Kafka高可用，高吞吐量低延迟的高并发的特性背后实现机制

Kafka高可用，高吞吐量低延迟的高并发的特性背后实现机制 1 概述

Kafka是最初由linkedin公司开发，是一个分布式、分区的、多副本的、多订阅者，基于zookeeper协调的分布式消息系统，linkedin于2010年贡献给了Apache基金会并成为顶级开源项目。

2 消息系统介绍

一个消息系统负责将数据从一个应用传递到另外一个应用，应用只需关注于数据，无需关注数据在两个或多个应用间是如何传递的。分布式消息传递基于可靠的消息队列，在客户端应用和消息系统之间异步传递消息。有两种主要的消息传递模式：点对点传递模式、发布-订阅模式。大部分的消息系统选用发布-订阅模式。Kafka就是一种发布-订阅模式。

2.1 点对点传递模式

生产者发送一条消息到queue，只有一个消费者能收到 ，这种架构描述示意图如下：

2.2 发布-订阅消息传递模式

发布者发送到topic的消息，只有订阅了topic的订阅者才会收到消息，这种架构描述示意图如下：

3 Kafka HA设计解析 3.1 如何将所有Replica均匀分布到整个集群

为了更好地做负载均衡，Kafka尽量将所有的Partition均匀分配到整个集群上。一个典型的部署方式是一个Topic的Partition数量大于Broker的数量。同时为了提高Kafka的容错能力，也需要将同一个Partition的Replica尽量分散到不同的机器。实际上，如果所有的Replica都在同一个Broker上，那一旦该Broker宕机，该Partition的所有Replica都无法工作，也就达不到HA的效果。同时，如果某个Broker宕机了，需要保证它上面的负载可以被均匀的分配到其它幸存的所有Broker上。

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

3.2 消息传递同步策略

Producer在发布消息到某个Partition时，先通过ZooKeeper找到该Partition的Leader，然后无论该Topic的Replication 数量为多少，Producer只将该消息发送到该Partition的Leader。Leader会将该消息写入其本地Log。每个Follower都从Leader pull数据。这种方式上，Follower存储的数据顺序与Leader保持一致。Follower在收到该消息并写入其Log后，向Leader发送ACK。一旦Leader收到了ISR中的所有Replica的ACK，该消息就被认为已经commit了，Leader向Producer发送ACK（前提消息生产者send消息是设置ack=all或-1）。

为了提高性能，每个Follower在接收到数据后就立马向Leader发送ACK，而非等到数据写入Log中。因此，对于已经commit的消息，Kafka只能保证它被存于多个Replica的内存中，而不能保证它们被持久化到磁盘中，也就不能完全保证异常发生后该条消息一定能被Consumer消费。

Consumer读消息也是从Leader读取，只有被commit过的消息才会暴露给Consumer。

Kafka Replication的数据流如下图所示：

4 高可用机制 4.1 kafka副本

分区中的所有副本统称为AR（Assigned Repllicas）存储在zk中，所有与leader副本保持一定程度同步的副本（包括Leader）组成ISR（In-Sync Replicas），ISR集合是AR集合中的一个子集

1、leader副本：响应客户端的读写请求

2、follow副本：备份leader的数据，不进行读写 *** 作

3、ISR集合表：leader副本和所有能够与leader副本保持基本同步的follow副本，如 果follow副本和leader副本数据同步速度过慢(消息差值超过replica.lag.max.messages阈值 )或者卡住的节点( 心跳丢失超过replica.lag.time.max.ms阈值 )，该follow将会被T出ISR集合表

ISR集合表中的副本必须满足的条件

1. 副本所在的节点与zk相连
2. 副本的最后一条消息和leader副本的最后一条消息的差值不能超过阈值replica.lag.time.max.ms如果该follower在此时间间隔之内没有追上leader,则该follower将会被T出ISR

4.2 kafka通过两个手段容错

• 数据备份：以partition为单位备份，副本数可设置。当副本数为N时，代表1个leader，N-1个followers，followers可以视为leader的consumer，拉取leader的消息，append到自己的系统中
• failover：

1. 当leader处于非同步中时，系统从followers中选举新leader( kakfa采用一种轻量级的方式：从broker集群中选出一个作为controller，这个controller监控挂掉的broker，为该broker上面的leader分区重新选主 )
2. 当某个follower状态变为非同步中时，leader会将此follower剔除ISR，当此follower恢复并完成数据同步之后再次进入 ISR

5 kafka高吞吐机制 5.1、零拷贝——Page Cache 结合 sendfile 方法，Kafka消费端的性能也大幅提升

当Kafka客户端从服务器读取数据时，如果不使用零拷贝技术，那么大致需要经历这样的一个过程：

1. *** 作系统将数据从磁盘上读入到内核空间的读缓冲区中。

2.应用程序（也就是Kafka）从内核空间的读缓冲区将数据拷贝到用户空间的缓冲区中。

3.应用程序将数据从用户空间的缓冲区再写回到内核空间的socket缓冲区中。

4. *** 作系统将socket缓冲区中的数据拷贝到NIC缓冲区中，然后通过网络发送给客户端。

非零拷贝

从图中可以看到，数据在内核空间和用户空间之间穿梭了两次，那么能否避免这个多余的过程呢？当然可以，Kafka使用了零拷贝技术，也就是直接将数据从内核空间的读缓冲区直接拷贝到内核空间的socket缓冲区，然后再写入到NIC缓冲区，避免了在内核空间和用户空间之间穿梭。

零拷贝

可见，这里的零拷贝并非指一次拷贝都没有，而是避免了在内核空间和用户空间之间的拷贝。如果真是一次拷贝都没有，那么数据发给客户端就没了不是？不过，光是省下了这一步就可以带来性能上的极大提升。

5.2、分区分段+索引

Kafka的message是按topic分类存储的，topic中的数据又是按照一个一个的partition即分区存储到不同broker节点。每个partition对应了 *** 作系统上的一个文件夹，partition实际上又是按照segment分段存储的,通过这种分区分段的设计，Kafka的message消息实际上是分布式存储在一个一个小的segment中的，每次文件 *** 作也是直接 *** 作的segment。为了进一步的查询优化，Kafka又默认为分段后的数据文件建立了索引文件，就是文件系统上的.index文件。这种分区分段+索引的设计，不仅提升了数据读取的效率，同时也提高了数据 *** 作的并行 *** 作的能力

5.3、批量发送

kafka允许进行批量发送消息，producter发送消息的时候，可以将消息缓存在本地,等到了固定条件发送到kafka

1. 等消息条数到固定条数
2. 一段时间发送一次

5.4、数据压缩

Kafka还支持对消息集合进行压缩，Producer可以通过GZIP或Snappy格式对消息集合进行压缩 压缩的好处就是减少传输的数据量，减轻对网络传输的压力

6 kafka防止消息丢失和重复 6.1 ack简介

Kafka的ack机制，指的是producer的消息发送确认机制，这直接影响到Kafka集群的吞吐量和消息可靠性。

ack有3个可选值，分别是1，0，-1，ack的默认值就是1

ack=1，简单来说就是，producer只要收到一个leader成功写入的通知就认为推送消息成功了——至少一次（at least once）: 消息不会丢失，但可能被处理多次。

ack=0，简单来说就是，producer发送一次就不再发送了，不管是否发送成功——最多一次（at most once）: 消息可能丢失也可能被处理，但最多只会被处理一次

ack=-1，简单来说就是，producer只有收到分区内所有副本的成功写入的通知才认为推送消息成功了

6.2 生产者丢失和重复 6.2.1 数据丢失的情况

当ack=0时，如果有一台broker挂掉，那么那台broker就会接收不到这条消息

当ack=1时，如果有一台follower挂掉，那么这台follower也会丢失这条消息，

　　　　　　或者follower还未同步leader的数据，leader挂了，也会丢失消息

6.2.2 数据重复的情况

当ack=-1时，只要有一台follower没有与leader同步，生产者就会重新发送消息，这就造成了消息的重复

6.2.3 避免方法

开启精确一次性，也就是幂等性， 再引入producer事务 ，即客户端传入一个全局唯一的Transaction ID，这样即使本次会话挂掉也能根据这个id找到原来的事务状态

enable.idempotence=true 

开启后，kafka首先会让producer自动将 acks=-1，再将producer端的retry次数设置为Long.MaxValue,再在集群上对每条消息进行标记去重！

6.2.4 去重原理

每个生产者线程生成的每条数据，都会添加由生产者id，分区号，随机的序列号组成的标识符： (producerid,partition,SequenceId),通过标识符对数据进行去重！

但是只能当次会话有效，如果重启了就没有效果，所以需要开启事务的支持，由客户端传入一个全局唯一的Transaction ID，这样即使本次会话挂掉也能根据这个id找到原来的事务状态。

6.3 消费者重复消费 6.3.1 重复消费直接原因

消费者是以维护offset的方式来消费数据的，所以如果在提交offset的过程中出问题，就会造成数据的问题， 即已经消费了数据，但是offset没提交

6.3.2 解决办法

1.手动维护offset

2.加大这个参数kafka.consumer.session.timeout，以避免被错误关闭的情况

3.加大消费能力

4.在下游对数据进行去重

7 kafka消息如何确定发送到Partition分区

7.1 生产者在发送消息时指定一个partition

7.2 kafka的消息内容包含了key-value键值对，key的作用之一就是确定消息的分区所在。默认情况下， kafka 采用的是 hash 取模的分区算法即 hash(key) % partitions.size

7.3 既没指定partition也没有key 则”metadata.max.age.ms”的时间范围内轮询算法选择一个

8 kafka消息如何确定Partition分区到Consumer

如果所有的消费者实例在同一消费组中，消息记录会负载平衡到每一个消费者实例。

如果所有的消费者实例在不同的消费组中，每条消息记录会广播到消费组中所有的消费者进程。

如图，这个 Kafka 集群有两台 server 的，四个分区(p0-p3)和两个消费者组。消费组A有两个消费者，消费组B有四个消费者。

c1、c2在一个group A中消费不同的P，同样group B也是这样，保证消费中某个节点丢失可以正常消费

 

9 kafka强依赖于ZooKeeper的工作原理 10 kafka如何保证数据的顺序消费——案例 10.1 关于顺序消费的几点说明：

①、kafka的顺序消息仅仅是通过partitionKey，将某类消息写入同一个partition，一个partition只能对应一个消费线程，以保证数据有序。

②、除了发送消息需要指定partitionKey外，producer和consumer实例化无区别。

③、kafka broker宕机，kafka会有自选择，所以宕机不会减少partition数量，也就不会影响partitionKey的sharding。

10.2 问题：在1个topic中，有3个partition，那么如何保证数据的消费？

1、如顺序消费中的第①点说明，生产者在写的时候，可以指定一个 key， 比如说我们指定了某个订单 id 作为 key，那么这个订单相关的数据，一定会被分发到同一个 partition 中去，而且这个 partition 中的数据一定是有顺序的。

2、消费者从 partition 中取出来数据的时候，也一定是有顺序的。到这里，顺序还是 ok 的，没有错乱。

3、但是消费者里可能会有多个线程来并发来处理消息。因为如果消费者是单线程消费数据，那么这个吞吐量太低了。而多个线程并发的话，顺序可能就乱掉了。

10.3 解决方案

写N个queue，将具有相同key%的数据都存储在同一个queue，然后对于N个线程，每个线程分别消费一个queue即可。
注：在单线程中，一个 topic，一个 partition，一个 consumer，内部单线程消费，这样的状态数据消费是有序的。但由于单线程吞吐量太低，在数据庞大的实际场景很少采用。

希望能对你有所帮助！

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