副本和分区状态机

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了副本和分区状态机相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

副本和分区状态机

1 前言

Controller 是从Kafka集群中选取一个的broker,负责管理topic分区和副本的状态的变化,通过上篇我们知道了controller的启动流程,这篇我们学习一下分区和副本状态机。

分区状态机记录着当前集群所有 Partition 的状态信息以及如何对 Partition 状态转移进行相应的处理;副本状态机则是记录着当前集群所有 Replica 的状态信息以及如何对 Replica 状态转变进行相应的处理。

2 PartitionStateMachine

PartitionStateMachine 记录着集群所有 Partition 的状态信息,它决定着一个 Partition 处在什么状态以及它在什么状态下可以转变为什么状态,Kafka 中 Partition 的状态总共有以下四种类型:

  • l  NonExistentPartition:这个代表着这个 Partition 之前没有被创建过或者之前创建了现在又被删除了,它有效的前置状态是 OfflinePartition;
  • l  NewPartition:Partition 创建后,它将处于这个状态,这个状态的 Partition 还没有 leader 和 isr,它有效的前置状态是 NonExistentPartition;
  • l  OnlinePartition:一旦这个 Partition 的 leader 被选举出来了,它将处于这个状态,它有效的前置状态是 NewPartition、OnlinePartition、OfflinePartition;
  • l  OfflinePartition:如果这个 Partition 的 leader 掉线,这个 Partition 将被转移到这个状态,它有效的前置状态是 NewPartition、OnlinePartition、OfflinePartition。

分区状态机转移图如下所示:

 技术图片

 

先看下 KafkaController 在启动时,调用 PartitionStateMachine 的 startup() 方法初始化的处理过程。

PartitionStateMachine 的初始化方法如下所示:

 技术图片

 

在这个方法中,PartitionStateMachine 先调用 initializePartitionState() 方法初始化集群中所有 Partition 的状态信息:

  • l  如果该 Partition 有 LeaderAndIsr 信息,那么如果 Partition leader 所在的机器是 alive 的,那么将其状态设置为 OnlinePartition,否则设置为 OfflinePartition 状态;
  • l  如果该 Partition 没有 LeaderAndIsr 信息,那么将其状态设置为 NewPartition。

这里只是将 Partition 的状态信息更新分区状态机的缓存 partitionState 中,并没有真正进行状态的转移。

 

在初始化的第二步,将会调用 triggerOnlinePartitionStateChange() 方法,为所有的状态为 NewPartition/OnlinePartition 的 Partition 进行 leader 选举,选举成功后的话,其状态将会设置为 OnlinePartition。

 技术图片

 

上面方法的目的是为尝试将所有的状态为 NewPartition/OnlinePartition 的 Partition 状态转移到 OnlinePartition,这个方法主要是做了两件事:

  • l  状态转移(这个在下面详细讲述);
  • l  发送相应的请求。

2.1分区的状态转移

这里以要转移的 TargetState 区分做详细详细讲解,当 TargetState 分别是 NewPartition、OfflinePartition、NonExistentPartition 或者 OnlinePartition 时,副本状态机所做的事情。

TargetState: NewPartition

NewPartition 是 Partition 刚创建时的一个状态,其处理逻辑如下:

 技术图片

 

实现逻辑:

l  校验其前置状态,它有效的前置状态为 NonExistentPartition;

l  将该 Partition 的状态转移为 NewPartition 状态,并且更新到缓存中。

TargetState: OnlinePartition

OnlinePartition 是一个 Partition 正常工作时的状态,这个状态下的 Partition 已经成功选举出了 leader 和 isr 信息,其实现逻辑如下:

 技术图片

 

实现逻辑:

  • l  校验这个 Partition 的前置状态,有效的前置状态是:NewPartition、OnlinePartition 或者 OfflinePartition;
  • l  如果前置状态是 NewPartition,那么为该 Partition 选举 leader 和 isr,更新到 zk 和 controller 的缓存中,如果副本没有处于 alive 状态的话,就抛出异常;
  • l  如果前置状态是 OnlinePartition,那么只是触发 leader 选举,在 OnlinePartition –> OnlinePartition 这种状态转移时,需要传入 leader 选举的方法,触发该 Partition 的 leader 选举;
  • l  如果前置状态是 OfflinePartition,同上,也是触发 leader 选举。
  • l  更新 Partition 的状态为 OnlinePartition。

对于以上这几种情况,无论前置状态是什么,最后都会触发这个 Partition 的 leader 选举,leader 成功后,都会触发向这个 Partition 的所有 replica 发送 LeaderAndIsr 请求。

TargetState: OfflinePartition

OfflinePartition 是这个 Partition 的 leader 挂掉时转移的一个状态,如果 Partition 转移到这个状态,那么就意味着这个 Partition 没有了可用 leader。

 技术图片

 

实现逻辑:

  • l  校验其前置状态,它有效的前置状态为 NewPartition、OnlinePartition 或者 OfflinePartition;
  • l  将该 Partition 的状态转移为 OfflinePartition 状态,并且更新到缓存中。

TargetState: NonExistentPartition

NonExistentPartition 代表了已经处于 OfflinePartition 状态的 Partition 已经从 metadata 和 zk 中删除后进入的状态。

 技术图片

 

 

实现逻辑:

  • l  校验其前置状态,它有效的前置状态为 OfflinePartition;
  • l  将该 Partition 的状态转移为 NonExistentPartition 状态,并且更新到缓存中。

2.2状态转移触发的条件

这里主要是看一下上面 Partition 各种转移的触发的条件,整理的结果如下表所示,部分内容会在后续文章讲解。

TargetState

触发方法

作用

OnlinePartition

Controller 的 shutdownBroker()

优雅关闭 Broker 时调用,因为要下线的节点是 leader,所以需要触发 leader 选举

OnlinePartition

Controller 的 onNewPartitionCreation()

Partition 新建时,这个是在 Replica 已经变为 NewPartition 状态后进行的,为新建的 Partition 初始化 leader 和 isr

OnlinePartition

controller 的 onPreferredReplicaElection()

对 Partition 进行最优 leader 选举,目的是触发 leader 选举

OnlinePartition

controller 的 moveReassignedPartitionLeaderIfRequired()

分区副本迁移完成后,1. 当前的 leader 不在 RAR 中,需要触发 leader 选举;2. 当前 leader 在 RAR 但是掉线了,也需要触发 leader 选举

OnlinePartition

PartitionStateMachine 的 triggerOnlinePartitionStateChange()

当 Controller 重新选举出来或 broker 有变化时,目的为了那些状态为 NewPartition/OfflinePartition 的 Partition 重新选举 leader,选举成功后状态变为 OnlinePartition

OnlinePartition

PartitionStateMachine 的 initializePartitionState()

Controller 初始化时,遍历 zk 的所有的分区,如果有 LeaderAndIsr 信息并且 leader 在 alive broker 上,那么就将状态转为 OnlinePartition。

OfflinePartition

controller 的 onBrokerFailure()

当有 broker 掉线时,将 leader 在这个机器上的 Partition 设置为 OfflinePartition

OfflinePartition

TopicDeletionManager 的 completeDeleteTopic()

Topic 删除成功后,中间会将该 Partition 的状态先转变为 OfflinePartition

NonExistentPartition

TopicDeletionManager 的 completeDeleteTopic()

Topic 删除成功后,最后会将该 Partition 的状态转移为 NonExistentPartition

NewPartition

Controller 的 onNewPartitionCreation()

Partition 刚创建时的一个中间状态 ,此时还没选举 leader 和设置 isr 信息

 

3 ReplicaStateMachine

ReplicaStateMachine 记录着集群所有 Replica 的状态信息,它决定着一个 replica 处在什么状态以及它在什么状态下可以转变为什么状态,Kafka 中副本的状态总共有以下七种类型:

  • l  NewReplica:这种状态下 Controller 可以创建这个 Replica,这种状态下该 Replica 只能作为 follower,它可以是当创建topic或分区重新分配期间副本被创建,也可以是 Replica 删除后的一个临时状态,它有效的前置状态是 NonExistentReplica;
  • l  OnlineReplica:一旦这个 Replica 被分配到指定的 Partition 上,并且 Replica 创建完成,那么它将会被置为这个状态,在这个状态下,这个 Replica 既可以作为 leader 也可以作为 follower,它有效的前置状态是 NewReplica、OnlineReplica 或 OfflineReplica;
  • l  OfflineReplica:如果一个 Replica 挂掉(所在的节点宕机或者其他情况),该 Replica 将会被转换到这个状态,它有的效前置状态是 NewReplica、OfflineReplica 或者 OnlineReplica;
  • l  ReplicaDeletionStarted:Replica 开始删除时被置为的状态,它有效的前置状态是 OfflineReplica;
  • l  ReplicaDeletionSuccessful:如果 Replica 在删除时没有遇到任何错误信息,它将被置为这个状态,这个状态代表该 Replica 的数据已经从节点上清除了,它有效的前置状态是 ReplicaDeletionStarted;
  • l  ReplicaDeletionIneligible:如果 Replica 删除失败,它将会转移到这个状态,这个状态意思是非法删除,也就是删除是无法成功的,它有效的前置状态是 ReplicaDeletionStarted;
  • l  NonExistentReplica:如果 Replica 删除成功,它将被转移到这个状态,它有效的前置状态是:ReplicaDeletionSuccessful。

上面的状态中其中后面4是专门为 Replica 删除而服务的,副本状态机转移图如下所示:

 技术图片

 

在之前介绍KafkaController 在启动时,会调用 ReplicaStateMachine 的 startup() 方法初始化的处理过程。

 技术图片

 

在这个方法中,ReplicaStateMachine 先调用 initializeReplicaState() 方法初始化集群中所有 Replica 的状态信息,如果 Replica 所在机器是 alive 的,那么将其状态设置为 OnlineReplica,否则设置为 ReplicaDeletionIneligible 状态,这里只是将 Replica 的状态信息更新副本状态机的缓存 replicaState中,并没有真正进行状态转移的操作。

 技术图片

 

 

接着第二步调用 handleStateChanges() 将所有存活的副本状态转移为 OnlineReplica 状态,这里才是真正进行状态转移的地方,其具体实现如下:

 技术图片

 

这里是副本状态机 startup() 方法的最后一步,它的目的是将所有 alive 的 Replica 状态转移到 OnlineReplica 状态,由于前面已经这些 alive replica 的状态设置成了 OnlineReplica,所以这里 Replica 的状态转移情况是:OnlineReplica –> OnlineReplica,这个方法主要是做了两件事:

  • l  状态转移(这个在下面详细讲述);
  • l  发送相应的请求。

3.1 副本的状态转移

TargetState: NewReplica

NewReplica 这个状态是 Replica 准备开始创建是的一个状态,其实现逻辑如下:

 技术图片

 

当想要把 Replica 的状态转移为 NewReplica 时,副本状态机的处理逻辑如下:

  • l  校验 Replica 的前置状态,只有处于 NonExistentReplica 状态的副本才能转移到 NewReplica 状态;
  • l  从 zk 中获取该 Topic-Partition 的 LeaderIsrAndControllerEpoch 信息;
  • l  如果获取不到上述信息,直接将该 Replica 的状态转移成 NewReplica,然后结束流程(对与新建的 Partition,处于这个状态时,该 Partition 是没有相应的 LeaderAndIsr 信息的);
  • l  获取到 Partition 的 LeaderIsrAndControllerEpoch 信息,如果发现该 Partition 的 leader 是当前副本,那么就抛出 StateChangeFailedException 异常,因为处在这个状态的 Replica 是不能被选举为 leader 的;
  • l  获取到了 Partition 的 LeaderIsrAndControllerEpoch 信息,并且该 Partition 的 leader 不是当前 replica,那么向该 Partition 的所有 Replica 添加一个 LeaderAndIsr 请求(添加 LeaderAndIsr 请求时,实际上也会向所有的 Broker 都添加一个 Update-Metadata 请求);
  • l  最后将该 Replica 的状态转移成 NewReplica,然后结束流程。

TargetState: ReplicaDeletionStarted

这是 Replica 开始删除时的状态,Replica 转移到这种状态的处理实现如下:

 技术图片

 

这部分的实现逻辑:

  • l  校验其前置状态,Replica 只能是在 OfflineReplica 的情况下才能转移到这种状态;
  • l  更新向该 Replica 的状态为 ReplicaDeletionStarted;
  • l  向该 replica 发送 StopReplica 请求(deletePartition = true),收到这请求后,broker 会从物理存储上删除这个 Replica 的数据内容;
  • l  如果请求返回的话会触发其回调函数(这部分会在 topic 删除部分讲解)。

TargetState: ReplicaDeletionIneligible

ReplicaDeletionIneligible 是副本删除失败时的状态,Replica 转移到这种状态的处理实现如下:

 技术图片

 

实现逻辑:

  • l  校验其前置状态,Replica 只能是在 ReplicaDeletionStarted 下才能转移这种状态;
  • l  更新该 Replica 的状态为 ReplicaDeletionIneligible。

TargetState: ReplicaDeletionSuccessful

ReplicaDeletionSuccessful 是副本删除成功时的状态,Replica 转移到这种状态的处理实现如下:

 技术图片

 

实现逻辑:

  • l  检验其前置状态,Replica 只能是在 ReplicaDeletionStarted 下才能转移这种状态;
  • l  更新该 Replica 的状态为 ReplicaDeletionSuccessful。

TargetState: NonExistentReplica

NonExistentReplica 是副本完全删除、不存在这个副本的状态,Replica 转移到这种状态的处理实现如下:

 技术图片

 

实现逻辑:

  • l  检验其前置状态,Replica 只能是在 ReplicaDeletionSuccessful 下才能转移这种状态;
  • l  在 controller 的 partitionReplicaAssignment 删除这个 Partition 对应的 replica 信息;
  • l  从 Controller 和副本状态机中将这个 Topic 从缓存中删除。

TargetState: OnlineReplica

OnlineReplica 是副本正常工作时的状态,此时的 Replica 既可以作为 leader 也可以作为 follower,Replica 转移到这种状态的处理实现如下:

 技术图片

 

从前面的状态转移图中可以看出,当 Replica 处在 NewReplica、OnlineReplica、OfflineReplica 或者 ReplicaDeletionIneligible 状态时,Replica 是可以转移到 OnlineReplica 状态的,下面分两种情况讲述:

NewReplica –> OnlineReplica 的处理逻辑如下:

  • l  从 Controller 的 partitionReplicaAssignment 中获取这个 Partition 的 AR;
  • l  如果 Replica 不在 AR 中的话,那么就将其添加到 Partition 的 AR 中;
  • l  最后将 Replica 的状态设置为 OnlineReplica 状态。

OnlineReplica/OfflineReplica/ReplicaDeletionIneligible –> OnlineReplica 的处理逻辑如下:

  • l  从 Controller 的 partitionLeadershipInfo 中获取 Partition 的 LeaderAndIsr 信息;
  • l  如果该信息存在,那么就向这个 Replica 所在 broker 添加这个 Partition 的 LeaderAndIsr 请求,并将 Replica 的状态设置为 OnlineReplica 状态;
  • l  否则不做任务处理;
  • l  最后更新AR Replica 的状态为 OnlineReplica。

TargetState: OfflineReplica

OfflineReplica 是 Replica 所在 Broker 掉线时 Replica 的状态,转移到这种状态的处理逻辑如下:

 技术图片

 

处理逻辑如下:

  • l  校验其前置状态,只有 Replica 在 NewReplica、OnlineReplica、OfflineReplica 或者 ReplicaDeletionIneligible 状态时,才能转移到这种状态;
  • l  向该 Replica 所在节点发送 StopReplica 请求(deletePartition = false);
  • l  调用 Controller 的 removeReplicaFromIsr() 方法将该 replica 从 Partition 的 isr 移除这个 replica(前提 isr 中还有其他有效副本),然后向该 Partition 的其他副本发送 LeaderAndIsr 请求;
  • l  更新这个 Replica 的状态为 OfflineReplica。

3.2状态转移触发的条件

这里主要是看一下上面 Replica 各种转移的触发的条件,整理的结果如下表所示

TargetState

触发方法

作用

OnlineReplica

KafkaController 的 onBrokerStartup()

Broker 启动时,目的是将在该节点的 Replica 状态设置为 OnlineReplica

OnlineReplica

KafkaController 的 onNewPartitionCreation()

新建 Partition 时,Replica 初始化及 Partition 状态变成 OnlinePartition 后,新创建的 Replica 状态也变为 OnlineReplica;

OnlineReplica

KafkaController 的 onPartitionReassignment()

副本迁移完成后,RAR 中的副本设置为 OnlineReplica 状态

OnlineReplica

ReplicaStateMachine 的 startup()

副本状态机刚初始化启动时,将存活的副本状态设置为 OnlineReplica

OfflineReplica

TopicDeletionManager 的 markTopicForDeletionRetry()

将删除失败的 Replica 设置为 OfflineReplica,重新进行删除

OfflineReplica

TopicDeletionManager 的 startReplicaDeletion()

开始副本删除时,先将副本设置为 OfflineReplica

OfflineReplica

KafkaController 的 shutdownBroker() 方法

优雅关闭 broker 时,目的是把下线节点上的副本状态设置为 OfflineReplica

OfflineReplica

KafkaController 的 onBrokerFailure()

broker 掉线时,目的是把下线节点上的副本状态设置为 OfflineReplica

NewReplica

KafkaController 的 onNewPartitionCreation()

Partition 新建时,当 Partition 状态变为 NewPartition 后,副本的状态变为 NewReplica

NewReplica

KafkaController 的 startNewReplicasForReassignedPartition()

Partition 副本迁移时,将新分配的副本状态设置为 NewReplica;

ReplicaDeletionStarted

TopicDeletionManager 的 startReplicaDeletion()

下线副本时,将成功设置为 OfflineReplica 的 Replica 设置为 ReplicaDeletionStarted 状态,开始物理上删除副本数据(也是发送 StopReplica)

ReplicaDeletionStarted

KafkaController 的 stopOldReplicasOfReassignedPartition()

Partition 的副本迁移时,目的是下线那些 old replica,新的 replica 已经迁移到新分配的副本上了

ReplicaDeletionSuccessful

TopicDeletionManager 的 completeReplicaDeletion()

物理将数据成功删除的 Replica 状态会变为这个

ReplicaDeletionSuccessful

KafkaController 的 stopOldReplicasOfReassignedPartition()

Partition 的副本迁移时,在下线那些旧 Replica 时的一个状态,删除成功

ReplicaDeletionIneligible

TopicDeletionManager 的 startReplicaDeletion()

开始副本删除时,删除失败的副本会设置成这个状态

ReplicaDeletionIneligible

KafkaController 的 stopOldReplicasOfReassignedPartition()

Partition 副本迁移时,在下线那些旧的 Replica 时的一个状态,删除失败

NonExistentReplica

TopicDeletionManager 的 completeReplicaDeletion()

副本删除成功后(状态为 ReplicaDeletionSuccessful),从状态机和 Controller 的缓存中清除该副本的记录;

NonExistentReplica

KafkaController 的 stopOldReplicasOfReassignedPartition()

Partition 的副本成功迁移、旧副本成功删除后,从状态机和 Controller 的缓存中清除旧副本的记录

 

参考资料:

https://blog.csdn.net/lizhitao/article/details/28108919

https://www.maiyewang.com/?p=7855

http://matt33.com/2018/06/16/controller-state-machine/

 

以上是关于副本和分区状态机的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

七浅析kafka状态机

kafka集群中的Controllerrebalance和HW

腾讯三面:说说Kafka的分区状态机的实现原理?

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Kafka源码分析10:副本状态机ReplicaStateMachine详解 (图解+秒懂+史上最全)

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