Kafka控制器选举流程剖析

Posted 2021-01-16

1.概述

平时在使用Kafka的时候，可能关注的更多的是Kafka系统层面的。今天来给大家剖析一下Kafka的控制器，了解一下Kafka控制器的选举流程。

2.内容

Kafka控制器，其实就是一个Kafka系统的Broker。它除了具有一般Broker的功能之外，还具有选举主题分区Leader节点的功能。在启动Kafka系统时，其中一个Broker会被选举为控制器，负责管理主题分区和副本状态，还会执行分区重新分配的管理任务。

如果在Kafka系统运行过程中，当前的控制器出现故障导致不可用，那么Kafka系统会从其他正常运行的Broker中重新选举出新的控制器。

2.1 控制器启动顺序

在Kafka集群中，每个Broker在启动时会实例化一个KafkaController类。该类会执行一系列业务逻辑，选举出主题分区的Leader节点，步骤如下：

第一个启动的代理节点，会在Zookeeper系统里面创建一个临时节点/controller，并写入该节点的注册信息，使该节点成为控制器；
其他的代理节点陆续启动时，也会尝试在Zookeeper系统中创建/controller节点，但是由于/controller节点已经存在，所以会抛出“创建/controller节点失败异常”的信息。创建失败的代理节点会根据返回的结果，判断出在Kafka集群中已经有一个控制器被成功创建了，所以放弃创建/controller节点，这样就确保了Kafka集群控制器的唯一性；
其他的代理节点，会在控制器上注册相应的监听器，各个监听器负责监听各自代理节点的状态变化。当监听到节点状态发生变化时，会触发相应的监听函数进行处理。
2.2 如何查看控制器优先级 ?

控制器创建的优先级是按照Kafka系统代理节点成功启动的顺序来创建的。用户可以通过改变Kafka系统代理节点的启动顺序，来查看控制器的创建优先级。之后，可以在Zookeeper系统中查看/controller临时节点的内容，例如：

进入Zookeeper集群

[[email protected] bin]$ zkCli.sh -server dn1:2181

执行查看命令

[zk: dn1:2181(CONNECTED) 1] get /controller
成功执行命令后，可以看到代理节点0（即dn1节点）上成功创建了控制器，如下图所示：

图片描述(最多50字)

当前启动顺序为：dn1、dn2、dn3，修改启动顺序为：dn3、dn1、dn2。再次查看Zookeeper系统中执行“get /controller”命令，输出结果如下图所示：

图片描述(最多50字)

2.3 切换控制器所属的代理节点

当控制器被关闭或者与Zookeeper系统断开连接时，Zookeeper系统上的临时节点就会被清除。Kafka集群中的监听器会接收到变更通知，各个代理节点会尝试到Zookeeper系统中创建一个控制器的临时节点。第一个成功在Zookeeper系统中创建的代理节点，将会成为新的控制器。每个新选举出来的控制器，会在Zookeeper系统中获取一个递增的controller_epoch值。

3.主题分区Leader节点的选举过程

选举控制器的核心思路是：各个代理节点公平竞争抢占Zookeeper系统中创建/controller临时节点，最先创建成功的代理节点会成为控制器，并拥有选举主题分区Leader节点的功能。选举流程如下图所示：

图片描述(最多50字)

当Kafka系统实例化KafkaController类时，主题分区Leader节点的选举流程便会开始。其中涉及的核心类包含KafkaController、ZookeeperLeaderElector、LeaderChangeListener、SessionExpirationListener。

KafkaController：在实例化ZookeeperLeaderElector类时，分别设置了两个关键的回调函数，即onControllerFailover和onControllerResignation；
ZookeeperLeaderElector：实现主题分区的Leader节点选举功能，但是它并不会处理“代理节点与Zookeeper系统之间出现的会话超时”这种情况，它主要负责创建元数据存储路径、实例化变更监听器等，并通过订阅数据变更监听器来实时监听数据的变化，进而开始执行选举Leader的逻辑；
LeaderChangeListener：如果节点数据发送变化，则Kafka系统中的其他代理节点可能已经成为Leader，接着Kafka控制器会调用onResigningAsLeader函数。当Kafka代理节点宕机或者被人为误删除时，则处于该节点上的Leader会被重新选举，通过调用onResigningAsLeader函数重新选择其他正常运行的代理节点成为新的Leader；
SessionExpirationListener：当Kafka系统的代理节点和Zookeeper系统建立连接后，SessionExpirationListener中的handleNewSession函数会被调用，对于Zookeeper系统中会话过期的连接，会先进行一次判断。
4.注册分区和副本状态机

Kafka系统的控制器主要负责管理主题、分区和副本。 Kafka系统在操作主题、分区和副本时，控制器会在Zookeeper系统的/brokers/topics节点，以及其子节点路径上注册一系列的监听器。 使用Kafka应用接口或者是Kafka系统脚本创建一个主题时，服务端会将创建后的结果返回给客户端。当客户端收到创建成功的提示时，其实服务端并没有实际创建主题，而只是在Zookeeper系统的/brokers/topics节点中创建了该主题对应的子节点名称。

代理节点调用onBecomingLeader()函数实际上调用的是onControllerFailover()函数，所以在控制器调用onControllerFailover()函数时，会在初始化阶段分别创建分区状态机和副本状态机。代码如下所示：

def onControllerFailover() {
if(isRunning) {
info("Broker %d starting become controller state
transition".format(config.brokerId))
readControllerEpochFromZookeeper()
incrementControllerEpoch(zkUtils.zkClient)
// 在/brokers/topics节点注册监听器
registerReassignedPartitionsListener()
registerIsrChangeNotificationListener()
registerPreferredReplicaElectionListener()
partitionStateMachine.registerListeners() // 注册分区状态机
replicaStateMachine.registerListeners() // 注册副本状态机
initializeControllerContext()
// 在控制器初始化之后，在状态机启动之前，需要发送更新元数据请求
sendUpdateMetadataRequest(controllerContext.liveOrShuttingDownBrokerIds.toSeq)

  replicaStateMachine.startup()                  // 启动副本状态机
  partitionStateMachine.startup()                // 启动分区状态机
  // 在自动故障转移中为所有主题注册分区更改监听器
  controllerContext.allTopics.foreach(topic => partitionStateMachine.
          registerPartitionChangeListener(topic))
  info("Broker %d is ready to serve as the new controller with epoch %d".
          format(config.brokerId, epoch))
  maybeTriggerPartitionReassignment()
  maybeTriggerPreferredReplicaElection()
  if (config.autoLeaderRebalanceEnable) {
    info("starting the partition rebalance scheduler")
    autoRebalanceScheduler.startup()
    autoRebalanceScheduler.schedule("partition-rebalance-thread", 
        checkAndTriggerPartitionRebalance,
          5, 
          config.leaderImbalanceCheckIntervalSeconds.toLong, 
          TimeUnit.SECONDS)
  }
  deleteTopicManager.start()
}
else
  info("Controller has been shut down, aborting startup/failover")

}
主题的分区状态机通过registerListeners()函数，在Zookeeper系统中的/brokers/topics节点上注册了TopicChangeListener和DeleteTopicListener两个监听器。创建一个主题时，主题信息、主题分区和副本会被写到Zookeeper系统的/brokers/topics节点中，这就会触发分区和副本状态机注册监听器。

5.总结

Kafka系统整体来说，调试还算方便。下载Kafka源代码，导入到IDE中，就可以启动整个Kafka系统了，可以通过DEBUG的方式来亲自了解控制器的执行流程。