Kafka《Kafka权威指南》——写数据

Posted 2021-12-10 weknow619

不管是把 Kafka 作为消息队列、消息、总线还是数据存储平台来使用 ，总是需要有一个可以往 Kafka 写入数据的生产者和一个可以从 Kafka读取数据的消费者，或者一个兼具两种角 色的应用程序。

例如，在一个信用卡事务处理系统里，有一个客户端应用程序，它可能是一个在线商店， 每当有支付行为发生时，它负责把事务发送到 Kafka上。另一个应用程序根据规则引擎检 查这个事务，决定是批准还是拒绝。 批准或拒绝的响应消息被写回 Kafka，然后发送给发起事务的在线商店。第三个应用程序从 Kafka上读取事务和审核状态，把它们保存到数据 库， 随后分析师可以对这些结果进行分析，或许还能借此改进规则引擎 。

开发者们可以使用 Kafka 内置的客户端 API开发 Kafka应用程序。

在这一章，我们将从 Kafra生产者的设计和组件讲起，学习如何使用 Kafka生产者。我们将展示如何创建 KafkaProducer和 ProducerRecords对象、如何将记录发送给 Kafka，以及如何处理从 Kafka 返回的错误，然后介绍用干控制生产者行为的重要配置选项，最后深入 探讨如何使用不同的分区方法和序列化器，以及如何自定义序列化器和分区器 。

在下一章，我们将会介绍 Kafra的悄费者客户端，以及如何从 Kafka读取消息。

生产者概览

一个应用程序在很多情况下需要往 Kafka 写入消息 : 记录用户的活动(用于审计和分析 )、 记录度量指标、保存日志、消息、记录智能家电的信息、与其他应用程序进行异步通信、 缓冲即将写入到数据库的数据，等等。

多样的使用场景意味着多样的需求：是否每个消息都很重要?是否允许丢失 一 小部分消息?偶尔出现重复消息是否可以接受?是否有严格的延迟和吞吐量要求?

在之前提到的信用卡事务处理系统里，消息丢失或消息重复是不允许的，可以接受的延迟最大为 500ms，对吞吐量要求较高，我们希望每秒钟可以处理一百万个消息。

保存网站的点击信息是另 一种使用场景。在这个场景里，允许丢失少量的消息或出现少量 的消息重复，延迟可以高一些，只要不影响用户体验就行。换句话说，只要用户点击链接 后可以马上加载页面，那么我们并不介意消息要在几秒钟之后才能到达 Kafka 服务器。 吞 吐量则取决于网站用户使用网站的频度。

不同的使用场景对生产者 API 的使用和配置会有直接的影响。

尽管生产者 API 使用起来很简单 ，但消息的发送过程还是有点复杂的。下图展示 了向Kafka 发送消息的主要步骤。

Kafka 生产者组件图

我们从创建 一个 ProducerRecord 对象开始， ProducerRecord 对象需要包含目标主题和要发送的内容。我们还可以指定键或分区。在发送 ProducerRecord对象时，生产者要先把键和 值对象序列化成字节数组，这样它们才能够在网络上传输 。

接下来，数据被传给分区器。如果之前在 ProducerRecord对象里指定了分区，那么分区器就不会再做任何事情，直接把指定的分区返回。如果没有指定分区 ，那么分区器会根据 ProducerRecord对象的键来选择一个分区 。选好分区以后 ，生产者就知道该往哪个主题和分区发送这条记录了。紧接着，这条记录被添加到一个记录批次里，这个批次里的所有消息会被发送到相同的主题和分区上。有一个独立的线程负责把这些记录批次发送到相应的 broker 上。

服务器在收到这些消息时会返回一个响应。如果消息成功写入 Kafka，就返回 一 个 RecordMetaData 对象，它包含了主题和分区信息，以及记录在分区里的偏移量。如果写入 失败， 就会返回 一个错误 。生产者在收到错误之后会尝试重新发送消息，几次之后如果还是失败，就返回错误信息。

创建Kafka生产者

要往 Kafka写入消息，首先要创建一个生产者对象，井设置一些属性。

下面的代码片段展示了如何创建一个新的生产者，这里只指定了必要的属性，其他使用默认设置。

private Properties kafkaProps = new Properties(); 

kafkaProps.put("bootstrap.servers","broker1:9092,broker2:9092");
 
kafkaProps.put("key.serializer","org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
 
kafkaProps.put("value.seializer","org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
 
producer = new KafkaProducer<String, String>(kafkaProps);

Kafka生产者有 3个必选的属性

bootstrap.servers

该属性指定 broker 的地址清单，地址的格式为 host:port。清单里不需要包含所有的broker地址，生产者会从给定的 broker里查找到其他 broker的信息。不过建议至少要提供两个 broker的信息， 一旦其中一个宕机，生产者仍然能够连接到集群上。

key.serializer

broker希望接收到的消息的键和值都是字节数组。生产者接口允许使用参数化类型，因此可以把 Java对象作为键和值发送给 broker。这样的代码具有良好的可读性，不过生产者需要知道如何把这些 Java对象转换成字节数组。 key.serializer必须被设置为一个实现了org.apache.kafka.common.serialization.Serializer接口的类，生产者会使用这个类把键对象序列化成字节数组。 Kafka 客户端默认提供了ByteArraySerializer(这个只做很少的事情)、 StringSerializer和 IntegerSerializer，因此，如果你只使用常见的几种 Java对象类型，那么就没必要实现自己的序列化器 。要注意， key.serializer是必须设置的，就算你打算只发送值内容。

value.serializer

与 key.serializer一样， value.serializer指定的类会将值序列化。如果键和值都是字符串，可以使用与 key.serializer 一样的序列化器。如果键是整数类型而值是字符扇 ， 那么需要使用不同的序列化器。

发送消息主要有3种方式

1、发送并忘记( fire-and-forget)：我们把消息发送给服务器，但井不关心它是否正常到达。大多数情况下，消息会正常到达，因为 Kafka是高可用的，而且生产者会自动尝试重发。不过，使用这种方式有时候也会丢失一些消息。

2、同步发送：我们使用send()方怯发送消息， 它会返回一个Future对象，调用get()方法进行等待， 就可以知道悄息是否发送成功。

3、异步发送：我们调用 send() 方怯，并指定一个回调函数， 服务器在返回响应时调用该函数。

在下面的几个例子中 ， 我们会介绍如何使用上述几种方式来发送消息，以及如何处理可能 发生的异常情况。

本章的所有例子都使用单线程，但其实生产者是可以使用多线程来发送消息的。刚开始的 时候可以使用单个消费者和单个线程。如果需要更高的吞吐量，可以在生产者数量不变的 前提下增加线程数量。如果这样做还不够 ， 可以增加生产者数量。

发送消息到Kafka

最简单的同步发送消息方式如下所示 ：

ProducerRecord<String, String> record = new ProducerRecord<>("CustomerCountry", "Precision Products", "France");
try{
  producer.send(record);
} catch(Exception e) {
  e.printStack();
}

生产者的 send() 方住将 ProducerRecord对象作为参数，它需要目标主题的名字和要发送的键和值对象，它们都是字符串。键和值对象的类型必须与序列化器和生产者对象相匹配。

我们使用生产者的 send() 方越发送 ProducerRecord对象。从生产者的架构图里可以看到，消息先是被放进缓冲区，然后使用单独的线程发送到服务器端。 send() 方法会返回一个包含 RecordMetadata 的 Future对象，不过因为我们会忽略返回值，所以无法知道消息是否发送成功。如果不关心发送结果，那么可以使用这种发送方式。比如，记录 Twitter 消息日志，或记录不太重要的应用程序日志。

我们可以忽略发送消息时可能发生的错误或在服务器端可能发生的错误，但在发送消息之前，生产者还是有可能发生其他的异常。这些异常有可能是 SerializationException (说明序列化消息失败)、 BufferExhaustedException 或 TimeoutException (说明缓冲区已满)，又或者是 InterruptException (说明发送线程被中断)。

同步发送消息

ProducerRecord<String, String> record = new ProducerRecord<>("CustomerCountry", "Precision Products", "France");
try{
    producer.send(record).get();
} catch(Exception e) {
    e.printStack();
}

在这里， producer.send() 方住先返回一个 Future对象，然后调用 Future对象的 get() 方法等待 Kafka 响应。如果服务器返回错误， get()方怯会抛出异常。如果没有发生错误，我们会得到一个 RecordMetadata对象，可以用它获取消息的偏移量。如果在发送数据之前或者在发送过程中发生了任何错误 ，比如 broker返回 了一个不允许重发消息的异常或者已经超过了重发的次数 ，那么就会抛出异常。我们只是简单地把异常信息打印出来。

如何处理从Kafka生产者返回的错误

KafkaProducer一般会发生两类错误。其中一类是可重试错误 ，这类错误可以通过重发消息来解决。比如对于连接错误，可以通过再次建立连接来解决，“无主(noleader)” 错误则可 以通过重新为分区选举首领来解决。 KafkaProducer可以被配置成自动重试，如果在多次重试后仍无能解决问题，应用程序会收到一个重试异常。另一类错误无出通过重试解决 ，比如“消息太大”异常。对于这类错误， KafkaProducer不会进行任何重试，直接抛出异常。

异步发送消息

假设消息在应用程序和 Kafka集群之间一个来回需要 10ms。如果在发送完每个消息后都等待回应，那么发送 100个消息需要 1秒。但如果只发送消息而不等待响应，那么发送100个消息所需要的时间会少很多。大多数时候，我们并不需要等待响应——尽管 Kafka 会把目标主题、分区信息和消息的偏移量发送回来，但对于发送端的应用程序来说不是必需的。不过在遇到消息发送失败时，我们需要抛出异常、记录错误日志，或者把消息写入 “错误消息”文件以便日后分析。

为了在异步发送消息的同时能够对异常情况进行处理，生产者提供了回调支持 。下面是使用异步发送消息、回调的一个例子。

生产者的配置

到目前为止 ， 我们只介绍了生产者的几个必要配置参数——bootstrap.servers API 以及序列化器。

生产者还有很多可配置的参数，在 Kafka文档里都有说明，它们大部分都有合理的默认值 ， 所以没有必要去修改它们 。不过有几个参数在内存使用、性能和可靠性方面对生产者影响比较大，接下来我们会一一说明。

1. acks

acks 参数指定了必须要有多少个分区副本收到消息，生产者才会认为消息写入是成功的。

这个参数对消息丢失的可能性有重要影响。 该参数有如下选项。
• 如果 acks=0， 生产者在成功写入悄息之前不会等待任何来自服务器的响应。也就是说， 如果当中出现了问题 ， 导致服务器没有收到消息，那么生产者就无从得知，消息也就丢 失了。不过，因为生产者不需要等待服务器的响应，所以它可以以网络能够支持的最大 速度发送消息，从而达到很高的吞吐量。

• 如果 acks=1，只要集群的首领节点收到消息，生产者就会收到 一个来自服务器的成功 响应。如果消息无撞到达首领节点(比如首领节点崩愤，新的首领还没有被选举出来)， 生产者会收到一个错误响应，为了避免数据丢失，生产者会重发消息。不过，如果一个 没有收到消息的节点成为新首领，消息还是会丢失。这个时候的吞吐量取决于使用的是 同步发送还是异步发送。如果让发送客户端等待服务器的响应(通过调用 Future对象 的 get()方法)，显然会增加延迟(在网络上传输一个来回的延迟)。如果客户端使用异步回调，延迟问题就可以得到缓解，不过吞吐量还是会受发送中消息数量的限制(比如，生 产者在收到服务器响应之前可以发送多少个消息)。

• 如果 acks=all，只有当所有参与复制的节点全部收到消息时，生产者才会收到一个来自服务器的成功响应。这种模式是最安全的，它可以保证不止一个服务器收到消息，就算有服务器发生崩溃，整个集群仍然可以运行(第 5 章将讨论更多的细节)。不过，它的延迟比 acks=1时更高，因为我们要等待不只一个服务器节点接收消息。

2. buffer.memory

该参数用来设置生产者内存缓冲区的大小，生产者用它缓冲要发送到服务器的消息。如果 应用程序发送消息的速度超过发送到服务器的速度，会导致生产者空间不足。这个时候， send()方法调用要么被阻塞，要么抛出异常，取决于如何设置 block.on.buffe.full 参数 (在0.9.0.0版本里被替换成了max.block.ms，表示在抛出异常之前可以阻塞一段时间)。

3. compression.type

默认情况下，消息发送时不会被压缩。该参数可以设置为 snappy、 gzip 或 lz4，它指定了消息被发送给 broker之前使用哪一种压缩算法进行压缩。 snappy 压缩算怯由 Google巳发明， 它占用较少 的 CPU，却能提供较好的性能和相当可观的压缩比，如果比较关注性能和网络带宽，可以使用这种算法。 gzip压缩算法一般会占用较多的 CPU，但会提供更高的压缩比，所以如果网络带宽比较有限，可以使用这种算法。使用压缩可以降低网络传输开销和存储开销，而这往往是向 Kafka发送消息的瓶颈所在。

4. retries

生产者从服务器收到的错误有可能是临时性的错误(比如分区找不到首领)。在这种情况下， retries参数的值决定了生产者可以重发消息的次数，如果达到这个次数，生产者会放弃重试并返回错误。默认情况下，生产者会在每次重试之间等待 1OOms，不过可以通过 retries.backoff.ms 参数来改变这个时间间隔。建议在设置重试次数和重试时间间隔之前， 先测试一下恢复一个崩溃节点需要多少时间(比如所有分区选举出首领需要多长时间)， 让总的重试时间比 Kafka集群从崩溃中恢复的时间长，否则生产者会过早地放弃重试。不过有些错误不是临时性错误，没办怯通过重试来解决(比如“悄息太大”错误)。一般情 况下，因为生产者会自动进行重试，所以就没必要在代码逻辑里处理那些可重试的错误。 你只需要处理那些不可重试的错误或重试次数超出上限的情况。

5. batch.size

当有多个消息需要被发送到同一个分区时，生产者会把它们放在放一个批次里。该参数指定了一个批次可以使用的内存大小，按照字节数计算(而不是消息个数)。当批次被填满，批次里的所有消息会被发送出去。不过生产者井不一定都会等到批次被填满才发送，半捕 的批次，甚至只包含一个消息的批次也有可能被发送。所以就算把批次大小设置得很大， 也不会造成延迟，只是会占用更多的内存而已。但如果设置得太小，因为生产者需要更频繁地发送消息，会增加一些额外的开销。

6. linger.ms

该参数指定了生产者在发送批次之前等待更多消息加入批次的时间。 KafkaProducer 会在批次填满或 linger.ms达到上限时把批次发送出去。默认情况下，只要有可用的线程， 生产者就会把消息发送出去，就算批次里只有一个消息。把 linger.ms设置成比0大的数， 让生产者在发送批次之前等待一会儿，使更多的消息加入到这个批次 。虽然这样会增加延迟，但也会提升吞吐量(因为一次性发送更多的消息，每个消息的开销就变小了)。

7. client.id

该参数可以是任意的字符串，服务器会用它来识别消息的来源，还可以用在日志和配额指标里。

8. max.in.flight.requests.per.connection

该参数指定了生产者在收到服务器晌应之前可以发送多少个消息。它的值越高，就会占用越多的内存，不过也会提升吞吐量。 把它设为 1 可以保证消息是按照发送的顺序写入服务器的，即使发生了重试。

9. timeout.ms、 request.timeout.ms 和 metadata.fetch.timeout.ms

request.timeout.ms指定了生产者在发送数据时等待服务器返回响应的时间，metadata.fetch.timeout.ms指定了生产者在获取元数据(比如目标分区的首领是谁)时等待服务器返回响应的时间。如果等待响应超时，那么生产者要么重试发送数据，要么返回 一个错误 (抛出异常或执行回调)。timeout.ms 指定了 broker 等待同步副本返回消息确认的时间，与 asks 的配置相匹配一一如果在指定时间内没有收到同步副本的确认，那么 broker就会返回 一个错误 。

10. max.block.ms

该参数指定了在调用 send() 方法或使用 parttitionFor() 方能获取元数据时生产者的阻塞 时间。当生产者的发送缓冲区已捕，或者没有可用的元数据时，这些方屈就会阻塞。在阻塞时间达到 max.block.ms时，生产者会抛出超时异常。

11 . max.request.size

该参数用于控制生产者发送的请求大小。它可以指能发送的单个消息的最大值，也可以指单个请求里所有消息总的大小。例如，假设这个值为 1MB，那么可以发送的单个最大消息为 1MB，或者生产者可以在单个请求里发送一个批次，该批次包含了 1000个消息，每个消息大小为 1KB 。另外， broker对可接收的消息最大值也有自己的限制( message.max.bytes)，所以两边的配置最好可以匹配，避免生产者发送的消息被 broker拒绝 。

12. receive.buffer.bytes 和 send.buffer.bytes

这两个参数分别指定了 TCP socket接收和发送数据包的缓冲区大小 。 如果它们被设为 -1 , 就使用操作系统的默认值。如果生产者或消费者与 broker处于不同的数据中心，那么可以适当增大这些值，因为跨数据中心的网络一般都有比较高的延迟和比较低的带宽。

顺序保证
Kafka可以保证同一个分区里的消息是有序的。也就是说，如果生产者按照一定的顺序发送消息， broker就会按照这个顺序把它们写入分区，消费者也会按照同样的顺序读取它们。在某些情况下 ， 顺序是非常重要的。如果把retries 设为非零整数，同时把 max.in.flight.requests.per.connection 设为比 1大的数，那么，如果第一个批次消息写入失败，而第二个批次写入成功， broker会重试写入第一个批次。如果此时第一个批次也写入成功，那 么两个批次的顺序就反过来了。

一般来说，如果某些场景要求消息是有序的，那么消息是否写入成功也是 很关键的，所以不建议把顺序是非常重要的。如果把retries 设为 0。可以把 max.in.flight.requests.per.connection设为 1，这样在生产者尝试发送第一批消息时，就不会有其他的消息发送给 broker。不过这样会严重影响生产者的吞吐量 ，所以只有在 对消息的顺序有严格要求的情况下才能这么做。