Kafka史上最详细原理总结下
Kafka史上最详细原理总结分为上下两部分，承上启下
Kafka史上最详细原理总结上
Kafka史上最详细原理总结下
本篇为Kafka史上最详细原理总结下，承接Kafka史上最详细原理总结上
3.Partition Replication原则
Kafka高效文件存储设计特点
- Kafka把topic中一个parition大文件分成多个小文件段，通过多个小文件段，就容易定期清除或删除已经消费完文件，减少磁盘占用。
- 通过索引信息可以快速定位message和确定response的最大大小。
- 通过index元数据全部映射到memory，可以避免segment file的IO磁盘操作。
- 通过索引文件稀疏存储，可以大幅降低index文件元数据占用空间大小。
1. Kafka集群partition replication默认自动分配分析
下面以一个Kafka集群中4个Broker举例，创建1个topic包含4个Partition，2 Replication；数据Producer流动如图所示：
(1)
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(2)当集群中新增2节点，Partition增加到6个时分布情况如下：
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副本分配逻辑规则如下：
- 在Kafka集群中，每个Broker都有均等分配Partition的Leader机会。
- 上述图Broker Partition中，箭头指向为副本，以Partition-0为例:broker1中parition-0为Leader，Broker2中Partition-0为副本。
- 上述图种每个Broker(按照BrokerId有序)依次分配主Partition,下一个Broker为副本，如此循环迭代分配，多副本都遵循此规则。
副本分配算法如下：
- 将所有N Broker和待分配的i个Partition排序.
- 将第i个Partition分配到第(i mod n)个Broker上.
- 将第i个Partition的第j个副本分配到第((i + j) mod n)个Broker上.
4.Kafka Broker一些特性
4.1 无状态的Kafka Broker :
1. Broker没有副本机制，一旦broker宕机，该broker的消息将都不可用。
2. Broker不保存订阅者的状态，由订阅者自己保存。
3. 无状态导致消息的删除成为难题（可能删除的消息正在被订阅），kafka采用基于时间的SLA(服务水平保证)，消息保存一定时间（通常为7天）后会被删除。
4. 消息订阅者可以rewind back到任意位置重新进行消费，当订阅者故障时，可以选择最小的offset进行重新读取消费消息。
4.2 message的交付与生命周期 ：
1. 不是严格的JMS， 因此kafka对消息的重复、丢失、错误以及顺序型没有严格的要求。（这是与AMQ最大的区别）
2. kafka提供at-least-once delivery,即当consumer宕机后，有些消息可能会被重复delivery。
3. 因每个partition只会被consumer group内的一个consumer消费，故kafka保证每个partition内的消息会被顺序的订阅。
4. Kafka为每条消息为每条消息计算CRC校验，用于错误检测，crc校验不通过的消息会直接被丢弃掉。
4.3 压缩
Kafka支持以集合（batch）为单位发送消息，在此基础上，Kafka还支持对消息集合进行压缩，Producer端可以通过GZIP或Snappy格式对消息集合进行压缩。Producer端进行压缩之后，在Consumer端需进行解压。压缩的好处就是减少传输的数据量，减轻对网络传输的压力，在对大数据处理上，瓶颈往往体现在网络上而不是CPU。
那么如何区分消息是压缩的还是未压缩的呢，Kafka在消息头部添加了一个描述压缩属性字节，这个字节的后两位表示消息的压缩采用的编码，如果后两位为0，则表示消息未被压缩。
4.4 消息可靠性
在消息系统中，保证消息在生产和消费过程中的可靠性是十分重要的，在实际消息传递过程中，可能会出现如下三中情况：
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一个消息发送失败
-
一个消息被发送多次
-
最理想的情况：exactly-once ,一个消息发送成功且仅发送了一次
有许多系统声称它们实现了exactly-once，但是它们其实忽略了生产者或消费者在生产和消费过程中有可能失败的情况。比如虽然一个Producer成功发送一个消息，但是消息在发送途中丢失，或者成功发送到broker，也被consumer成功取走，但是这个consumer在处理取过来的消息时失败了。
从Producer端看：Kafka是这么处理的，当一个消息被发送后，Producer会等待broker成功接收到消息的反馈（可通过参数控制等待时间），如果消息在途中丢失或是其中一个broker挂掉，Producer会重新发送（我们知道Kafka有备份机制，可以通过参数控制是否等待所有备份节点都收到消息）。
从Consumer端看：前面讲到过partition，broker端记录了partition中的一个offset值，这个值指向Consumer下一个即将消费message。当Consumer收到了消息，但却在处理过程中挂掉，此时Consumer可以通过这个offset值重新找到上一个消息再进行处理。Consumer还有权限控制这个offset值，对持久化到broker端的消息做任意处理。
4.5 备份机制
备份机制是Kafka0.8版本的新特性，备份机制的出现大大提高了Kafka集群的可靠性、稳定性。有了备份机制后，Kafka允许集群中的节点挂掉后而不影响整个集群工作。一个备份数量为n的集群允许n-1个节点失败。在所有备份节点中，有一个节点作为lead节点，这个节点保存了其它备份节点列表，并维持各个备份间的状体同步。下面这幅图解释了Kafka的备份机制:
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4.6 Kafka高效性相关设计
4.6.1 消息的持久化
Kafka高度依赖文件系统来存储和缓存消息(AMQ的nessage是持久化到mysql数据库中的)，因为一般的人认为磁盘是缓慢的，这导致人们对持久化结构具有竞争性持怀疑态度。其实，磁盘的快或者慢，这决定于我们如何使用磁盘。因为磁盘线性写的速度远远大于随机写。线性读写在大多数应用场景下是可以预测的。
4.6.2 常数时间性能保证
每个Topic的Partition的是一个大文件夹，里面有无数个小文件夹segment，但partition是一个队列，队列中的元素是segment,消费的时候先从第0个segment开始消费，新来message存在最后一个消息队列中。对于segment也是对队列，队列元素是message,有对应的offsite标识是哪个message。消费的时候先从这个segment的第一个message开始消费，新来的message存在segment的最后。
消息系统的持久化队列可以构建在对一个文件的读和追加上，就像一般情况下的日志解决方案。它有一个优点，所有的操作都是常数时间，并且读写之间不会相互阻塞。这种设计具有极大的性能优势：最终系统性能和数据大小完全无关，服务器可以充分利用廉价的硬盘来提供高效的消息服务。
事实上还有一点，磁盘空间的无限增大而不影响性能这点，意味着我们可以提供一般消息系统无法提供的特性。比如说，消息被消费后不是立马被删除，我们可以将这些消息保留一段相对比较长的时间（比如一个星期）。
5.Kafka 生产者-消费者
消息系统通常都会由生产者，消费者，Broker三大部分组成，生产者会将消息写入到Broker，消费者会从Broker中读取出消息，不同的MQ实现的Broker实现会有所不同，不过Broker的本质都是要负责将消息落地到服务端的存储系统中。具体步骤如下：
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生产者客户端应用程序产生消息：
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客户端连接对象将消息包装到请求中发送到服务端
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服务端的入口也有一个连接对象负责接收请求，并将消息以文件的形式存储起来
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服务端返回响应结果给生产者客户端
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消费者客户端应用程序消费消息：
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客户端连接对象将消费信息也包装到请求中发送给服务端
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服务端从文件存储系统中取出消息
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服务端返回响应结果给消费者客户端
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客户端将响应结果还原成消息并开始处理消息
图4-1 客户端和服务端交互
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5.1 Producers
Producers直接发送消息到broker上的leader partition，不需要经过任何中介或其他路由转发。为了实现这个特性，kafka集群中的每个broker都可以响应producer的请求，并返回topic的一些元信息，这些元信息包括哪些机器是存活的，topic的leader partition都在哪，现阶段哪些leader partition是可以直接被访问的。
Producer客户端自己控制着消息被推送到哪些partition。实现的方式可以是随机分配、实现一类随机负载均衡算法，或者指定一些分区算法。Kafka提供了接口供用户实现自定义的partition，用户可以为每个消息指定一个partitionKey，通过这个key来实现一些hash分区算法。比如，把userid作为partitionkey的话，相同userid的消息将会被推送到同一个partition。
以Batch的方式推送数据可以极大的提高处理效率，kafka Producer 可以将消息在内存中累计到一定数量后作为一个batch发送请求。Batch的数量大小可以通过Producer的参数控制，参数值可以设置为累计的消息的数量（如500条）、累计的时间间隔（如100ms）或者累计的数据大小(64KB)。通过增加batch的大小，可以减少网络请求和磁盘IO的次数，当然具体参数设置需要在效率和时效性方面做一个权衡。
Producers可以异步的并行的向kafka发送消息，但是通常producer在发送完消息之后会得到一个future响应，返回的是offset值或者发送过程中遇到的错误。这其中有个非常重要的参数“acks”,这个参数决定了producer要求leader partition 收到确认的副本个数，如果acks设置数量为0，表示producer不会等待broker的响应，所以，producer无法知道消息是否发送成功，这样有可能会导致数据丢失，但同时，acks值为0会得到最大的系统吞吐量。
若acks设置为1，表示producer会在leader partition收到消息时得到broker的一个确认，这样会有更好的可靠性，因为客户端会等待直到broker确认收到消息。若设置为-1，producer会在所有备份的partition收到消息时得到broker的确认，这个设置可以得到最高的可靠性保证。
Kafka 消息有一个定长的header和变长的字节数组组成。因为kafka消息支持字节数组，也就使得kafka可以支持任何用户自定义的序列号格式或者其它已有的格式如Apache Avro、protobuf等。Kafka没有限定单个消息的大小，但我们推荐消息大小不要超过1MB,通常一般消息大小都在1~10kB之前。
发布消息时，kafka client先构造一条消息，将消息加入到消息集set中（kafka支持批量发布，可以往消息集合中添加多条消息，一次行发布），send消息时，producer client需指定消息所属的topic。
5.2 Consumers
Kafka提供了两套consumer api，分为high-level api和sample-api。Sample-api 是一个底层的API，它维持了一个和单一broker的连接，并且这个API是完全无状态的，每次请求都需要指定offset值，因此，这套API也是最灵活的。
在kafka中，当前读到哪条消息的offset值是由consumer来维护的，因此，consumer可以自己决定如何读取kafka中的数据。比如，consumer可以通过重设offset值来重新消费已消费过的数据。不管有没有被消费，kafka会保存数据一段时间，这个时间周期是可配置的，只有到了过期时间，kafka才会删除这些数据。（这一点与AMQ不一样，AMQ的message一般来说都是持久化到mysql中的，消费完的message会被delete掉）
High-level API封装了对集群中一系列broker的访问，可以透明的消费一个topic。它自己维持了已消费消息的状态，即每次消费的都是下一个消息。
High-level API还支持以组的形式消费topic，如果consumers有同一个组名，那么kafka就相当于一个队列消息服务，而各个consumer均衡的消费相应partition中的数据。若consumers有不同的组名，那么此时kafka就相当与一个广播服务，会把topic中的所有消息广播到每个consumer。
High level api和Low level api是针对consumer而言的，和producer无关。
High level api是consumer读的partition的offsite是存在zookeeper上。High level api 会启动另外一个线程去每隔一段时间，offsite自动同步到zookeeper上。换句话说，如果使用了High level api， 每个message只能被读一次，一旦读了这条message之后，无论我consumer的处理是否ok。High level api的另外一个线程会自动的把offiste+1同步到zookeeper上。如果consumer读取数据出了问题，offsite也会在zookeeper上同步。因此，如果consumer处理失败了，会继续执行下一条。这往往是不对的行为。因此，Best Practice是一旦consumer处理失败，直接让整个conusmer group抛Exception终止，但是最后读的这一条数据是丢失了，因为在zookeeper里面的offsite已经+1了。等再次启动conusmer group的时候，已经从下一条开始读取处理了。
Low level api是consumer读的partition的offsite在consumer自己的程序中维护。不会同步到zookeeper上。但是为了kafka manager能够方便的监控，一般也会手动的同步到zookeeper上。这样的好处是一旦读取某个message的consumer失败了，这条message的offsite我们自己维护，我们不会+1。下次再启动的时候，还会从这个offsite开始读。这样可以做到exactly once对于数据的准确性有保证。
对于Consumer group：
1. 允许consumer group（包含多个consumer，如一个集群同时消费）对一个topic进行消费，不同的consumer group之间独立消费。
2. 为了对减小一个consumer group中不同consumer之间的分布式协调开销，指定partition为最小的并行消费单位，即一个group内的consumer只能消费不同的partition。
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Consumer与Partition的关系：
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如果consumer比partition多，是浪费，因为kafka的设计是在一个partition上是不允许并发的，所以consumer数不要大于partition数
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如果consumer比partition少，一个consumer会对应于多个partitions，这里主要合理分配consumer数和partition数，否则会导致partition里面的数据被取的不均匀
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如果consumer从多个partition读到数据，不保证数据间的顺序性，kafka只保证在一个partition上数据是有序的，但多个partition，根据你读的顺序会有不同
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增减consumer，broker，partition会导致rebalance，所以rebalance后consumer对应的partition会发生变化
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High-level接口中获取不到数据的时候是会block的
负载低的情况下可以每个线程消费多个partition。但负载高的情况下，Consumer 线程数最好和Partition数量保持一致。如果还是消费不过来，应该再开 Consumer 进程，进程内线程数同样和分区数一致。
消费消息时，kafka client需指定topic以及partition number（每个partition对应一个逻辑日志流，如topic代表某个产品线，partition代表产品线的日志按天切分的结果），consumer client订阅后，就可迭代读取消息，如果没有消息，consumer client会阻塞直到有新的消息发布。consumer可以累积确认接收到的消息，当其确认了某个offset的消息，意味着之前的消息也都已成功接收到，此时broker会更新zookeeper上地offset registry。
5.3 高效的数据传输
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发布者每次可发布多条消息（将消息加到一个消息集合中发布）， consumer每次迭代消费一条消息。
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不创建单独的cache，使用系统的page cache。发布者顺序发布，订阅者通常比发布者滞后一点点，直接使用Linux的page cache效果也比较后，同时减少了cache管理及垃圾收集的开销。
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使用sendfile优化网络传输，减少一次内存拷贝。
6.Kafka 与 Zookeeper
6.1 Zookeeper 协调控制
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管理broker与consumer的动态加入与离开。(Producer不需要管理，随便一台计算机都可以作为Producer向Kakfa Broker发消息)
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触发负载均衡，当broker或consumer加入或离开时会触发负载均衡算法，使得一
个consumer group内的多个consumer的消费负载平衡。（因为一个comsumer消费一个或多个partition，一个partition只能被一个consumer消费）
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维护消费关系及每个partition的消费信息。
6.2 Zookeeper上的细节：
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每个broker启动后会在zookeeper上注册一个临时的broker registry，包含broker的ip地址和端口号，所存储的topics和partitions信息。
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每个consumer启动后会在zookeeper上注册一个临时的consumer registry：包含consumer所属的consumer group以及订阅的topics。
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每个consumer group关联一个临时的owner registry和一个持久的offset registry。对于被订阅的每个partition包含一个owner registry，内容为订阅这个partition的consumer id；同时包含一个offset registry，内容为上一次订阅的offset。
