kafka简述 - 技术栈

前言

在大数据高并发场景下，当系统中出现"生产"和"消费"的速度或稳定性等因素不一致的时候，就需要消息队列，作为抽象层，弥合双方的差异。一般选型是Kafka、RocketMQ，这源于这些中间件的高吞吐、可扩展以及可靠性。

另外企业中离线业务场景实时业务场景都需要使用到kafka，Kafka具备数据的计算能力和存储能力，但是两个能力相对（MR/SPARK，HDFS）较弱，Kafka角色的角色与hbase比较像，层级关系比较多。

消息队列

是一种应用间的通信方式，消息发送后可以立即返回，由消息系统来确保信息的可靠专递，消息发布者只管把消息发布到MQ中而不管谁来取，消息使用者只管从MQ中取消息而不管谁发布的，这样发布者和使用者都不用知道对方的存在。

消息队列的应用场景

消息队列在实际应用中包括如下四个场景：

应用耦合：多应用间通过消息队列对同一消息进行处理，避免调用接口失败导致整个过程失败；

异步处理：多应用对消息队列中同一消息进行处理，应用间并发处理消息，相比串行处理，减少处理时间；

限流削峰：广泛应用于秒杀或抢购活动中，避免流量过大导致应用系统挂掉的情况；

消息驱动的系统：系统分为消息队列、消息生产者、消息消费者，生产者负责产生消息，消费者(可能有多个)负责对消息进行处理；

消息队列的两种模式

1）点对点模式

点对点模式下包括三个角色：消息发送者 (生产者)、接收者（消费者）

消息发送者生产消息发送到queue中，然后消息接收者从queue中取出并且消费消息。消息被消费以后，queue中不再有存储，所以消息接收者不可能消费到已经被消费的消息。

特点：

每个消息只有一个接收者（Consumer）(即一旦被消费，消息就不再在消息队列中)；

• 发送者和接收者间没有依赖性，发送者发送消息之后，不管有没有接收者在运行，都不会影响到发送者下次发送消息；

• 接收者在成功接收消息之后需向队列应答成功，以便消息队列删除当前接收的消息；

2）发布/订阅模式

发布/订阅模式下包括三个角色：角色主题（Topic）、发布者(Publisher)、订阅者(Subscriber)

发布者将消息发送到Topic，系统将这些消息传递给多个订阅者。

特点：

• 每个消息可以有多个订阅者；

• 发布者和订阅者之间有时间上的依赖性。针对某个主题（Topic）的订阅者，它必须创建一个订阅者之后，才能消费发布者的消息。

• 为了消费消息，订阅者需要提前订阅该角色主题，并保持在线运行；

介绍

**kafka是一个分布式，分区的，多副本的，多订阅者的消息发布订阅系统（分布式MQ系统）。基于zookeeper协调的分布式消息系统，它的最大的特性就是可以实时的处理大量数据以满足各种需求场景：比如基于hadoop的批处理系统、低延迟的实时系统、Storm/Spark流式处理引擎，web/nginx日志、搜索日志、监控日志、访问日志，消息服务等等。**用scala语言编写，Linkedin于2010年贡献给了Apache基金会并成为顶级开源项目。

kafka 适合离线和在线消息消费。kafka 构建在zookeeper 同步服务之上。它与apache 和spark非常好的集成，应用于实时流式数据分析。

好处

1、可靠性：分布式的，分区，复制和容错。

2、可扩展性：kafka消息传递系统轻松缩放，无需停机。

3、耐用性：kafka使用分布式提交日志，这意味着消息会尽可能快速的保存在磁盘上，因此它是持久的。

4、性能：kafka对于发布和定于消息都具有高吞吐量。即使存储了许多TB的消息，他也爆出稳定的性能。 kafka非常快：保证零停机和零数据丢失。

使用场景

**1）日志收集：**一个公司可以用Kafka收集各种服务的log，通过kafka以统一接口服务的方式开放给各种consumer，例如hadoop、Hbase、Solr等。

**2）消息系统：**解耦和生产者和消费者、缓存消息等。

**3）用户活动跟踪：**Kafka经常被用来记录web用户或者app用户的各种活动，如浏览网页、搜索、点击等活动，这些活动信息被各个服务器发布到kafka的topic中，订阅者通过订阅这些topic来做实时的监控分析，或者装载到hadoop、数据仓库中做离线分析和挖掘。

**4）运营指标：**Kafka也经常用来记录运营监控数据。包括收集各种分布式应用的数据，生产各种操作的集中反馈，比如报警和报告。

**5）流式框架：**从主题中读取数据，对其进行处理，并将处理后的数据写入新的主题，供用户和应用程序使用，kafka的强耐久性在流处理的上下文中也非常的有用。

基本概念

kafka是一个分布式的，分区的消息(官方称之为commit log)服务。它提供一个消息系统应该具备的功能，但是确有着独特的设计。

从宏观层面上看，Producer通过网络发送消息到Kafka集群，然后Consumer来进行消费。服务端(brokers)和客户端(producer、consumer)之间通信通过TCP协议来完成。

名称	解释
Broker	消息中间件处理节点，一个Kafka节点就是一个broker，一个或者多个Broker可以组成一个Kafka集群
Topic	Kafka根据topic对消息进行归类，发布到Kafka集群的每条消息都需要指定一个topic
Producer	消息生产者，向Broker发送消息的客户端
Consumer	消息消费者，从Broker读取消息的客户端
ConsumerGroup	每个Consumer属于一个特定的Consumer Group，一条消息可以被多个不同的Consumer Group消费，但是一个Consumer Group中只能有一个Consumer能够消费该消息
Partition	物理上的概念，一个topic可以分为多个partition，每个partition内部消息是有序的

基本使用（原生API）

1、创建主题

【1】创建一个名字为"test"的Topic，这个topic只有一个partition，并且备份因子也设置为1：

javascript 复制代码

bin/kafka-topics.sh --create --zookeeper 192.168.65.60:2181 --replication-factor 1 --partitions 1 --topic test

【2】通过以下命令来查看kafka中目前存在的topic

javascript 复制代码

bin/kafka-topics.sh --list --zookeeper 192.168.65.60:2181

【3】除了通过手工的方式创建Topic，当producer发布一个消息到某个指定的Topic，如果Topic不存在，就自动创建。所以如果发送错了Topic，那么就需要创建对应的消费者来消费掉发送错误的消息。

【4】删除主题

javascript 复制代码

bin/kafka-topics.sh --delete --topic test --zookeeper 192.168.65.60:2181

2、发送消息

kafka自带了一个producer命令客户端，可以从本地文件中读取内容，也可以以命令行中直接输入内容，并将这些内容以消息的形式发送到kafka集群中。在默认情况下，每一个行会被当做成一个独立的消息。

示例：运行发布消息的脚本，然后在命令中输入要发送的消息的内容：

javascript 复制代码

//指定往哪个broker（也就是服务器）上发消息
bin/kafka-console-producer.sh --broker-list 192.168.65.60:9092 --topic test 
>this is a msg
>this is a another msg

3、消费消息

【1】对于consumer，kafka同样也携带了一个命令行客户端，会将获取到内容在命令中进行输出，默认是消费最新的消息：

javascript 复制代码

bin/kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server 192.168.65.60:9092 --topic test

【2】想要消费之前的消息可以通过--from-beginning参数指定，如下命令：

javascript 复制代码

//这里便凸显了与传统消息中间件的不同，消费完，消息依旧保留（默认保留在磁盘一周）
bin/kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server 192.168.65.60:9092 --from-beginning --topic test

【3】通过不同的终端窗口来运行以上的命令，你将会看到在producer终端输入的内容，很快就会在consumer的终端窗口上显示出来。

【4】所有的命令都有一些附加的选项；当我们不携带任何参数运行命令的时候，将会显示出这个命令的详细用法

javascript 复制代码

执行bin/kafka-console-consumer.sh 命令显示所有的可选参数

4、消费消息类型分析

1）单播消费

单播消费是一条消息只能被一个消费组内的某一个消费者消费。

2）多播消费

多播消费是一条消息可以被不同组内的某一个消费者消费。

设计原理分析

Kafka核心总控制器Controller

在Kafka集群中会有一个或者多个broker，其中有一个broker会被选举为控制器（Kafka Controller），它负责管理整个集群中所有分区和副本的状态。

1）当某个分区的leader副本出现故障时，由控制器负责为该分区选举新的leader副本。

2）当检测到某个分区的ISR集合发生变化时，由控制器负责通知所有broker更新其元数据信息。

3）当使用kafka-topics.sh脚本为某个topic增加分区数量时，同样还是由控制器负责让新分区被其他节点感知到。

Controller选举机制

【1】在kafka集群启动的时候，会自动选举一台broker作为controller来管理整个集群，选举的过程是集群中每个broker都会尝试在zookeeper上创建一个 /controller 临时节点，zookeeper会保证有且仅有一个broker能创建成功，这个broker就会成为集群的总控器controller。

【2】当这个controller角色的broker宕机了，此时zookeeper临时节点会消失，集群里其他broker会一直监听这个临时节点，发现临时节点消失了，就竞争再次创建临时节点。

【3】具备控制器身份的broker需要比其他普通的broker多一份职责，具体细节如下：

**1）监听broker相关的变化。**为Zookeeper中的/brokers/ids/节点添加BrokerChangeListener，用来处理broker增减的变化。

**2）监听topic相关的变化。**为Zookeeper中的/brokers/topics节点添加TopicChangeListener，用来处理topic增减的变化；为Zookeeper中的/admin/delete_topics节点添加TopicDeletionListener，用来处理删除topic的动作。

**3）从Zookeeper中读取获取当前所有与topic、partition以及broker有关的信息并进行相应的管理。**对于所有topic所对应的Zookeeper中的/brokers/topics/[topic]节点添加PartitionModificationsListener，用来监听topic中的分区分配变化。

4）更新集群的元数据信息，同步到其他普通的broker节点中。

Partition副本选举Leader机制

controller感知到分区leader所在的broker挂了(controller监听了很多zk节点可以感知到broker存活)，controller会从ISR列表(参数unclean.leader.election.enable=false的前提下)里挑第一个broker作为leader(第一个broker最先放进ISR列表，可能是同步数据最多的副本)【这种会阻塞直到ISR列表有数据】，

如果参数unclean.leader.election.enable为true，代表在ISR列表里所有副本都挂了的时候可以在ISR列表以外的副本中选leader，这种设置，可以提高可用性，但是选出的新leader有可能数据少很多。【其实就是知道/broker/ids/下面的数据没了】

副本进入ISR列表有两个条件：

1）副本节点不能产生分区，必须能与zookeeper保持会话以及跟leader副本网络连通

2）副本能复制leader上的所有写操作，并且不能落后太多。(与leader副本同步滞后的副本，是由 replica.lag.time.max.ms 配置决定的，超过这个时间都没有跟leader同步过的一次的副本会被移出ISR列表)

消费者消费消息的offset记录机制

每个consumer会定期将自己消费分区的offset提交给kafka内部topic：__consumer_offsets，提交过去的时候，key是consumerGroupId+topic+分区号，value就是当前offset的值，kafka会定期清理topic里的消息，最后就保留最新的那条数据。【相当于记录了这个消费组在这个topic的某分区上消费到了哪】

由于consumer_offsets可能会接收高并发的请求，kafka默认给其分配50个分区(可以通过offsets.topic.num.partitions设置)，这样可以通过加机器的方式抗大并发。

选出consumer消费的offset要提交到consumer_offsets的哪个分区公式：hash(consumerGroupId) % consumer_offsets主题的分区数

消费者Rebalance机制（再平衡机制）

**rebalance就是指如果消费组里的消费者数量有变化或消费的分区数有变化，kafka会重新分配消费者消费分区的关系。**比如consumer group中某个消费者挂了，此时会自动把分配给他的分区交给其他的消费者，如果他又重启了，那么又会把一些分区重新交还给他。

注意：

1）rebalance只针对subscribe这种不指定分区消费的情况，如果通过assign这种消费方式指定了分区，kafka不会进行rebanlance。

**2）rebalance过程中，消费者无法从kafka消费消息。**这对kafka的TPS会有影响，如果kafka集群内节点较多，比如数百个，那重平衡可能会耗时极多，所以应尽量避免在系统高峰期的重平衡发生。

如下情况可能会触发消费者rebalance

1.消费组里的consumer增加或减少了

2.动态给topic增加了分区

3.消费组订阅了更多的topic

消费者Rebalance分区分配策略：

rebalance的策略：range、round-robin、sticky。

Kafka 提供了消费者客户端参数partition.assignment.strategy 来设置消费者与订阅主题之间的分区分配策略。默认情况为range分配策略。

假设一个主题有10个分区(0-9)，现在有三个consumer消费：

1）range策略就是按照分区序号排序，比如分区0~3给一个consumer，分区4~6给一个consumer，分区7~9给一个consumer。

假设 n＝分区数／消费者数量 = 3， m＝分区数%消费者数量 = 1，那么前 m 个消费者每个分配 n+1 个分区，后面的（消费者数量－m ）个消费者每个分配 n 个分区。

2）round-robin策略就是轮询分配，比如分区0、3、6、9给一个consumer，分区1、4、7给一个consumer，分区2、5、8给一个consumer。

3）sticky策略初始时分配策略与round-robin类似，但是在rebalance的时候，需要保证如下两个原则。1）分区的分配要尽可能均匀。2）分区的分配尽可能与上次分配的保持相同。

Rebalance过程

当有消费者加入消费组时，消费者、消费组及组协调器之间会经历以下几个阶段。

1）选择组协调器

consumer group中的每个consumer启动时会向kafka集群中的某个节点发送 FindCoordinatorRequest 请求来查找对应的组协调器GroupCoordinator，并跟其建立网络连接。

组协调器GroupCoordinator：每个consumer group都会选择一个broker作为自己的组协调器coordinator，负责监控这个消费组里的所有消费者的心跳，以及判断是否宕机，然后开启消费者rebalance。

2）加入消费组JOIN GROUP

在成功找到消费组所对应的 GroupCoordinator 之后就进入加入消费组的阶段，在此阶段的消费者会向 GroupCoordinator 发送 JoinGroupRequest 请求，并处理响应。

GroupCoordinator 从一个consumer group中选择第一个加入group的consumer作为leader(消费组协调器)，把consumer group情况发送给这个leader，接着这个leader会负责制定分区方案。

3）（ SYNC GROUP)

consumer leader通过给GroupCoordinator发送SyncGroupRequest，接着GroupCoordinator就把分区方案下发给各个consumer【心跳的时候】，他们会根据指定分区的leader broker进行网络连接以及消息消费。

producer发布消息机制剖析

producer 采用 push 模式将消息发布到 broker，每条消息都被 append 到 patition 中，属于顺序写磁盘（顺序写磁盘效率比随机写内存要高，保障 kafka 吞吐率）。存储分区会根据分区算法选择将其存储到哪一个 partition。

路由机制为：

1）指定了 patition，则直接使用；

2）未指定 patition 但指定 key，通过对 key 的 value 进行hash 选出一个 patition

3）patition 和 key 都未指定，使用轮询选出一个 patition。

写入流程

1）producer 先从 zookeeper 的 "/brokers/.../state" 节点找到该 partition 的 leader

2）producer 将消息发送给该 leader

3）leader 将消息写入本地 log

4）followers 从 leader pull 消息，写入本地 log 后向leader 发送 ACK

5）leader 收到所有 ISR 中的 replica 的 ACK 后，增加 HW（high watermark，最后 commit 的 offset）并向 producer 发送 ACK

集群消费

partitions分布在kafka集群中不同的broker上，kafka集群支持配置partition备份的数量。针对每个partition，都有一个broker起到"leader"的作用，其他的broker作为"follwers"的作用。

leader来负责处理所有关于这个partition的读写请求，而followers被动复制leader的结果，不提供读写(主要是为了保证多副本数据与消费的一致性)。如果这个leader失效了，其中的一个follower通过选举成为新的leader。

Producers

生产者将消息发送到topic中去，同时负责选择将message发送到topic的哪一个partition中。通过round-robin做简单的负载均衡，也可以根据消息中的某一个关键字来进行区分。通常第二种方式使用的更多。

Consumers

传统的消息传递模式有2种：队列( queue) 和（publish-subscribe）。Kafka基于这2种模式提供了一种consumer的抽象概念：consumer group。

通常一个topic会有几个consumer group，每个consumer group都是一个逻辑上的订阅者（ logical subscriber ）。每个consumer group由多个consumer instance组成，从而达到可扩展和容灾的功能。

其他

消息回溯消费的机制是怎么实现的？

因为kafka的消息存储在log文件里面，而且对应的还会有index与timeindex（可以加快对于消息的检索），根据设置给予的offset可以快速定位到是哪个log文件，因为文件名就是offset偏移值。快速拿出数据就可以进行消费了。此外根据时间回溯也是一样不过量会更大一点。

如果新的消费组订阅已存在的topic，那么是重新开始消费么？

**默认是将当前topoc的最后offset传给消费组，作为其已消费的记录。**所以若是需要从头消费，则要设置为props.put(ConsumerConfig.AUTO_OFFSET_RESET_CONFIG, "earliest")。这个消费组如果是已经存在的，那么这个参数其实不会变动已有的offset。默认处理大数据量的应该采用latest，业务场景则用earliest。

日志分段存储

**Kafka 一个分区的消息数据对应存储在一个文件夹下，以topic名称+分区号命名，消息在分区内是分段(segment)存储，每个段的消息都存储在不一样的log文件里。**这种特性方便old segment file快速被删除，kafka规定了一个段位的 log 文件最大为 1G，做这个限制目的是为了方便把 log 文件加载到内存去操作。

Kafka Broker 有一个参数，log.segment.bytes，限定了每个日志段文件的大小，最大就是 1GB。

一个日志段文件满了，就自动开一个新的日志段文件来写入，避免单个文件过大，影响文件的读写性能，这个过程叫做 log rolling，正在被写入的那个日志段文件，叫做 active log segment。

总结

后续再次补充...