【2024】kafka streams的详细使用与案例练习（2）

方渐鸿2024-06-26 22:11

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前言

上一篇文章已经对kafka streams进行了大致的介绍以及简单案例使用，这一片文章主要是对kafka streams常用API的介绍以及使用，如果需要看概念介绍的可以看
Kafka Streams详细介绍与具体使用

下面直接开始进行kafka streams使用操作

使用

1、整体结构

在我们整体处理streams时，总共就分为三部分

  1. 第一部分是创建配置，告诉kafka我们的连接信息，通过StreamsConfig传递，然后创建一个StreamsBuilder类用于构建kafka streams拓扑的主要类。该类主要用于定义数据流处理的拓扑结构。

    还有就是通过Serde进行一个序列化

  2. 第二部分主要是构建流处理拓扑，通过StreamsBuilder类得到源Processor处理器也就是KStream类，然后通过KStream的API方法得到不同的Processor处理器（重点）

  3. 第三部分通过配置流处理拓扑，创建流处理实例，然后通过kafkaStreams.start()方法启动，结束时再通过kafkaStreams.close()关闭

我们在使用时，1和3基本上都是相同的，一般我们要处理的就是2，根据不同的业务需求，我们得到不同的Processor处理器，然后发送到不同的topic

1.1、序列化

在使用Kafka Streams时，我们需要把从topic接收到的消息进行序列化，然后再把返回topic的消息进行反序列化，

可以和kafka发送一样使用Properties类直接定义全部的，但这样会有很大的局限性，因为我们发送给不同的处理过的topic消息往往都会是不同的类型，所以我们会使用到Serde进行该操作，再每次和topic进行读取或写入消息时通过Serde进行指定key和消息的类型。

基础数据类型都有默认的写好的通过Serdes方法可以获得，如果需要定义复杂的则需要自己定义一个序列化和反序列化的类。

如下：

  • Serde<String> stringSerde = Serdes.String()：String类型
  • Serde<Purchase> propertiesSerde = Serdes.serdeFrom(serializer, deserializer)：自定义复杂类型
    • JsonSerializer<Purchase> serializer = new JsonSerializer<>(); ：自定义的序列化类
    • JsonDeserializer<Purchase> deserializer = new JsonDeserializer<>(Purchase.class);：反序列化类

kafka也有默认的可以直接用的：org.springframework.kafka.support.serializer.JsonSerializer，但一般建议自定义序列化

2、 Kafka Streams 常用的 API

2.1、 StreamsBuilder

StreamsBuilder 是构建 Kafka Streams 拓扑的主要类。它用于定义数据流处理的拓扑结构。

java 复制代码 
StreamsBuilder builder = new StreamsBuilder();

2.2、 KStream 和 KTable

  • KStream：表示一个无界的数据流，每个记录都是一个键值对。
java 复制代码 
KStream<String, String> stream = builder.stream("input-topic");
  • KTable：表示一个表，每个键对应一个最新的值。
java 复制代码 
KTable<String, Long> table = builder.table("input-topic");

2.3、 filter和 filterNot

  • filter：根据条件过滤记录。
java 复制代码 
KStream<String, String> filteredStream = stream.filter((key, value) -> value.contains("important"));
  • filterNot：过滤掉不符合条件的记录。
java 复制代码 
KStream<String, String> filteredStream = stream.filterNot((key, value) -> value.contains("unimportant"));

2.4、 map 和 mapValues

  • map：对每个记录的键和值进行转换。
java 复制代码 
KStream<String, Integer> mappedStream = stream.map((key, value) -> new KeyValue<>(key, value.length()));
  • mapValues：仅对记录的值进行转换。
java 复制代码 
KStream<String, Integer> mappedStream = stream.mapValues(value -> value.length());

2.5、 flatMap 和 flatMapValues

  • flatMap：将每个输入记录映射为零个或多个输出记录。
java 复制代码 
KStream<String, String> flatMappedStream = stream.flatMap((key, value) -> {
      List<KeyValue<String, String>> result = new ArrayList<>();
      for (String word : value.split(" ")) {
          result.add(new KeyValue<>(key, word));
      }
      return result;
  });
  • flatMapValues：仅将每个输入记录的值映射为零个或多个输出值。
java 复制代码 
****KStream<String, String> flatMappedStream = stream.flatMapValues(value -> Arrays.asList(value.split(" ")));

2.6、 groupByKey 和 groupBy

  • groupByKey：根据记录的键进行分组。
java 复制代码 
KGroupedStream<String, String> groupedStream = stream.groupByKey();
  • groupBy：根据新的键进行分组。
java 复制代码 
KGroupedStream<String, String> groupedStream = stream.groupBy((key, value) -> value);

2.7、 count、reduce 和 aggregate

  • count：计算每个分组中的记录数。
java 复制代码 
KTable<String, Long> countTable = groupedStream.count();
  • reduce：对每个分组中的记录进行归约操作。
java 复制代码 
KTable<String, String> reducedTable = groupedStream.reduce((aggValue, newValue) -> aggValue + newValue);
  • aggregate：自定义聚合操作。
java 复制代码 
  KTable<String, Integer> aggregatedTable = groupedStream.aggregate(
      () -> 0,
      (key, value, aggregate) -> aggregate + value.length(),
      Materialized.<String, Integer, KeyValueStore<Bytes, byte[]>>as("aggregated-store")
  );

2.8、 join 和 leftJoin

  • join：对两个流或表进行内连接操作。
java 复制代码 
  KStream<String, String> joinedStream = stream.join(
      otherStream,
      (value1, value2) -> value1 + value2,
      JoinWindows.of(Duration.ofMinutes(5))
  );
  • leftJoin：对两个流或表进行左连接操作。
java 复制代码 
  KStream<String, String> leftJoinedStream = stream.leftJoin(
      otherStream,
      (value1, value2) -> value1 + (value2 == null ? "" : value2),
      JoinWindows.of(Duration.ofMinutes(5))
  );

2.9、 to 和 toTable

  • to：将流中的记录写入到Kafka主题。
java 复制代码 
**stream.to("output-topic");**
  • toTable：将流转换为表。
java 复制代码 
  KTable<String, String> table = stream.toTable();

2.10、 foreach

对每个记录执行一个操作，但不返回新的流。

java 复制代码 
stream.foreach((key, value) -> System.out.println(key + ": " + value));

上面这些就是KafkaStreams常用到的一些API，通过组合使用这些API，你可以构建复杂的流处理拓扑，以满足各种数据处理需求。

3、简单案例练习

使用脚本

powershell 复制代码 
#先进入容器
docker exec -it kafka-server /bin/bash

#创建topic（把ip换为自己的）
/opt/kafka/bin/kafka-topics.sh --create --topic sell.purchase.transaction --bootstrap-server localhost:9092 --partitions 2 --replication-factor 1

# 进入生产者发消息
/opt/kafka/bin/kafka-console-producer.sh --broker-list localhost:9092 --topic input-topic


#进入消费者监听
/opt/kafka/bin/kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server localhost:9092 --topic sell.purchase.transaction

3.1、通过streams实现数据流处理，把字符串装为大写

java 复制代码 
@Slf4j
public class KafkaStreamsYellingApp {
//    appid
    private final static String APPLICATION_ID = "yelling_app_id";
    private final static String INPUT_TOPIC = "input-topic";
    private final static String OUTPUT_TOPIC = "out-topic";
    private final static String BOOTSTRAP_SERVERS = "localhost:9092";


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //1、配置客户端和序列化器
//        配置kafka stream属性连接
        Properties properties = new Properties();
        properties.put(StreamsConfig.APPLICATION_ID_CONFIG, APPLICATION_ID);
        properties.put(StreamsConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, BOOTSTRAP_SERVERS);
        StreamsConfig streamsConfig = new StreamsConfig(properties);
//        配置键值对的序列化/反序列化Serdes对象
        Serde<String> stringSerde = Serdes.String();
//        构建流处理拓扑（用于输出）
        StreamsBuilder builder = new StreamsBuilder();

        //2、构建流处理拓扑
//        数据源处理器：从指定的topic中取出数据
        KStream<String, String> inputStream = builder.stream(INPUT_TOPIC, Consumed.with(stringSerde, stringSerde));
//
        KStream<String, String> upperStream = inputStream
                .peek((key, value) -> {
                    log.info("[收集]key:{},value:{}", key, value);
                })
                .filter((key, value) -> value.length() > 5)
                .mapValues(time -> time.toUpperCase())
                .peek((key, value) -> log.info("[过滤结束]key:{},value:{}", key, value));
//        日志打印upperStream处理器的数据
        upperStream.print(Printed.toSysOut());
//        把upperStream处理器的数据输出到指定的topic中
        upperStream.to(OUTPUT_TOPIC, Produced.with(stringSerde, stringSerde));

        //3、通过配置流处理拓扑，创建流处理实例
        KafkaStreams kafkaStreams = new KafkaStreams(builder.build(), streamsConfig);
//        jvm关闭时，把流也关闭
        CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(1);
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
            kafkaStreams.close();
            downLatch.countDown();
            log.info("关闭流处理");
        }));

        kafkaStreams.start();
        log.info("启动执行！");
    }
}

3.2、map 使用，把内容转为key，把value转为内容长度

java 复制代码 
@Slf4j
public class KafkaStreamsYellingApp2 {

    private final static String APPLICATION_ID = "yelling_app_id";
    private final static String INPUT_TOPIC = "input-topic";

    private final static String OUTPUT_TOPIC = "output-topic";

    private final static String BOOTSTRAP_SERVERS = "localhost:9092";



    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

//        配置kafka stream属性连接
        Properties properties = new Properties();
        properties.put(StreamsConfig.APPLICATION_ID_CONFIG, APPLICATION_ID);
        properties.put(StreamsConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, BOOTSTRAP_SERVERS);
        StreamsConfig streamsConfig = new StreamsConfig(properties);
//        配置键值对的序列化/反序列化Serdes对象
        Serde<String> stringSerde = Serdes.String();
        Serde<Integer> integerSerde = Serdes.Integer();
//        构建流处理拓扑（用于输出）
        StreamsBuilder builder = new StreamsBuilder();
//        数据源处理器：从指定的topic中取出数据
        KStream<String, String> inputStream = builder.stream(INPUT_TOPIC, Consumed.with(stringSerde, stringSerde));
//

        KStream<String, Integer> k1 = inputStream.map((noKey, value) -> KeyValue.pair(value, value.length()));

        k1.print(Printed.<String,Integer>toSysOut().withLabel("map"));

//        k1.to(OUTPUT_TOPIC, Produced.with(stringSerde, integerSerde));

        KafkaStreams kafkaStreams = new KafkaStreams(builder.build(), streamsConfig);


//        jvm关闭时，把流也关闭
        CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(1);
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
            kafkaStreams.close();
            downLatch.countDown();
            log.info("关闭流处理");
        }));

        kafkaStreams.start();
        log.info("启动执行！");

    }
    
}

3.3、filter和 filterNot使用过滤消息

java 复制代码 
/**
 * filter和 filterNot使用
 */
@Slf4j
public class KafkaStreamsYellingApp3 {

    private final static String APPLICATION_ID = "yelling_app_id";
    private final static String INPUT_TOPIC = "input-topic";

    private final static String OUTPUT_TOPIC = "output-topic";

    private final static String BOOTSTRAP_SERVERS = "localhost:9092";



    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

//        配置kafka stream属性连接
        Properties properties = new Properties();
        properties.put(StreamsConfig.APPLICATION_ID_CONFIG, APPLICATION_ID);
        properties.put(StreamsConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, BOOTSTRAP_SERVERS);
        StreamsConfig streamsConfig = new StreamsConfig(properties);
//        配置键值对的序列化/反序列化Serdes对象
        Serde<String> stringSerde = Serdes.String();
        Serde<Integer> integerSerde = Serdes.Integer();
//        构建流处理拓扑（用于输出）
        StreamsBuilder builder = new StreamsBuilder();
//        数据源处理器：从指定的topic中取出数据
        KStream<String, String> inputStream = builder.stream(INPUT_TOPIC, Consumed.with(stringSerde, stringSerde));
//
        inputStream.filter((key, value) -> (value.contains("kafka")), Named.as("filtering-processor"))
                        .print(Printed.<String,String>toSysOut().withLabel("filtering"));


        inputStream.filterNot((key, value) -> (value.contains("kafka")), Named.as("filtering-not-processor"))
                .print(Printed.<String,String>toSysOut().withLabel("filtering-not"));



        KafkaStreams kafkaStreams = new KafkaStreams(builder.build(), streamsConfig);


//        jvm关闭时，把流也关闭
        CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(1);
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
            kafkaStreams.close();
            downLatch.countDown();
            log.info("关闭流处理");
        }));

        kafkaStreams.start();
        log.info("启动执行！");
    }
}

3.4、通过selectKey配置key

java 复制代码 
@Slf4j
public class KafkaStreamsYellingApp4 {


    private final static String APPLICATION_ID = "yelling_app_id";
    private final static String INPUT_TOPIC = "input-topic";

    private final static String OUTPUT_TOPIC = "output-topic";

    private final static String BOOTSTRAP_SERVERS = "localhost:9092";



    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

//        配置kafka stream属性连接
        Properties properties = new Properties();
        properties.put(StreamsConfig.APPLICATION_ID_CONFIG, APPLICATION_ID);
        properties.put(StreamsConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, BOOTSTRAP_SERVERS);
        StreamsConfig streamsConfig = new StreamsConfig(properties);
//        配置键值对的序列化/反序列化Serdes对象
        Serde<String> stringSerde = Serdes.String();
        Serde<Integer> integerSerde = Serdes.Integer();
//        构建流处理拓扑（用于输出）
        StreamsBuilder builder = new StreamsBuilder();
//        数据源处理器：从指定的topic中取出数据
        KStream<String, String> inputStream = builder.stream(INPUT_TOPIC, Consumed.with(stringSerde, stringSerde));
//

         inputStream.flatMap( //把一个消息的内容通过转为多条消息以map的方式返回，
                (key, value) -> Arrays.stream(value.split(" ")) //通过使用java的stream把内容转为map
                        .map(e -> KeyValue.pair(e, e.length())).collect(Collectors.toList()))
                        .print(Printed.<String,Integer>toSysOut().withLabel("flatMap"));


        inputStream.flatMapValues( //不改变key，直接转换value
                value -> Arrays.stream(value.split(" "))
                        .map(String::toUpperCase).toList())
                .print(Printed.<String,String>toSysOut().withLabel("flatMapValues"));


//        配置key
        inputStream.selectKey((key, value) -> value)
                .print(Printed.<String,String>toSysOut().withLabel("selectKey"));



        KafkaStreams kafkaStreams = new KafkaStreams(builder.build(), streamsConfig);


//        jvm关闭时，把流也关闭
        CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(1);
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
            kafkaStreams.close();
            downLatch.countDown();
            log.info("关闭流处理");
        }));

        kafkaStreams.start();
        log.info("启动执行！");

    }

}

4、复杂对象案例练习

4.1、自定义序列化

对接收topic的消息到拓扑还是发送消息到topic都需要进行序列化和反序列化

  • 序列化
java 复制代码 
public class JsonSerializer<T> implements Serializer<T> {

    private Gson gson=  new Gson();



    public void configure(Map<String ,?> map, boolean b) {
    }



    public byte[] serialize(String topic, T t) {


        return gson.toJson(t).getBytes();
    }



    @Override
    public void close() {
        Serializer.super.close();
    }
}
  • 反序列化
java 复制代码 
/**
 * 反序列化
 * @param <T>
 */
public class JsonDeserializer<T> implements Deserializer<T> {
    private Gson gson=  new Gson();

    private Class<T> deserializeClass;
    public JsonDeserializer(Class<T> deserializeClass){
        this.deserializeClass=deserializeClass;
    }

    public JsonDeserializer(){

    }

    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void configure(Map<String,?> map, boolean b){
        if (deserializeClass == null){
            deserializeClass = (Class<T>) map.get("serializedClass");
        }
    }

    @Override
    public T deserialize(String topic, byte[] data) {
        if (data == null){
            return null;
        }
        return gson.fromJson(new String(data),deserializeClass);
    }


    @Override
    public void close() {

    }
}

4.2、发送消息

java 复制代码 
/**
 * 生产消息到kafka
 */
@Slf4j
public class MyProducer {
    private static final String BOOTSTRAP_SERVERS = "localhost:9092";
    private final static String TOPIC_NAME = "production-topic";

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        Properties props = new Properties();
//        设置参数
        props.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,BOOTSTRAP_SERVERS);
//        设置序列化
        props.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        props.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());

//        连接客户端
        KafkaProducer<String, String> producer = new KafkaProducer<>(props);
        
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Purchase purchase = new Purchase();
            purchase.setId("12431234253");
            purchase.setDate(new Date().toString());
            purchase.setName("苹果");
            purchase.setPrice(100.0+i);
            String json = new JSONObject(purchase).toString();

            ProducerRecord<String, String> producerRecord = new ProducerRecord<>(TOPIC_NAME, 0,"my-keyValue3", json);

//        同步
            send(producer,producerRecord);
        }

    }

    /**
     * @param producer: 客户端对象
     * @return void
     * 同步发送
     * @date 2024/3/22 17:09
     */
    private static void send(KafkaProducer<String, String> producer,ProducerRecord<String, String> producerRecord) throws InterruptedException, ExecutionException {

//          等待发送成功的阻塞方法
        RecordMetadata metadata = producer.send(producerRecord).get();

        log.info("同步发送消息"+ "topic-"+metadata.topic()+"====partition："+metadata.partition()
                +"=====offset："+metadata.offset());
    }
    
}

4.3、通过KafkaStreams接收复杂对象，并且使用split

split使用介绍

  • BranchedKStream<K, V> split(final Named named)：split方法一个参数，该参数主要是用来定义分裂后的分支的一个统一前缀。会返回一个 BranchedKStream对象。

  • BranchedKStream：主要用来使用分裂校验的

    • branch(Predicate<? super K, ? super V> predicate, Branched<K, V> branched)：会接收两个参数，前面的是Predicate用做校验判断作为判断条件的，后面的是一个Branched对象，用作处理满足该分支条件拆分出来的消息进行处理
    • defaultBranch(Branched<K, V> branched)：作为结尾方法用作对不满足前面的全部branch条件的消息，进行一个最后处理
    • noDefaultBranch()：结尾方法，表示对接下来的消息不做处理

  • Predicate：判断验证条件，满足该条件的消息会被拆分出来到当前分支

  • Branched：对分裂到当前分支的消息进行处理

    • as(final String name) ：给该分支添加一个名字，不做处理。
    • withFunction()：对该分支的消息进行处理，然后会把处理后的消息返回到结果的map中去
    • withConsumer()：对该分支的消息进行处理，不会把消息返回回去
  • 具体代码

在测试使用前需要把几个topic先创建出来

java 复制代码 
@Slf4j
public class ZMartKafkaStreamsApp {

    private final static String APPLICATION_ID = "ZMart_app_id";
    private static final String BOOTSTRAP_SERVERS = "localhost:9092";
    private final static String TOPIC_NAME = "production-topic";

    private final static String APPLE_TOPIC_NAME = "apple-topic";

    private final static String WATERMELON_TOPIC_NAME = "watermelon-topic";
    private final static String OUT_TOPIC_NAME = "out-topic";

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        StreamsConfig streamsConfig = new StreamsConfig(getProperties());
        JsonSerializer<Purchase> serializer = new JsonSerializer<>();

        JsonDeserializer<Purchase> deserializer = new JsonDeserializer<>(Purchase.class);

        Serde<Purchase> propertiesSerde = Serdes.serdeFrom(serializer, deserializer);
        Serde<String> stringSerde = Serdes.String();

        StreamsBuilder builder = new StreamsBuilder();
        KStream<String, Purchase> inputStream = builder.stream(TOPIC_NAME, Consumed.with(stringSerde, propertiesSerde));



//        谓词条件 判断把流输送到哪个分支上
        Predicate<String, Purchase> isWatermelon = (key, value) -> {
            String name = value.getName();
            return name.equals("西瓜");
        };


//          split：分裂流
        Map<String, KStream<String, Purchase>> stringKStreamMap = inputStream
                .peek((k,v)-> log.info("[分裂消息===>] k:{},value:{}" ,k,v))
                .split(Named.as("split-"))//拼接的key前缀
                .branch(isWatermelon, Branched.withFunction(ks -> {  //对满足isWatermelon条件的分支的消息进行处理的处理器
//                    ks.print(Printed.<String, Purchase>toSysOut().withLabel("西瓜分支"));
                    return  ks.mapValues(v -> {
                        String modifiedNumber = v.getId().replaceAll("(?<=\\d)\\d(?=\\d)", "*");
                        v.setId( modifiedNumber);
                        return v;
                    });
                },"watermelon")) //这个地方需要指定name，用作为返回的map的key 如该分支存放到返回的map的key为：split-watermelon
                .branch((key, value) -> value.getName().equals("苹果"),
                        Branched.withConsumer( //不满足上面的条件的会继续向下匹配，满足条件直接发送
                            ks -> ks
                                .peek((k, v) -> log.info("[苹果分支] value:{}" ,v))
                                .to(APPLE_TOPIC_NAME, Produced.with(stringSerde, propertiesSerde)),"apple"))
                .defaultBranch(Branched.withConsumer( //把不满足前面所以branch条件的消息发送到默认主题
                        ks -> ks.to(OUT_TOPIC_NAME, Produced.with(stringSerde, propertiesSerde)),"defaultBranch"));



//   把上面的消息打印出来
        stringKStreamMap.forEach((s, kStream) ->
                kStream.print(Printed.<String, Purchase>toSysOut().withLabel(s)));


        KafkaStreams kafkaStreams = new KafkaStreams(builder.build(), streamsConfig);
//        jvm关闭时，把流也关闭
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
            kafkaStreams.close();
            latch.countDown();
            log.info("The Kafka Streams 执行关闭！");
        }));

        kafkaStreams.start();
        log.info("kafka streams 启动成功！>>>>");
        latch.await();


    }


    @NotNull
    private static Properties getProperties() {
        Properties properties = new Properties();
        properties.put(StreamsConfig.APPLICATION_ID_CONFIG, APPLICATION_ID);
        properties.put(StreamsConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,BOOTSTRAP_SERVERS);
        return properties;
    }
}
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