态设置为 OnlinePartition，否则设置为 OfflinePartition 状态；
- l 如果该 Partition 没有 LeaderAndIsr 信息，那么将其状态设置为 NewPartition。
这里只是将 Partition 的状态信息更新分区状态机的缓存 partitionState 中，并没有真正进行状态的转移。
在初始化的第二步，将会调用 triggerOnlinePartitionStateChange() 方法，为所有的状态为 NewPartition/OnlinePartition 的 Partition 进行 leader 选举，选举成功后的话，其状态将会设置为 OnlinePartition。
上面方法的目的是为尝试将所有的状态为 NewPartition/OnlinePartition 的 Partition 状态转移到 OnlinePartition，这个方法主要是做了两件事：
- l 状态转移（这个在下面详细讲述）；
- l 发送相应的请求。
2.1分区的状态转移
这里以要转移的 TargetState 区分做详细详细讲解，当 TargetState 分别是 NewPartition、OfflinePartition、NonExistentPartition 或者 OnlinePartition 时，副本状态机所做的事情。
TargetState: NewPartition
NewPartition 是 Partition 刚创建时的一个状态，其处理逻辑如下：
实现逻辑：
l 校验其前置状态，它有效的前置状态为 NonExistentPartition；
l 将该 Partition 的状态转移为 NewPartition 状态，并且更新到缓存中。
TargetState: OnlinePartition
OnlinePartition 是一个 Partition 正常工作时的状态，这个状态下的 Partition 已经成功选举出了 leader 和 isr 信息，其实现逻辑如下：
实现逻辑：
- l 校验这个 Partition 的前置状态，有效的前置状态是：NewPartition、OnlinePartition 或者 OfflinePartition；
- l 如果前置状态是 NewPartition，那么为该 Partition 选举 leader 和 isr，更新到 zk 和 controller 的缓存中，如果副本没有处于 alive 状态的话，就抛出异常；
- l 如果前置状态是 OnlinePartition，那么只是触发 leader 选举，在 OnlinePartition –> OnlinePartition 这种状态转移时，需要传入 leader 选举的方法，触发该 Partition 的 leader 选举；
- l 如果前置状态是 OfflinePartition，同上，也是触发 leader 选举。
- l 更新 Partition 的状态为 OnlinePartition。
对于以上这几种情况，无论前置状态是什么，最后都会触发这个 Partition 的 leader 选举，leader 成功后，都会触发向这个 Partition 的所有 replica 发送 LeaderAndIsr 请求。
TargetState: OfflinePartition
OfflinePartition 是这个 Partition 的 leader 挂掉时转移的一个状态，如果 Partition 转移到这个状态，那么就意味着这个 Partition 没有了可用 leader。
实现逻辑：
- l 校验其前置状态，它有效的前置状态为 NewPartition、OnlinePartition 或者 OfflinePartition；
- l 将该 Partition 的状态转移为 OfflinePartition 状态，并且更新到缓存中。
TargetState: NonExistentPartition
NonExistentPartition 代表了已经处于 OfflinePartition 状态的 Partition 已经从 metadata 和 zk 中删除后进入的状态。
实现逻辑：
- l 校验其前置状态，它有效的前置状态为 OfflinePartition；
- l 将该 Partition 的状态转移为 NonExistentPartition 状态，并且更新到缓存中。
2.2状态转移触发的条件
这里主要是看一下上面 Partition 各种转移的触发的条件，整理的结果如下表所示，部分内容会在后续文章讲解。
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TargetState |
触发方法 |
作用 |
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OnlinePartition |
Controller 的 shutdownBroker() |
优雅关闭 Broker 时调用，因为要下线的节点是 leader，所以需要触发 leader 选举 |
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OnlinePartition |
Controller 的 onNewPartitionCreation() |
Partition 新建时，这个是在 Replica 已经变为 NewPartition 状态后进行的，为新建的 Partition 初始化 leader 和 isr |
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OnlinePartition |
controller 的 onPreferredReplicaElection() |
对 Partition 进行最优 leader 选举，目的是触发 leader 选举 |
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OnlinePartition |
controller 的 moveReassignedPartitionLeaderIfRequired() |
分区副本迁移完成后，1. 当前的 leader 不在 RAR 中，需要触发 leader 选举；2. 当前 leader 在 RAR 但是掉线了，也需要触发 leader 选举 |
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OnlinePartition |
PartitionStateMachine 的 triggerOnlinePartitionStateChange() |
当 Controller 重新选举出来或 broker 有变化时，目的为了那些状态为 NewPartition/OfflinePartition 的 Partition 重新选举 leader，选举成功后状态变为 OnlinePartition |
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OnlinePartition |
PartitionStateMachine 的 initializePartitionState() |
Controller 初始化时，遍历 zk 的所有的分区，如果有 LeaderAndIsr 信息并且 leader 在 alive broker 上，那么就将状态转为 OnlinePartition。 |
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OfflinePartition |
controller 的 onBrokerFailure() |
当有 broker 掉线时，将 leader 在这个机器上的 Partition 设置为 OfflinePartition |
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OfflinePartition |
TopicDeletionManager 的 completeDeleteTopic() |
Topic 删除成功后，中间会将该 Partition 的状态先转变为 OfflinePartition |
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NonExistentPartition |
TopicDeletionManager 的 completeDeleteTopic() |
Topic 删除成功后，最后会将该 Partition 的状态转移为 NonExistentPartition |
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NewPartition |
Controller 的 onNewPartitionCreation() |
Partition 刚创建时的一个中间状态 ，此时还没选举 leader 和设置 isr 信息 |
3 ReplicaStateMachine
ReplicaStateMachine 记录着集群所有 Replica 的状态信息，它决定着一个 replica 处在什么状态以及它在什么状态下可以转变为什么状态，Kafka 中副本的状态总共有以下七种类型：
- l NewReplica：这种状态下 Controller 可以创建这个 Replica，这种状态下该 Replica 只能作为 follower，它可以是当创建topic或分区重新分配期间副本被创建，也可以是 Replica 删除后的一个临时状态，它有效的前置状态是 NonExistentReplica；
- l OnlineReplica：一旦这个 Replica 被分配到指定的 Partition 上，并且 Replica 创建完成，那么它将会被置为这个状态，在这个状态下，这个 Replica 既可以作为 leader 也可以作为 follower，它有效的前置状态是 NewReplica、OnlineReplica 或 OfflineReplica；
- l OfflineReplica：如果一个 Replica 挂掉（所在的节点宕机或者其他情况），该 Replica 将会被转换到这个状态，它有的效前置状态是 NewReplica、OfflineReplica 或者 OnlineReplica；
- l ReplicaDeletionStarted：Replica 开始删除时被置为的状态，它有效的前置状态是 OfflineReplica；
- l ReplicaDeletionSuccessful：如果 Replica 在删除时没有遇到任何错误信息，它将被置为这个状态，这个状态代表该 Replica 的数据已经从节点上清除了，它有效的前置状态是 ReplicaDeletionStarted；
- l ReplicaDeletionIneligible：如果 Replica 删除失败，它将会转移到这个状态，这个状态意思是非法删除，也就是删除是无法成功的，它有效的前置状态是 ReplicaDeletionStarted；
- l NonExistentReplica：如果 Replica 删除成功，它将被转移到这个状态，它有效的前置状态是：ReplicaDeletionSuccessful。
上面的状态中其中后面4是专门为 Replica 删除而服务的，副本状态机转移图如下所示：
在之前介绍KafkaController 在启动时，会调用 ReplicaStateMachine 的 startup() 方法初始化的处理过程。
在这个方法中，ReplicaStateMachine 先调用 initializeReplicaState() 方法初始化集群中所有 Replica 的状态信息，如果 Replica 所在机器是 alive 的，那么将其状态设置为 OnlineReplica，否则设置为 ReplicaDeletionIneligible 状态，这里只是将 Replica 的状态信息更新副本状态机的缓存 replicaState中，并没有真正进行状态转移的操作。
接着第二步调用 handleStateChanges() 将所有存活的副本状态转移为 OnlineReplica 状态，这里才是真正进行状态转移的地方，其具体实现如下：
这里是副本状态机 startup() 方法的最后一步，它的目的是将所有 alive 的 Replica 状态转移到 OnlineReplica 状态，由于前面已经这些 alive replica 的状态设置成了 OnlineReplica，所以这里 Replica 的状态转移情况是：OnlineReplica –> OnlineReplica，这个方法主要是做了两件事：
- l 状态转移（这个在下面详细讲述）；
- l 发送相应的请求。
3.1 副本的状态转移
TargetState: NewReplica
NewReplica 这个状态是 Replica 准备开始创建是的一个状态，其实现逻辑如下：
当想要把 Replica 的状态转移为 NewReplica 时，副本状态机的处理逻辑如下：
- l 校验 Replica 的前置状态，只有处于 NonExistentReplica 状态的副本才能转移到 NewReplica 状态；
- l 从 zk 中获取该 Topic-Partition 的 LeaderIsrAndControllerEpoch 信息；
- l 如果获取不到上述信息，直接将该 Replica 的状态转移成 NewReplica，然后结束流程（对与新建的 Partition，处于这个状态时，该 Partition 是没有相应的 LeaderAndIsr 信息的）；
- l 获取到 Partition 的 LeaderIsrAndControllerEpoch 信息，如果发现该 Partition 的 leader 是当前副本，那么就抛出 StateChangeFailedException 异常，因为处在这个状态的 Replica 是不能被选举为 leader 的；
- l 获取到了 Partition 的 LeaderIsrAndControllerEpoch 信息，并且该 Partition 的 leader 不是当前 replica，那么向该 Partition 的所有 Replica 添加一个 LeaderAndIsr 请求（添加 LeaderAndIsr 请求时，实际上也会向所有的 Broker 都添加一个 Update-Metadata 请求）；
- l 最后将该 Replica 的状态转移成 NewReplica，然后结束流程。
TargetState: ReplicaDeletionStarted
这是 Replica 开始删除时的状态，Replica 转移到这种状态的处理实现如下：
这部分的实现逻辑：
- l 校验其前置状态，Replica 只能是在 OfflineReplica 的情况下才能转移到这种状态；
- l 更新向该 Replica 的状态为 ReplicaDeletionStarted；
- l 向该 replica 发送 StopReplica 请求（deletePartition = true），收到这请求后，broker 会从物理存储上删除这个 Replica 的数据内容；
- l 如果请求返回的话会触发其回调函数（这部分会在 topic 删除部分讲解）。
TargetState: ReplicaDeletionIneligible
ReplicaDeletionIneligible 是副本删除失败时的状态，Replica 转移到这种状态的处理实现如下：
实现逻辑：
- l 校验其前置状态，Replica 只能是在 ReplicaDeletionStarted 下才能转移这种状态；
- l 更新该 Replica 的状态为 ReplicaDeletionIneligible。
TargetState: ReplicaDeletionSuccessful
ReplicaDeletionSuccessful 是副本删除成功时的状态，Replica 转移到这种状态的处理实现如下：
实现逻辑：
- l 检验其前置状态，Replica 只能是在 ReplicaDeletionStarted 下才能转移这种状态；
- l 更新该 Replica 的状态为 ReplicaDeletionSuccessful。
TargetState: NonExistentReplica
NonExistentReplica 是副本完全删除、不存在这个副本的状态，Replica 转移到这种状态的处理实现如下：
实现逻辑：
- l 检验其前置状态，Replica 只能是在 ReplicaDeletionSuccessful 下才能转移这种状态；
- l 在 controller 的 partitionReplicaAssignment 删除这个 Partition 对应的 replica 信息；
- l 从 Controller 和副本状态机中将这个 Topic 从缓存中删除。
TargetState: OnlineReplica
OnlineReplica 是副本正常工作时的状态，此时的 Replica 既可以作为 leader 也可以作为 follower，Replica 转移到这种状态的处理实现如下：
从前面的状态转移图中可以看出，当 Replica 处在 NewReplica、OnlineReplica、OfflineReplica 或者 ReplicaDeletionIneligible 状态时，Replica 是可以转移到 OnlineReplica 状态的，下面分两种情况讲述：
NewReplica –> OnlineReplica 的处理逻辑如下：
- l 从 Controller 的 partitionReplicaAssignment 中获取这个 Partition 的 AR；
- l 如果 Replica 不在 AR 中的话，那么就将其添加到 Partition 的 AR 中；
- l 最后将 Replica 的状态设置为 OnlineReplica 状态。
OnlineReplica/OfflineReplica/ReplicaDeletionIneligible –> OnlineReplica 的处理逻辑如下：
- l 从 Controller 的 partitionLeadershipInfo 中获取 Partition 的 LeaderAndIsr 信息；
- l 如果该信息存在，那么就向这个 Replica 所在 broker 添加这个 Partition 的 LeaderAndIsr 请求，并将 Replica 的状态设置为 OnlineReplica 状态；
- l 否则不做任务处理；
- l 最后更新AR Replica 的状态为 OnlineReplica。
TargetState: OfflineReplica
OfflineReplica 是 Replica 所在 Broker 掉线时 Replica 的状态，转移到这种状态的处理逻辑如下：
处理逻辑如下：
- l 校验其前置状态，只有 Replica 在 NewReplica、OnlineReplica、OfflineReplica 或者 ReplicaDeletionIneligible 状态时，才能转移到这种状态；
- l 向该 Replica 所在节点发送 StopReplica 请求（deletePartition = false）；
- l 调用 Controller 的 removeReplicaFromIsr() 方法将该 replica 从 Partition 的 isr 移除这个 replica（前提 isr 中还有其他有效副本），然后向该 Partition 的其他副本发送 LeaderAndIsr 请求；
- l 更新这个 Replica 的状态为 OfflineReplica。
3.2状态转移触发的条件
这里主要是看一下上面 Replica 各种转移的触发的条件，整理的结果如下表所示
|
TargetState |
触发方法 |
作用 |
|
OnlineReplica |
KafkaController 的 onBrokerStartup() |
Broker 启动时，目的是将在该节点的 Replica 状态设置为 OnlineReplica |
|
OnlineReplica |
KafkaController 的 onNewPartitionCreation() |
新建 Partition 时，Replica 初始化及 Partition 状态变成 OnlinePartition 后，新创建的 Replica 状态也变为 OnlineReplica； |
|
OnlineReplica |
KafkaController 的 onPartitionReassignment() |
副本迁移完成后，RAR 中的副本设置为 OnlineReplica 状态 |
|
OnlineReplica |
ReplicaStateMachine 的 startup() |
副本状态机刚初始化启动时，将存活的副本状态设置为 OnlineReplica |
|
OfflineReplica |
TopicDeletionManager 的 markTopicForDeletionRetry() |
将删除失败的 Replica 设置为 OfflineReplica，重新进行删除 |
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OfflineReplica |
TopicDeletionManager 的 startReplicaDeletion() |
开始副本删除时，先将副本设置为 OfflineReplica |
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OfflineReplica |
KafkaController 的 shutdownBroker() 方法 |
优雅关闭 broker 时，目的是把下线节点上的副本状态设置为 OfflineReplica |
|
OfflineReplica |
KafkaController 的 onBrokerFailure() |
broker 掉线时，目的是把下线节点上的副本状态设置为 OfflineReplica |
|
NewReplica |
KafkaController 的 onNewPartitionCreation() |
Partition 新建时，当 Partition 状态变为 NewPartition 后，副本的状态变为 NewReplica |
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NewReplica |
KafkaController 的 startNewReplicasForReassignedPartition() |
Partition 副本迁移时，将新分配的副本状态设置为 NewReplica； |
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ReplicaDeletionStarted |
TopicDeletionManager 的 startReplicaDeletion() |
下线副本时，将成功设置为 OfflineReplica 的 Replica 设置为 ReplicaDeletionStarted 状态，开始物理上删除副本数据（也是发送 StopReplica） |
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ReplicaDeletionStarted |
KafkaController 的 stopOldReplicasOfReassignedPartition() |
Partition 的副本迁移时，目的是下线那些 old replica，新的 replica 已经迁移到新分配的副本上了 |
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ReplicaDeletionSuccessful |
TopicDeletionManager 的 completeReplicaDeletion() |
物理将数据成功删除的 Replica 状态会变为这个 |
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ReplicaDeletionSuccessful |
KafkaController 的 stopOldReplicasOfReassignedPartition() |
Partition 的副本迁移时，在下线那些旧 Replica 时的一个状态，删除成功 |
|
ReplicaDeletionIneligible |
TopicDeletionManager 的 startReplicaDeletion() |
开始副本删除时，删除失败的副本会设置成这个状态 |
|
ReplicaDeletionIneligible |
KafkaController 的 stopOldReplicasOfReassignedPartition() |
Partition 副本迁移时，在下线那些旧的 Replica 时的一个状态，删除失败 |
|
NonExistentReplica |
TopicDeletionManager 的 completeReplicaDeletion() |
副本删除成功后（状态为 ReplicaDeletionSuccessful），从状态机和 Controller 的缓存中清除该副本的记录； |
|
NonExistentReplica |
KafkaController 的 stopOldReplicasOfReassignedPartition() |
Partition 的副本成功迁移、旧副本成功删除后，从状态机和 Controller 的缓存中清除旧副本的记录 |
参考资料：
https://blog.csdn.net/lizhitao/article/details/28108919