学习笔记 | Kafka

suweijie7682024-01-08 9:18

一、概述

定义

1、Kafka传统定义：Kafka 是一个分布式的基于 发布/订阅模式 的消息队列（Message Queue） ，主要应用与大数据实时处理领域。

2、发布/订阅：消息的发送者不会将消息直接发送给特定的订阅者，而是将发布的消息分为不同的类别，订阅者只接受自己感兴趣的消息。

3、Kafka 最新定义：Kafka是一个开源的 分布式事件流平台 （Event Streaming Platfrom），被数千家公司用于高性能数据管道、流分析、数据集成和关键任务应用。

消息队列的应用场景

传统的消息队列主要应用场景包括： 缓存/削峰、解耦和异步通信。

缓存/削峰

所有数据可以全部缓存到消息队列，服务器可以根据自己处理的性能按一定的频率去消息队列中取。

解耦

减少服务之间的直接调用，由消息队列充当中间者。

异步通信

一个业务可以将优化体验（发短信）的动作放到消息队列中，由专门的服务去处理，达到快速响应上游。

消息队列的俩种模式

1）点对点模式

消费者主动拉取数据，消息收到后清除数据。

2）发布/订阅模式

  • 一个队列可以有多个topic主题。（topic对消息进行分类，消费者可以自己需求拿消息）
  • 消费者消费数据之后，不删除数据。
  • 每个消费者相互独立，都可以拿到消费数据。

Kafka的基础架构

1、为方便扩展，并提高吞吐量，一个 Topic 分为多个 partition（分区）

2、配合分区的设计，提出了消费者组的概念，组内每个消费者并行消费，一个分区只能让一个消费者消费。

3、为了提高可用性，为每个 partition 增加诺干副本进行备份（分为leader 和 follower）消费者只找learder，当leader挂掉的时候，follower符合条件时会变成leader。

4、zookerper存储节点信息，有哪些副本。

二、入门

Kafka的基本命令

Topic命令

  • 查看有多少主题

    kafka-topics.sh --bootstrap-server 192.168.204.10:9092,192.168.204.10:9093 --list

  • 新增主题

    kafka-topics.sh --bootstrap-server 192.168.204.10:9092,192.168.204.10:9093 --topic first --create --partitions 1 --replication-factor 3

  • 查看主题详情

    kafka-topics.sh --bootstrap-server 192.168.204.10:9092,192.168.204.10:9093 --topic first --describe

  • 修改主题

只能加不能减

kafka-topics.sh --bootstrap-server 192.168.204.10:9092,192.168.204.10:9093 --topic first --alter --partitions 3

命令行操作

可以查看到历史数据

kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server 192.168.204.10:9092 --topic second --from-beginning

三、生产者

原理

在消息发送的过程中，涉及到了俩个线程 -- main 和 Sender。在main线程中创建了 一个双端队列 RecordAccumulator 。main线程将消息发送给RecordAccumulator ，Sender 线程不断从RecordAccumulator 中拉取消息发送给Kafka Broker。

异步发送

当main线程发送到RecordAccumulator之后就结束了，不管接下去的操作。

示例代码：

//配置参数
Properties properties = new Properties();
properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,"192.168.204.10:9092,192.168.204.10:9093");
properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());

//创建KafkaProducer
KafkaProducer<String, Object> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);
kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("second","hello"));

//释放资源
kafkaProducer.close();

回调异步发送

相对于异步发送，就是多了一个发送成功之后处理的函数。

示例代码：

//配置
Properties properties = new Properties();
properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,"192.168.204.10:9092,192.168.204.10:9093");
properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());

//创客KafkaProducer
KafkaProducer<String, Object> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);
kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("second", "hello"), (recordMetadata, e) -> {
    System.out.println(recordMetadata.toString());
    System.out.println("send success");
});

//释放资源
kafkaProducer.close();

同步发送

同步发送就是main线程需要等sender线程将双端队列中的数据发送出去才能继续往下面操作。

示例代码：

//配置参数
Properties properties = new Properties();
properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,"192.168.204.10:9092,192.168.204.10:9093");
properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());

//创建KafkaProducer
KafkaProducer<String, Object> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);
try {
    kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("second","hello")).get();
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

//释放资源
kafkaProducer.close();

分区

Kafka分区好处

1、便于合理使用存储资源，每个Partition 在一个Broker上存储，可以把海量数据按照分区切割成一块一块存储在多台Broker上。合理控制分区的任务，可以实现负载均衡的效果。

2、提高并行度，生产者可以以分区为单位发送数；消费者可以以分区为单位进行消费数据。

分区策略

自定义分区器

1、定义自己的分区器

package cn.swj.kafka;

import org.apache.kafka.clients.producer.Partitioner;
import org.apache.kafka.common.Cluster;

import java.util.Map;

/**
 * @Author suweijie
 * @Date 2023/8/30 21:40
 * @Description: TODO
 * @Version 1.0
 */
public class MyPartitioner implements Partitioner {

    @Override
    public int partition(String s, Object o, byte[] bytes, Object o1, byte[] bytes1, Cluster cluster) {
        String msg = o1.toString();

        if(msg.contains("suweijie")) {
            return 1;
        }

        return 0;
    }

    @Override
    public void close() {

    }

    @Override
    public void configure(Map<String, ?> map) {

    }
}

2、添加配置

//配置参数
Properties properties = new Properties();
properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,"192.168.204.10:9092,192.168.204.10:9093");
properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());

//自定义分区器
properties.put(ProducerConfig.PARTITIONER_CLASS_CONFIG,MyPartitioner.class.getName())

//创建KafkaProducer
KafkaProducer<String, Object> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);
try {
    kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("second","hello")).get();
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

//释放资源
kafkaProducer.close();

提高生产者的吞吐量

batch.size: 批次的大小默认是16k（16384b） ，但是这个参数要跟linger.ms 配合才有用

linger.ms： 等待时间，修改为 5-100ms ，修改这个会造成数据的延迟。

RecordAccumulator： 双端队列的缓存区大小，修改为64m （33554432b）

compression.type ： 压缩snappy， none（默认）、gzip、snappy（用的比较多）、lz4、zstd

最佳实践：

batch.size = 32768
linger.ms = 5
buffer.memory = 33554432
compression.type = snappy

数据可靠性

应答ACKS

  • 0： 生产者发过来的数据，不需要等待数据落盘应答。

  • 1： 生产者发过来的数据，需要等待Leader收到之后应答。

  • -1（all）： 生产者发过来的数据，需要等Leader+ 和 isr 队列里面所有的节点收齐数据后应答。-1 和 all等价。

  • spring:
    kafka:
    bootstrap-servers: 192.168.204.10:9092,192.168.204.10:9093,192.168.204.10:9094
    consumer:
    group-id: 1
    value-deserializer: org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer
    key-deserializer: org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer

      producer:
    acks: -1  #ack机制  0 1 -1
    batch-size: 32768  #批次大小
    value-serializer: org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer
    key-serializer: org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer
    compression-type: snappy  #数据压缩
    retries: 5  #重试次数
    buffer-memory: 33554432  #双端队列的缓冲区大小
    linger-ms: 5  # sender 等待时间

数据重复

幂等性特性

配置：

enable:
	idempotence: true  #开启幂等性  默认开启

但是Kafka挂掉之后会重新生成一个PID，所以也是有可能会产生重复数据。

生产者事务

开启事务、必须得开启幂等性

示例代码：

private void transaction() {
        //配置参数
        Properties properties = new Properties();
        properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,"192.168.204.10:9092,192.168.204.10:9093");
        properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        properties.put(ProducerConfig.LINGER_MS_CONFIG,5); //sender 发送的等待时间 ，当达到这个时间的时候Sender 会直接发
        properties.put(ProducerConfig.ENABLE_IDEMPOTENCE_CONFIG, true);   //开启幂等性，默认开启
        properties.put(ProducerConfig.BUFFER_MEMORY_CONFIG,33554432); //设置双端队列的大小  64m
        properties.put(ProducerConfig.BATCH_SIZE_CONFIG,32768);  //批次的大小  32k ，当批次达到这个大小的时候，Sender会直接发送
        properties.put(ProducerConfig.COMPRESSION_TYPE_CONFIG,"snappy");  //数据的压缩方式
        properties.put(ProducerConfig.RETRIES_CONFIG,5);   //发送失败的重试次数
        properties.put(ProducerConfig.ACKS_CONFIG,-1); // acks的方式 -1 当leader 收到并且和isr 队列里面所有的节点同步才应答。
        properties.put(ProducerConfig.TRANSACTIONAL_ID_CONFIG,"123");  //事务唯一id
        //自定义分区器
        properties.put(ProducerConfig.PARTITIONER_CLASS_CONFIG,MyPartitioner.class.getName());

        //创建KafkaProducer
        KafkaProducer<String, Object> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);

        kafkaProducer.initTransactions();  //初始化事务

        kafkaProducer.beginTransaction();  //开启事务

        try {
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("second","hello"));
            kafkaProducer.commitTransaction();  //事务
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            kafkaProducer.abortTransaction();
        }

        //释放资源
        kafkaProducer.close();
    }

数据有序

同分区内消费者可以实现数据的有序消费，不同分区内消费者如何实现有序消费？TODO

数据乱序问题

产生的原因：

1、默认 broker 最多缓存5个请求

2、当sender一直在发送数据的时候，当有一条数据发送失败需要返回双端队列进行重发，就会产生数据乱序的问题。

解决方案：

1） kafka 在 1.x 版本之前确保单分区下数据有序需要增加以下配置：

max.in.flight.requests.per.connection = 1

1） kafka在 1.x 以及之后的版本确保单分区下的额数据有序，条件如下：

（1） 未开启幂等性

max.in.flight.requests.per.connection 设置为1

（2）开启幂等性

max.in.flight.requests.per.connection 设置小于5

原理：在kafka1.x 版本以后，启用幂等性后，kafka broker 会缓存producer 发来的最近5个request 的元数据，如果数据乱序会将乱序的数据保存在内存中，重新排序之后在落盘。

四、Broker

ZK存储

启动zkCli.sh:

docker exec -it zookeeper-server bash
#进入之后启动zkCli.sh
bin/zkCli.sh
ls /brokers/ids
get /brokers/topics/second/partitions/0/state 
get /controller

/brokes/ids : 记录有哪些节点

/brokers/topics/主题/patitions/0/state ： 记录着leader、isr队列

/controller ： 辅助选举leader

Broker工作原理

AR: kafka 分区中所有的副本统称

工作流程：

1） broker 启动会在zk中注册

2） controller 谁注册，谁说了算

3） 由选举出来的controller 监听 brokers 节点变化

4） Controller 决定 Leader 的选举

选举规则：

在isr队列中存活为前提，安装ARa中排在最前面的优先。例如 ar[1,0,2]、isr[1,0,2]，那么leader 就会按照1，0，2的顺序轮询。

5） 主broker的Controller，会将所有节点的信息上传到zk

6） 其他节点的controller 会去从zk同步相关信息下来。

7） 假设broker挂了

8） 监听到broker节点变化

9） 获取isr

10） 选举新的leader

11） 更新leader 以及 isr

新节点的服役以及退役(没听懂)

新节点服役

docker run  -d --name kafka3 \
--network kafka-net \
-p 9095:9095 \
-e  KAFKA_BROKER_ID=3 \
-e KAFKA_ZOOKEEPER_CONNECT=zookeeper-server:2181 \
-e KAFKA_ADVERTISED_LISTENERS=PLAINTEXT://192.168.204.10:9095 \
-e KAFKA_LISTENERS=PLAINTEXT://0.0.0.0:9095 \
-e TZ="Asia/Shanghai" \
wurstmeister/kafka:latest

查看在新节点是否有主题信息(指定这台broker的地址，查看是否有主题信息)

kafka-topics.sh --bootstrap-server 192.168.204.10:9094 --topic first --describe

服役新节点、正确退役旧节点

五、Kafka 副本

基本信息

1）Kafka 副本作用： 提高数据的可靠性。

2）Kafka默认的副本数为1，生产环境正常配置俩个，保证数据的可靠性；太多副本会增加磁盘的存储空间，增加网络上数据传输，降低效率。

3）Kafka 中副本分为： Leader 和 Follower。Kafka生产者只会把数据发送到Leader，然后Follower 自己去找Leader 同步。

4）Kafka 分区中的所有副本统称为AR（Assigned Replicas）。

AR = ISR + OSR

ISR，表示和 Leader 保持同步的 Follower 集合。如果 Follower 长时间未向 Leader 发送通信请求或同步数据，则该 Follower 将被踢出ISR。该时间闽值由 replica.lagtime.max.ms参数设定，默认 30s。Leader 发生故障之后，就会从ISR 中选举新的 Leader。

OSR，表示 Follower 与 Leader 副本同步时，延迟过多的副本。

Leader的选举流程

Follower的故障

Leader的故障

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