字节终面：说说Kakfa副本状态机的实现原理？

Posted 2022-01-29 JavaEdge.

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读这源码有何用？

ReplicaStateMachine是内部组件，一般用户感觉不到存在，但搞懂它，对从根本定位一些数据不一致问题大有裨益。

部署3-Broker（A、B和C）Kafka集群，版本2.0.0。在这3个Broker上创建一个单分区、双副本主题。

• 若两个副本分别位于A、B，而Controller在C

  当关闭A、B后，zk会显示该主题的Leader是-1，ISR为空

• 但若两个副本依处A、B，而Controller在B

  依次关闭A、B，该主题在zk中的Leader和ISR就变成B。和上一case不符

虽非特严重问题，但毕竟是数据不一致，查看源码后，定位导致不一致原因：

• 在第一种情况下，Controller会调用ReplicaStateMachine，调整该主题副本的状态，进而变更Leader和ISR
• 第二种情况下，Controller执行Failover，但并未在新Controller组件初始化时进行状态转换，因而出现了不一致

不阅读这部分源码，就无法定位问题根因。

定义与初始化

• ReplicaStateMachine：副本状态机抽象类，定义了一些常用方法（如startup、shutdown等），以及handleStateChanges

  

• ZkReplicaStateMachine：副本状态机具体实现类，重写了handleStateChanges方法，实现了副本状态之间的状态转换。

  

  

• ReplicaState：副本状态集合，Kafka目前共定义了7种副本状态。

ReplicaStateMachine只需接收一个ControllerContext对象实例，ControllerContext封装了Controller端保存的所有集群元数据信息。

构造一个ZKReplicaStateMachine实例，除了ControllerContext实例，比较重要的属性还有：

• KafkaZkClient对象实例

  负责与ZooKeeper进行交互

• ControllerBrokerRequestBatch实例

  用于给集群Broker发送控制类请求（LeaderAndIsrRequest、StopReplicaRequest和UpdateMetadataRequest）

ControllerBrokerRequestBatch，将给定Request发送给指定Broker，它是如何发送请求的呢（结合ControllerBrokerStateInfo）

在副本状态转换操作的逻辑中，关键是为Broker上的副本更新信息，而这是通过Controller给Broker发送请求实现的，因此，你最好了解下这里的请求发送逻辑。

副本状态机是在何时进行初始化的？

KafkaController对象在构建时，就会初始化一个ZkReplicaStateMachine实例：

• 若一个Broker没被选举为Controller，它也会构建KafkaController对象实例吗？

  Yes！所有Broker在启动时，都会创建KafkaController实例，也随之创建ZKReplicaStateMachine实例。但只有在Controller所在的Broker，副本状态机才会被启动：

当Broker被成功推举为Controller后，onControllerFailover方法会被调用，进而启动该Broker早已创建好的副本状态机和分区状态机。

副本状态及状态管理流程

副本状态机一旦被启动，就要管理副本状态的转换。

研究管理状态前，要先明白：

• 当前都有哪些状态

• 含义分别是什么

源码中的ReplicaState定义了如下副本状态：

ReplicaState接口及其实现对象定义了每种状态的序号，以及合法的前置状态。以OnlineReplica为例：

其validPreviousStates属性是个集合类型，说明Kafka只允许副本从这4种态变更到OnlineReplica态。

其余副本状态的代码逻辑类似，关注validPreviousStates字段即可知晓每个状态合法的前置状态。

最终完整的状态转换规则：

• 单向箭头表示只允许单向状态转换

• 双向箭头则表示转换方向可以是双向

状态管理流程

• 当副本对象首次被创建后，置NewReplica态
• 初始化后，当副本对象能够对外提供服务，状态机将其调整为OnlineReplica，并一直以该状态持续工作
• 若副本所在Broker关闭或不能正常工作，副本要从OnlineReplica变更为OfflineReplica。

一旦开启如删除主题这样操作，状态机会将副本状态跳转到ReplicaDeletionStarted，表明副本删除已开启：

• 删除成功，置ReplicaDeletionSuccessful
• 不满足删除条件（如所在Broker处下线状态），置ReplicaDeletionIneligible，以便重试

当副本对象被删除后，其状态变更为NonExistentReplica，副本状态机将移除该副本数据。

具体实现类：ZkReplicaStateMachine

副本状态机的具体实现类。

状态转换方法

• logFailedStateChange

  

• logInvalidTransition

• logSuccessfulTransition

• getTopicPartitionStatesFromZk

• doRemoveReplicasFromIsr

• removeReplicasFromIsr

• doHandleStateChanges

handleStateChanges方法

handleStateChange处理状态的变更，对外提供状态转换操作的入口方法：

def handleStateChanges(replicas: Seq[PartitionAndReplica], targetState: ReplicaState): Unit

1. 调用doHandleStateChanges执行副本状态转换
2. 给集群中相应Broker批量发送请求

执行第1步时，会将replicas按Broker ID分组。

<主题名，分区号，副本Broker ID>表示副本对象

假设replicas为集合：

<test, 0, 0>

<test, 0, 1>

<test, 1, 0>

<test, 1, 1>）

则调用doHandleStateChanges前，会将replicas按Broker ID分组成：

Map(

- 0 -> Set(<test, 0, 0>, <test, 1, 0>)，

- 1 -> Set(<test, 0, 1>, <test, 1, 1>)

)

之后调用doHandleStateChanges

doHandleStateChanges

1. 尝试获取给定副本对象在Controller端元数据缓存中的当前状态：若未保存某副本对象的状态，将其初始化为NonExistentReplica态

2. 根据不同ReplicaState中定义的合法前置状态集合及传入的目标状态（targetState），将给定副本对象集合划分成两部分：

   • 能合法转换的副本对象集合

   • 执行非法状态转换的副本对象集合

     doHandleStateChanges为该集合类的每个副本对象记录一条错误日志

3. 代码携带能执行合法转换的副本对象集合，进入不同代码分支。当前Kafka为副本定义7类状态，因此，共有7条分支

包括：

• 副本被创建时被转换到NewReplica态
• 副本正常工作时被转换到OnlineReplica态
• 副本停止服务后被转换到OfflineReplica态

分支1：转换到NewReplica

尝试从元数据缓存中，获取这些副本对象的分区信息数据，包括分区的Leader副本在哪个Broker，ISR中都有哪些副本等。

若找不到对应分区数据，直接把副本状态更新为NewReplica。否则，代码就要给该副本所在Broker发送请求，让它知道该分区的信息。还要给集群所有运行中的Broker发送请求，让它们感知到新副本加入。

分支2：转换到OnlineReplica态

副本对象正常工作时所处状态：

遍历副本对象，依次执行：

1. 获取元数据中该副本所属的分区对象及该副本的当前状态
2. 查看当前状态是否是NewReplica
   1. 是，获取分区的副本列表，并判断该副本是否在于当前副本列表：不在，就记录错误日志并更新元数据中的副本列表
   2. 若状态不是NewReplica，说明这是已存在的副本对象，则源码会获取对应分区的详细数据，然后向该副本对象所在的Broker发送LeaderAndIsrRequest请求，令其同步获知，并保存该分区数据
3. 将该副本对象状态变更为OnlineReplica。至此，该副本处于正常工作状态。

分支3：转换到OfflineReplica状态

• 给所有符合状态转换的副本所在Broker，发送StopReplicaRequest，告诉这些Broker停掉对应副本
• 根据分区是否保存Leader信息，将副本集合划分成：有Leader副本集，无Leader副本集合。有无Leader信息并不仅仅包含Leader，还有ISR和controllerEpoch等数据
• 遍历有Leader子集合，向这些副本所在Broker发送LeaderAndIsrRequest请求，去更新停止副本操作之后的分区信息，再把这些分区状态置OfflineReplica
• 遍历无Leader子集合，执行与上步类似操作。只是对无Leader，因未执行任何Leader选举操作，所以给这些副本所在Broker发送的不是LeaderAndIsrRequest请求，而是UpdateMetadataRequest请求，显式告知它们更新对应分区的元数据，再把副本状态置OfflineReplica

把副本状态变更为OfflineReplica=停止对应副本+更新远端Broker元数据

总结

Kafka的副本状态机实现原理及源码：

• 副本状态机：ReplicaStateMachine是Kafka Broker端源码中控制副本状态流转的实现类。每个Broker启动时都会创建ReplicaStateMachine实例，但只有Controller组件所在的Broker才会启动它。
• 副本状态：当前，Kafka定义了7类副本状态。同时，它还规定了每类状态合法的前置状态。
• handleStateChanges：用于执行状态转换的核心方法。底层调用doHandleStateChanges方法，以7路case分支的形式穷举每类状态的转换逻辑。