Kafka 生产调优

@lihewei2024-02-07 14:00

Kafka生产调优

文章目录

一、Kafka 硬件配置选择

场景说明

100 万日活，每人每天 100 条日志，每天总共的日志条数是 100 万 * 100 条 = 1 亿条。

1 亿 / 24 小时 / 60 分 / 60 秒 = 1150 条/每秒钟。

每条日志大小：0.5k ~ 2k（约1k）。

1150 条/每秒钟 * 1k ≈ 1m/s 。

高峰期每秒钟：1150 条 * 20 倍 = 23000 条。

所以高峰每秒数据量：20MB/s。

服务器台数选择

服务器台数= 2 * （生产者峰值生产速率 * 副本 / 100） + 1

​ = 2 * （20m/s * 2 / 100） + 1

​ = 3 台

磁盘选择

kafka 底层主要是顺序写，固态硬盘和机械硬盘的顺序写速度差不多。建议选择普通的机械硬盘。

每天总数据量：1 亿条 * 1k ≈ 100g

100g * 副本 2 * 保存时间 3 天 / 0.7 ≈ 1T

建议三台服务器硬盘总大小，大于等于 1T。

内存选择

Kafka 内存组成：堆内存 + 页缓存

1）Kafka 堆内存建议每个节点：10g ~ 15g（在 kafka-server-start.sh 中修改）

shell 复制代码 
if [ "x$KAFKA_HEAP_OPTS" = "x" ]; then
 export KAFKA_HEAP_OPTS="-Xmx10G -Xms10G"
fi

2）页缓存：页缓存是 Linux 系统服务器的内存。我们只需要保证 1 个 segment（1g）中25%的数据在内存中就好。

每个节点页缓存大小 =（分区数 * 1g * 25%）/ 节点数。例如 10 个分区，页缓存大小=（10 * 1g * 25%）/ 3 ≈ 1g

建议服务器内存大于等于 11G。

CPU选择

  • num.io.threads = 8 负责写磁盘的线程数，整个参数值要占总核数的 50%。
  • num.replica.fetchers = 1 副本拉取线程数，这个参数占总核数的 50%的 1/3。
  • num.network.threads = 3 数据传输线程数，这个参数占总核数的 50%的 2/3。

建议 32 个 cpu core。

二、Kafka Broker调优

Broker 核心参数配置

参数名称 描述
replica.lag.time.max.ms ISR 中，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。该时间阈值，默认30s。
auto.leader.rebalance.enable 默认是 true。 自动 Leader Partition 平衡。
leader.imbalance.per.broker.percentage 默认是 10%。每个 broker 允许的不平衡的 leader 的比率。如果每个 broker 超过了这个值，控制器会触发 leader 的平衡。
leader.imbalance.check.interval.seconds 默认值 300 秒。检查 leader 负载是否平衡的间隔时间。
log.segment.bytes Kafka 中 log 日志是分成一块块存储的，此配置是指 log 日志划分成块的大小，默认值 1G。
log.index.interval.bytes 默认 4kb，kafka 里面每当写入了 4kb 大小的日志（.log），然后就往 index 文件里面记录一个索引。
log.retention.hours Kafka 中数据保存的时间，默认 7 天。
log.retention.minutes Kafka 中数据保存的时间，分钟级别，默认关闭。
log.retention.ms Kafka 中数据保存的时间，毫秒级别，默认关闭。
log.retention.check.interval.ms 检查数据是否保存超时的间隔，默认是 5 分钟。
log.retention.bytes 默认等于-1，表示无穷大（也表示关闭）。超过设置的所有日志总大小，删除最早的 segment。
log.cleanup.policy 默认是 delete，表示所有数据启用删除策略；如果设置值为 compact，表示所有数据启用压缩策
num.io.threads 默认是 8。负责写磁盘的线程数。整个参数值要占总核数的 50%。
num.replica.fetchers 默认是 1。副本拉取线程数，这个参数占总核数的 50%的 1/3
num.network.threads 默认是 3。数据传输线程数，这个参数占总核数的50%的 2/3 。
log.flush.interval.messages 强制页缓存刷写到磁盘的条数，默认是 long 的最大值，9223372036854775807。一般不建议修改， 交给系统自己管理。
log.flush.interval.ms 每隔多久，刷数据到磁盘，默认是 null。一般不建议修改，交给系统自己管理。

服役新节点/退役旧节点

（1）创建一个要均衡的主题。

shell 复制代码 
$ vim topics-to-move.json 
{
   "topics": [
 		{"topic": "first"}
 	],
 	"version": 1
}

（2）生成一个负载均衡的计划。

java 复制代码 
$ bin/kafka-reassign-partitions.sh --bootstrap-server node102:9092 --topics-to-move-json-file topics-to-move.json --broker-list "0,1,2,3" --generate

（3）创建副本存储计划（所有副本存储在 broker0、broker1、broker2、broker3 中），由步骤2生成的👆

shell 复制代码 
$ vim increase-replication-factor.json

（4）执行副本存储计划。

shell 复制代码 
$ bin/kafka-reassign-partitions.sh --bootstrap-server node102:9092 --reassignment-json-file increase-replication-factor.json --execute

（5）验证副本存储计划。

shell 复制代码 
$ bin/kafka-reassign-partitions.sh --bootstrap-server node102:9092 --reassignment-json-file increase-replication-factor.json --verify

增加副本因子

1）创建测试 topic（3分区、1副本）

shell 复制代码 
$ bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server node102:9092 --create --partitions 3 --replication-factor 1 --
topic four

2）手动增加副本存储（3分区、3副本），创建副本存储计划，所有副本都指定存储在 broker0、broker1、broker2 中

shell 复制代码 
vim increase-replication-factor.json

{"version":1,"partitions":[
	{"topic":"four","partition":0,"replicas":[0,1,2]},
	{"topic":"four","partition":1,"replicas":[0,1,2]},
	{"topic":"four","partition":2,"replicas":[0,1,2]}
]}

3）执行副本存储计划。

shell 复制代码 
$ bin/kafka-reassign-partitions.sh --bootstrap-server node102:9092 --reassignment-json-file increase-replication-factor.json --execute

调整分区副本存储

（1）创建副本存储计划（所有副本都指定存储在 broker0、broker1、broker2 中）。

shell 复制代码 
 vim increase-replication-factor.json

{
	"version":1,
	"partitions":[{"topic":"three","partition":0,"replicas":[0,1]},
	{"topic":"three","partition":1,"replicas":[0,1]},
	{"topic":"three","partition":2,"replicas":[1,0]},
	{"topic":"three","partition":3,"replicas":[1,0]}
	]
}

（2）执行副本存储计划。

shell 复制代码 
$ bin/kafka-reassign-partitions.sh --bootstrap-server node102:9092 --reassignment-json-file increase-replication-factor.json --execute

（3）验证副本存储计划

shell 复制代码 
$ bin/kafka-reassign-partitions.sh --bootstrap-server node102:9092 --reassignment-json-file increase-replication-factor.json --verify

三、Kafka 生产者调优

生产者如何提高吞吐量

参数名称 描述
buffer.memory RecordAccumulator 缓冲区总大小，默认 32m。
batch.size 缓冲区一批数据最大值，默认 16k。适当增加该值，可 缓冲区一批数据最大值，默认 16k。适当增加该值，可以提高吞吐量，但是如果该值设置太大，会导致数据传 以提高吞吐量，但是如果该值设置太大，会导致数据传输延迟增加。 输延迟增加。
linger.ms 如果数据迟迟未达到 batch.size，sender 等待 linger.time之后就会发送数据。单位 ms，默认值是 0ms，表示没有延迟。生产环境建议该值大小为 5-100ms 之间。
compression.type 生产者发送的所有数据的压缩方式。默认是 none，也就是不压缩。 支持压缩类型：none、gzip、snappy、lz4 和 zstd。

数据可靠性

参数名称 描述
acks 0：生产者发送过来的数据，不需要等数据落盘应答。 1：生产者发送过来的数据，Leader 收到数据后应答。 -1（all）：生产者发送过来的数据，Leader+和 isr 队列 里面的所有节点收齐数据后应答。默认值是-1

至少一次 = ACK 级别设置为-1 + 分区副本大于等于 2 + ISR 里应答的最小副本数量大于等于 2

数据去重

参数名称 描述
enable.idempotence 是否开启幂等性，默认 true，表示开启幂等性。

Kafka 的事务一共有如下 5 个 API

java 复制代码 
// 1 初始化事务
void initTransactions();

// 2 开启事务
void beginTransaction() throws ProducerFencedException;

// 3 在事务内提交已经消费的偏移量（主要用于消费者）
void sendOffsetsToTransaction(Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> offsets,String consumerGroupId) throws 
ProducerFencedException;

// 4 提交事务
void commitTransaction() throws ProducerFencedException;

// 5 放弃事务（类似于回滚事务的操作）
void abortTransaction() throws ProducerFencedException;

数据乱序

参数名称 描述
enable.idempotence 是否开启幂等性，默认 true，表示开启幂等性。
max.in.flight.requests.per.connection 允许最多没有返回 ack 的次数，默认为 5，开启幂等性 要保证该值是 1-5 的数字。

四、Kafka 消费者调优

消费者重要参数🚩

参数 描述
bootstrap.servers 向 Kafka 集群建立初始连接用到的 host/port 列表。
key.deserializer 和 value.deserializer 指定接收消息的 key 和 value 的反序列化类型。一定要写全类名。
group.id 标记消费者所属的消费者组。
enable.auto.commit 自动提交offset开关，默认值为 true，消费者会自动周期性地向服务器提交偏移量。
auto.commit.interval.ms 消费者偏移量向Kafka提交的频率，默认5s。（如果设置自动提交offset时才生效）
auto.offset.reset 当 Kafka 中没有初始偏移量或当前偏移量在服务器中不存在（如，数据被删除了），该如何处理？ earliest：自动重置偏移量到最早的偏移量。 latest：默认，自动重置偏移量为最新的偏移量。 none：如果消费组原来的（previous）偏移量
offsets.topic.num.partitions __consumer_offsets 的分区数，默认是 50 个分区。
heartbeat.interval.ms Kafka 消费者和 coordinator 之间的心跳时间，默认 3s。 该条目的值必须小于 session.timeout.ms ，也不应该高于session.timeout.ms 的 1/3。
☘️session.timeout.ms Kafka consumer 和 coordinator 之间连接超时时间，默认 45s。 超过该值，该消费者被移除，消费者组执行再平衡。
☘️max.poll.interval.ms 消费者处理消息的最大时长，默认是 5 分钟。超过该值，该消费者被移除，消费者组执行再平衡。
🚩fetch.min.bytes 消费者获取服务器端一批消息最小的字节数。 默认 1 个字节
🚩fetch.max.wait.ms 默认 500ms。如果没有从服务器端获取到一批数据的最小字节数。该时间到，仍然会返回数据。
🚩fetch.max.bytes 默认 Default: 52428800（50 m）。消费者获取服务器端一批消息最大的字节数。如果服务器端一批次的数据大于该值 （50m）仍然可以拉取回来这批数据，因此，这不是一个绝对最大值。一批次的大小受 message.max.bytes （broker config）or max.message.bytes （topic config）影响。
🚩max.poll.records 一次 poll 拉取数据返回消息的最大条数，默认是 500 条。

消费者再平衡

参数名称 描述
heartbeat.interval.ms Kafka 消费者和 coordinator 之间的心跳时间，默认 3s。 该条目的值必须小于 session.timeout.ms，也不应该高于 session.timeout.ms 的 1/3。
session.timeout.ms Kafka 消费者和 coordinator 之间连接超时时间，默认 45s。 超过该值，该消费者被移除，消费者组执行再平衡。
max.poll.interval.ms 消费者处理消息的最大时长，默认是 5 分钟。超过该值，该消费者被移除，消费者组执行再平衡。
partition.assignment.strategy 消费者分区分配策略 ， 默 认 策 略 是 Range + CooperativeSticky。Kafka 可以同时使用多个分区分配策略。 可以选择的策略包括：Range、RoundRobin、Sticky、CooperativeSticky

指定offset进行消费

java 复制代码 
public class CustomConsumerByHandSync {
   public static void main(String[] args) {
   // 1. 创建 kafka 消费者配置类
   Properties properties = new Properties();
   // 2. 添加配置参数
   // 添加连接
   properties.put(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "localhost:9092");
   // 配置序列化 必须
   properties.put(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG,
                  "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
   properties.put(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG,
                   "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
     
   // 配置消费者组 
   properties.put(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, "test");
     
   // 是否自动提交 offset
   properties.put(ConsumerConfig.ENABLE_AUTO_COMMIT_CONFIG, false);
     
   //3. 创建 kafka 消费者
   KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(properties);
     
   // 2 订阅一个主题
   ArrayList<String> topics = new ArrayList<>();
   topics.add("first");
   kafkaConsumer.subscribe(topics);
   
   //🚩 获取消费者分区信息，并指定offset进行消费
   Set<TopicPartition> assignment= new HashSet<>();
 	  while (assignment.size() == 0) {
 		 kafkaConsumer.poll(Duration.ofSeconds(1));
 		 // 获取消费者分区分配信息（有了分区分配信息才能开始消费）
 		 assignment = kafkaConsumer.assignment();
       }
 	    
      // 遍历所有分区，并指定 offset 从 1700 的位置开始消费
	  for (TopicPartition tp: assignment) {
	  	kafkaConsumer.seek(tp, 1700);
	  }
     
     // 消费数据
	 while (true){
 		// 读取消息
 	    ConsumerRecords<String, String> consumerRecords = consumer.poll(Duration.ofSeconds(1));
       		// 输出消息
 			for (ConsumerRecord<String, String> consumerRecord : consumerRecords) {
 				System.out.println(consumerRecord.value());
 			}
 	}
     
  }
}

指定时间进行消费

在生产环境中，会遇到最近消费的几个小时数据异常，想重新按照时间消费。例如要求按照时间消费前一天的数据，怎么处理？

java 复制代码 
public class CustomConsumerByHandSync {
   public static void main(String[] args) {
   // 1. 创建 kafka 消费者配置类
   Properties properties = new Properties();
   // 2. 添加配置参数
   // 添加连接
   properties.put(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "localhost:9092");
   // 配置序列化 必须
   properties.put(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG,
                  "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
   properties.put(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG,
                   "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
     
   // 配置消费者组 
   properties.put(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, "test");
     
   // 是否自动提交 offset
   properties.put(ConsumerConfig.ENABLE_AUTO_COMMIT_CONFIG, false);
     
   //3. 创建 kafka 消费者
   KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(properties);
     
   // 2 订阅一个主题
   ArrayList<String> topics = new ArrayList<>();
   topics.add("first");
   kafkaConsumer.subscribe(topics);
   
   //🚩 获取消费者分区信息，并指定offset进行消费
   Set<TopicPartition> assignment= new HashSet<>();
   while (assignment.size() == 0) {
 	  kafkaConsumer.poll(Duration.ofSeconds(1));
 	  // 获取消费者分区分配信息（有了分区分配信息才能开始消费）
 	  assignment = kafkaConsumer.assignment();
   }
     
   HashMap<TopicPartition, Long> timestampToSearch = new HashMap<>();	    
   // 封装集合存储，每个分区对应一天前的数据
   for (TopicPartition topicPartition : assignment) {
       timestampToSearch.put(topicPartition, System.currentTimeMillis() - 1 * 24 * 3600 * 1000);
   }
    // 获取从 1 天前开始消费的每个分区的 offset
 	Map<TopicPartition, OffsetAndTimestamp> offsets = kafkaConsumer.offsetsForTimes(timestampToSearch);
    // 遍历每个分区，对每个分区设置消费时间。
 	for (TopicPartition topicPartition : assignment) {
 		OffsetAndTimestamp offsetAndTimestamp = offsets.get(topicPartition);
 		// 根据时间指定开始消费的位置
 		if (offsetAndTimestamp != null){
 			kafkaConsumer.seek(topicPartition, offsetAndTimestamp.offset());
 		}
 	}
     
     // 消费数据
	 while (true){
 		// 读取消息
 	    ConsumerRecords<String, String> consumerRecords = consumer.poll(Duration.ofSeconds(1));
       		// 输出消息
 			for (ConsumerRecord<String, String> consumerRecord : consumerRecords) {
 				System.out.println(consumerRecord.value());
 			}
 	}
     
  }
}

消费者如何提高吞吐量

增加分区数：

shell 复制代码 
$ bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server node102:9092 --alter --topic first --partitions 3
参数名称 描述
fetch.max.bytes 默认 Default: 52428800（50 m）。消费者获取服务器端一批 消息最大的字节数。如果服务器端一批次的数据大于该值 （50m）仍然可以拉取回来这批数据，因此，这不是一个绝对最大值。一批次的大小受 message.max.bytes （broker config） or max.message.bytes （topic config）影响。
max.poll.records 一次 poll 拉取数据返回消息的最大条数，默认是 500 条。

五、Kafka总体调优

如何提升吞吐量🚩

1）提升生产吞吐量

  • buffer.memory：发送消息的缓冲区大小，默认值是 32m，可以增加到 64m。
  • batch.size：默认是 16k。如果 batch 设置太小，会导致频繁网络请求，吞吐量下降；如果 batch 太大，会导致一条消息需要等待很久才能被发送出去，增加网络延时
  • linger.ms，这个值默认是 0，意思就是消息必须立即被发送。一般设置一个 5~100毫秒。如果 linger.ms 设置的太小，会导致频繁网络请求，吞吐量下降；如果 linger.ms 太长，会导致一条消息需要等待很久才能被发送出去，增加网络延时。
  • compression.type：默认是 none，不压缩，但是也可以使用 lz4 压缩，效率还是不错的，压缩之后可以减小数据量，提升吞吐量，但是会加大 producer 端的 CPU 开销。

2）增加分区

3）消费者提高吞吐量

  • 调整 fetch.max.bytes 大小，默认是 50m。
  • 调整 max.poll.records 大小，默认是 500 条。

4）增加下游消费者处理能力

数据精准一次

1）生产者角度

  • acks 设置为-1 （acks=-1）
  • 幂等性（enable.idempotence = true） + 事务

2）broker 服务端角度

  • 分区副本大于等于 2 （--replication-factor 2）
  • ISR 里应答的最小副本数量大于等于 2 （min.insync.replicas = 2）

3）消费者

  • 事务 + 手动提交 offset （enable.auto.commit = false）
  • 消费者输出的目的地必须支持事务（MySQL、Kafka）

合理设置分区数

（1）创建一个只有 1 个分区的 topic。

（2）测试这个 topic 的 producer 吞吐量和 consumer 吞吐量。

（3）假设他们的值分别是 Tp 和 Tc，单位可以是 MB/s。

（4）然后假设总的目标吞吐量是 Tt，那么分区数 = Tt / min（Tp，Tc）。

例如：producer 吞吐量 = 20m/s；consumer 吞吐量 = 50m/s，期望吞吐量 100m/s；

分区数 = 100 / 20 = 5 分区

分区数一般设置为：3-10 个

分区数不是越多越好，也不是越少越好，需要搭建完集群，进行压测，再灵活调整分区个数。

单条日志大于 1m的问题

参数名称 描述
message.max.bytes 默认 1m，broker 端接收每个批次消息最大值
max.request.size 默认 1m，生产者发往 broker 每个请求消息最大值。针对 topic级别设置消息体的大小
replica.fetch.max.bytes 默认 1m，副本同步数据，每个批次消息最大值
fetch.max.bytes 默认 Default: 52428800（50 m）。消费者获取服务器端一批 消息最大的字节数。如果服务器端一批次的数据大于该值（50m）仍然可以拉取回来这批数据，因此，这不是一个绝对 最大值。一批次的大小受 message.max.bytes （broker config） or max.message.bytes （topic config）影响

集群压力测试

用 Kafka 官方自带的脚本，对 Kafka 进行压测

Kafka Producer 压力测试

（1）创建一个 test topic，设置为 3 个分区 3 个副本

shell 复制代码 
$ bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server node102:9092 --create --replication-factor 3 --partitions 3 --topic test

（2）在/opt/module/kafka/bin 目录下面有这两个文件。我们来测试一下

shell 复制代码 
$ bin/kafka-producer-perf-test.sh --topic test --record-size 1024 --num-records 1000000 --throughput 10000 --producer-props bootstrap.servers=node102:9092,node103:9092,node104:9092 batch.size=16384 linger.ms=0

测试参数说明：

  • record-size 是一条信息有多大，单位是字节，本次测试设置为 1k。
  • num-records 是总共发送多少条信息，本次测试设置为 100 万条。
  • throughput 是每秒多少条信息，设成-1，表示不限流，尽可能快的生产数据，可测出生产者最大吞吐量。本次设置为每秒钟 1 万条。
  • producer-props 后面可以配置生产者相关参数，batch.size 配置为 16k

调优参数：

更改不同的值进行压测

参数名称 描述
buffer.memory RecordAccumulator 缓冲区总大小，默认 32m。
batch.size 缓冲区一批数据最大值，默认 16k。适当增加该值，可 缓冲区一批数据最大值，默认 16k。适当增加该值，可以提高吞吐量，但是如果该值设置太大，会导致数据传 以提高吞吐量，但是如果该值设置太大，会导致数据传输延迟增加。 输延迟增加。
linger.ms 如果数据迟迟未达到 batch.size，sender 等待 linger.time之后就会发送数据。单位 ms，默认值是 0ms，表示没有延迟。生产环境建议该值大小为 5-100ms 之间。
compression.type 生产者发送的所有数据的压缩方式。默认是 none，也就是不压缩。 支持压缩类型：none、gzip、snappy、lz4 和 zstd。

Kafka Consumer 压力测试

（1）修改/opt/module/kafka/config/consumer.properties 文件中的一次拉取条数为 500

shell 复制代码 
max.poll.records=500

（2）消费 100 万条日志进行压测

shell 复制代码 
$ bin/kafka-consumer-perf-test.sh --bootstrap-server node102:9092,node103:9092,hadoop104:9092 --topic test --messages 1000000 --consumer.config config/consumer.properties

参数说明：

  • --bootstrap-server 指定 Kafka 集群地址
  • --topic 指定 topic 的名称
  • --messages 总共要消费的消息个数。本次实验 100 万条

调优参数优化：（在consumer.properties中进行修改）

  • 修改一次拉取的数量：max.poll.records=2000
  • 调整文件中的拉取一批数据大小 100m：fetch.max.bytes=104857600
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