Kafka-处理消息丢失
Kafka存在丢消息的问题，消息丢失会发生在Broker，Producer和Consumer三种。
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1. Broker
Broker丢失消息是由于Kafka本身的原因造成的，kafka为了得到更高的性能和吞吐量，将数据异步批量的存储在磁盘中。消息的刷盘过程，为了提高性能，减少刷盘次数，kafka采用了批量刷盘的做法。即，按照一定的消息量，和时间间隔进行刷盘。这种机制也是由于linux操作系统决定的。将数据存储到linux操作系统种，会先存储到页缓存（Page cache）中，按照时间或者其他条件进行刷盘（从page cache到file），或者通过fsync命令强制刷盘。数据在page cache中时，如果系统挂掉，数据会丢失。
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上图简述了broker写数据以及同步的一个过程。broker写数据只写到PageCache中，而pageCache位于内存。这部分数据在断电后是会丢失的。pageCache的数据通过linux的flusher程序进行刷盘。刷盘触发条件有三：
- 主动调用sync或fsync函数
- 可用内存低于阀值
- dirty data时间达到阀值。dirty是pagecache的一个标识位，当有数据写入到pageCache时，pagecache被标注为dirty，数据刷盘以后，dirty标志清除。
Broker配置刷盘机制，是通过调用fsync函数接管了刷盘动作。从单个Broker来看，pageCache的数据会丢失。
Kafka没有提供同步刷盘的方式。同步刷盘在RocketMQ中有实现，实现原理是将异步刷盘的流程进行阻塞，等待响应，类似ajax的callback或者是java的future。下面是一段rocketmq的源码。
GroupCommitRequest request = new GroupCommitRequest(result.getWroteOffset() + result.getWroteBytes());
service.putRequest(request);
boolean flushOK = request.waitForFlush(this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getSyncFlushTimeout()); // 刷盘
也就是说，理论上，要完全让kafka保证单个broker不丢失消息是做不到的，只能通过调整刷盘机制的参数缓解该情况。比如，减少刷盘间隔，减少刷盘数据量大小。时间越短，性能越差，可靠性越好（尽可能可靠）。这是一个选择题。
为了解决该问题，kafka通过producer和broker协同处理单个broker丢失参数的情况。一旦producer发现broker消息丢失，即可自动进行retry。除非retry次数超过阀值（可配置），消息才会丢失。此时需要生产者客户端手动处理该情况。那么producer是如何检测到数据丢失的呢？是通过ack机制，类似于http的三次握手的方式。
- acks=0，producer不等待broker的响应，效率最高，但是消息很可能会丢。
- acks=1，leader broker收到消息后，不等待其他follower的响应，即返回ack。也可以理解为ack数为1。此时，如果follower还没有收到leader同步的消息leader就挂了，那么消息会丢失。按照上图中的例子，如果leader收到消息，成功写入PageCache后，会返回ack，此时producer认为消息发送成功。但此时，按照上图，数据还没有被同步到follower。如果此时leader断电，数据会丢失。
- acks=-1，leader broker收到消息后，挂起，等待所有ISR列表中的follower返回结果后，再返回ack。-1等效与all。这种配置下，只有leader写入数据到pagecache是不会返回ack的，还需要所有的ISR返回“成功”才会触发ack。如果此时断电，producer可以知道消息没有被发送成功，将会重新发送。如果在follower收到数据以后，成功返回ack，leader断电，数据将存在于原来的follower中。在重新选举以后，新的leader会持有该部分数据。数据从leader同步到follower，需要2步：
- 数据从pageCache被刷盘到disk。因为只有disk中的数据才能被同步到replica。
- 数据同步到replica，并且replica成功将数据写入PageCache。在producer得到ack后，哪怕是所有机器都停电，数据也至少会存在于leader的磁盘内。
上面第三点提到了ISR的列表的follower，需要配合另一个参数才能更好的保证ack的有效性。ISR是Broker维护的一个“可靠的follower列表”，in-sync Replica列表，broker的配置包含一个参数：min.insync.replicas。该参数表示ISR中最少的副本数。如果不设置该值，ISR中的follower列表可能为空。此时相当于acks=1。
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如上图中，性能依次递减，可靠性依次升高：
- acks=0，总耗时f(t) = f(1)。
- acks=1，总耗时f(t) = f(1) + f(2)。
- acks=-1，总耗时f(t) = f(1) + max( f(A) , f(B) ) + f(2)。
2. Producer
Producer丢失消息，发生在生产者客户端。
为了提升效率，减少IO，producer在发送数据时可以将多个请求进行合并后发送。被合并的请求咋发送一线缓存在本地buffer中。缓存的方式和前文提到的刷盘类似，producer可以将请求打包成“块”或者按照时间间隔，将buffer中的数据发出。通过buffer我们可以将生产者改造为异步的方式，而这可以提升我们的发送效率。
但是，buffer中的数据就是危险的。在正常情况下，客户端的异步调用可以通过callback来处理消息发送失败或者超时的情况，但是，一旦producer被非法的停止了，那么buffer中的数据将丢失，broker将无法收到该部分数据。又或者，当Producer客户端内存不够时，如果采取的策略是丢弃消息（另一种策略是block阻塞），消息也会被丢失。抑或，消息产生（异步产生）过快，导致挂起线程过多，内存不足，导致程序崩溃，消息丢失。
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根据上图，可以想到几个解决的思路：
- 异步发送消息改为同步发送消。或者service产生消息时，使用阻塞的线程池，并且线程数有一定上限。整体思路是控制消息产生速度。
- 扩大Buffer的容量配置。这种方式可以缓解该情况的出现，但不能杜绝。
- service不直接将消息发送到buffer（内存），而是将消息写到本地的磁盘中（数据库或者文件），由另一个（或少量）生产线程进行消息发送。相当于是在buffer和service之间又加了一层空间更加富裕的缓冲层。
3. Consumer
Consumer消费消息有下面几个步骤：
- 接收消息
- 处理消息
- 反馈“处理完毕”（commited）
Consumer的消费方式主要分为两种：
- 自动提交offset，Automatic Offset Committing
- 手动提交offset，Manual Offset Control
Consumer自动提交的机制是根据一定的时间间隔，将收到的消息进行commit。commit过程和消费消息的过程是异步的。也就是说，可能存在消费过程未成功（比如抛出异常），commit消息已经提交了。此时消息就丢失了。
将提交类型改为手动以后，可以保证消息“至少被消费一次”(at least once)。但此时可能出现重复消费的情况，重复消费不属于本篇讨论范围。
