Kafka基本知识整理

Posted 2021-11-27 tianqing

首先Kafka是一个分布式消息队列中间件，Apache顶级项目，https://kafka.apache.org/   高性能、持久化、多副本备份、横向扩展。

生产者Producer往队列里发送消息，消费者Consumer从队列里消费消息，然后进行业务逻辑。应用场景主要有：解耦、削峰（缓冲）、异步处理、排队、分布式事务控制等等。

1. Kafka对外使用Topic(主题)的概念，生产者往Topic里写消息，消费者从Topic中消费读消息。
2. 为了实现水平扩展，一个Topic实际是由多个Partition（分区）组成的，遇到瓶颈时，可以通过增加Partition的数量来进行横向扩容。
3. 单个Parition内是保证消息有序。持久化时，每收到一条消息，Kafka就是在对应的日志文件Append写，所以性能非常高。

Kafka Data Flow 消息流转图

上图中，消息生产者Producers往Brokers里面的指定Topic中写消息，消息消费者Consumers从Brokers里面消费指定Topic的消息，然后进行业务处理。

在实际的部署架构中，Broker、Topic、Partition这些元数据保存在ZooKeeper中，Kafka的监控、消息路由（分区）由ZooKeeper控制。0.8版本的OffSet也由ZooKeeper控制。

一、消息生产/发送过程

Kafka创建Message、发送时要指定对应的Topic和Value（消息体），Key（分区键）和Partition（分区）是可选参数。 

调用Producer的Send()方法后，消息先进行序列化（消息序列化器可自定义实现：例如：Protobuf），然后按照Topic和Partition，临时放到内存中指定的发送队列中。达到阈值后，然后批量发送。

发送时，当Partition没设置时，如果设置了Key-分区键（例如：单据类型），按照Key进行Hash取模，保证相同的Key发送到指定的分区Partition。如果未设置分区键Key，使用Round-Robin轮询随机选分区Partition。

二、分区Partition的高可用和选举机制

分区有副本的概念，保证消息不丢失。当存在多副本的情况下，会尽量把多个副本，分配到不同的broker上。

Kafka会为Partition选出一个Leader Broker（通过ZooKeeper），之后所有该Partition的请求，实际操作的都是Leader，然后再同步到其他的Follower。

当一个Kafka Broker宕机后，所有Leader在该Broker上的Partition都会重新选举，在剩余的Follower中选出一个Leader，继续提供服务。

正如上面所讲：Kafka使用ZooKeeper在多个Broker中选出一个Controller，用于Partition分配和Leader选举。以下是Partition的分配机制：

• 将所有Broker（假设共n个Broker）和待分配的Partition排序
• 将第i个Partition分配到第（i mod n）个Broker上 （这个就是leader）
• 将第i个Partition的第j个Replica分配到第（(i + j) mode n）个Broker上

Controller会在ZooKeeper的/brokers/ids节点上注册Watch，一旦有broker宕机，它就能知道。

当Broker宕机后，Controller就会给受到影响的Partition选出新Leader。

Controller从ZooKeeper的/brokers/topics/[topic]/partitions/[partition]/state中，读取对应Partition的ISR（in-sync replica已同步的副本）列表，选一个出来做Leader。

选出Leader后，更新ZooKeeper的存储，然后发送LeaderAndISRRequest给受影响的Broker进行通知。

如果ISR列表是空，那么会根据配置，随便选一个replica做Leader，或者干脆这个partition就是宕机了。

如果ISR列表的有机器，但是也宕机了，那么还可以等ISR的机器活过来。

多副本同步：

服务端这边的处理是Follower从Leader批量拉取数据来同步。但是具体的可靠性，是由生产者来决定的。

生产者生产消息的时候，通过request.required.acks参数来设置数据的可靠性。

 在acks=-1的时候，如果ISR少于min.insync.replicas指定的数目，那么就会返回不可用。

 这里ISR列表中的机器是会变化的，根据配置replica.lag.time.max.ms，多久没同步，就会从ISR列表中剔除。以前还有根据落后多少条消息就踢出ISR，在1.0版本后就去掉了，因为这个值很难取，在高峰的时候很容易出现节点不断的进出ISR列表。  

 从ISA中选出leader后，follower会从把自己日志中上一个高水位后面的记录去掉，然后去和leader拿新的数据。因为新的leader选出来后，follower上面的数据，可能比新leader多，所以要截取。这里高水位的意思，对于partition和leader，就是所有ISR中都有的最新一条记录。消费者最多只能读到高水位；

 从leader的角度来说高水位的更新会延迟一轮，例如写入了一条新消息，ISR中的broker都fetch到了，但是ISR中的broker只有在下一轮的fetch中才能告诉leader。

 也正是由于这个高水位延迟一轮，在一些情况下，kafka会出现丢数据和主备数据不一致的情况，0.11开始，使用leader epoch来代替高水位。

三、消息消费过程

 

订阅topic是以一个消费组来订阅的，一个消费组里面可以有多个消费者。同一个消费组中的两个消费者，不会同时消费一个partition。

换句话来说，就是一个partition，只能被消费组里的一个消费者消费，但是可以同时被多个消费组消费。因此，如果消费组内的消费者如果比partition多的话，那么就会有个别消费者一直空闲。

 消息Offset偏移量(消息的顺序号)管理

 一个消费组消费partition，需要保存offset记录消费到哪，以前保存在zk中，由于zk的写性能不好，以前的解决方法都是consumer每隔一分钟上报一次。

 ZooKeeper的性能严重影响了消费的速度，而且很容易出现重复消费。

 在0.10版本后，Kafka把这个offset的保存，从ZooKeeper总剥离，保存在一个名叫__consumeroffsets topic的Topic中。

 消息的key由groupid、topic、partition组成，value是偏移量offset。topic配置的清理策略是compact。总是保留最新的key，其余删掉。

 一般情况下，每个key的offset都是缓存在内存中，查询的时候不用遍历partition，如果没有缓存，第一次就会遍历partition建立缓存，然后查询返回。

 

 Partitin的Rebalance

 生产过程中broker要分配partition，消费过程这里，也要分配partition给消费者。类似broker中选了一个controller出来，消费也要从broker中选一个coordinator，用于分配partition。

 

 coordinator的选举过程

1. 看offset保存在那个partition
2. 该partition leader所在的broker就是被选定的coordinator

 交互流程 

1. consumer启动、或者coordinator宕机了，consumer会任意请求一个broker，发送ConsumerMetadataRequest请求，broker会按照上面说的方法，选出这个consumer对应coordinator的地址。
2. consumer 发送heartbeat请求给coordinator，返回IllegalGeneration的话，就说明consumer的信息是旧的了，需要重新加入进来，进行reblance。返回成功，那么consumer就从上次分配的partition中继续执行。

  Rebalance

1. consumer给coordinator发送JoinGroupRequest请求。
2. 这时其他consumer发heartbeat请求过来时，coordinator会告诉他们，要reblance了。
3. 其他consumer发送JoinGroupRequest请求。
4. 所有记录在册的consumer都发了JoinGroupRequest请求之后，coordinator就会在这里consumer中随便选一个leader。然后回JoinGroupRespone，这会告诉consumer你是follower还是leader，对于leader，还会把follower的信息带给它，让它根据这些信息去分配partition
5. consumer向coordinator发送SyncGroupRequest，其中leader的SyncGroupRequest会包含分配的情况。
6. coordinator回包，把分配的情况告诉consumer，包括leader。

   当partition或者消费者的数量发生变化时，都得进行reblance。
   列举一下会reblance的情况：

1. 增加Partition
2. 增加消费者
3. 消费者主动关闭
4. 消费者宕机
5. coordinator宕机

四、消息投递语义

kafka支持3种消息投递语义，
At most once：最多一次，消息可能会丢失，但不会重复
At least once：最少一次，消息不会丢失，可能会重复
Exactly once：只且一次，消息不丢失不重复，只且消费一次（0.11中实现，仅限于下游也是kafka）

At least once：（业务中使用比较多）

先获取数据，再进行业务处理，业务处理成功后commit offset。

1. 生产者生产消息异常，消息是否成功写入不确定，重做，可能写入重复的消息
2. 消费者处理消息，业务处理成功后，更新offset失败，消费者重启的话，会重复消费

At most once：

先获取数据，再commit offset，最后进行业务处理。

1. 生产者生产消息异常，不管，生产下一个消息，消息就丢了
2. 消费者处理消息，先更新offset，再做业务处理，做业务处理失败，消费者重启，消息就丢了。

Exactly once：

首先要保证消息不丢，再去保证不重复。所以盯着At least once的原因来搞。 

1. 生产者重做导致重复写入消息----生产保证幂等性
2. 消费者重复消费---消灭重复消费，或者业务接口保证幂等性重复消费也没问题

业务处理的幂等性非常重要。Kafka控制不了，需要业务来实现。比如所判断消息是否已经处理。

解决重复消费有两个方法：

1. 下游系统保证幂等性，重复消费也不会导致多条记录。
2. 把commit offset和业务处理绑定成一个事务。

生产的幂等性：

为每个producer分配一个pid，作为该producer的唯一标识。producer会为每一个<topic,partition>维护一个单调递增的seq。类似的，broker也会为每个<pid,topic,partition>记录下最新的seq。当req_seq == broker_seq+1时，broker才会接受该消息。因为：

1. 消息的seq比broker的seq大超过时，说明中间有数据还没写入，即乱序了。

2. 消息的seq不比broker的seq小，那么说明该消息已被保存。