Kafka史上最详细原理

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Kafka
Kafka是最初由Linkedin公司开发，是一个分布式、支持分区的（partition）、多副本的（replica），基于zookeeper协调的分布式消息系统，它的最大的特性就是可以实时的处理大量数据以满足各种需求场景：比如基于hadoop的批处理系统、低延迟的实时系统、storm/Spark流式处理引擎，web/nginx日志、访问日志，消息服务等等，用scala语言编写，Linkedin于2010年贡献给了Apache基金会并成为顶级开源 项目。

1.前言
消息队列的性能好坏，其文件存储机制设计是衡量一个消息队列服务技术水平和最关键指标之一。下面将从Kafka文件存储机制和物理结构角度，分析Kafka是如何实现高效文件存储，及实际应用效果。

1.1 Kafka的特性:
- 高吞吐量、低延迟：kafka每秒可以处理几十万条消息，它的延迟最低只有几毫秒，每个topic可以分多个partition, consumer group 对partition进行consume操作。
- 可扩展性：kafka集群支持热扩展
- 持久性、可靠性：消息被持久化到本地磁盘，并且支持数据备份防止数据丢失
- 容错性：允许集群中节点失败（若副本数量为n,则允许n-1个节点失败）
- 高并发：支持数千个客户端同时读写

1.2 Kafka的使用场景：
  • 日志收集：一个公司可以用Kafka可以收集各种服务的log，通过kafka以统一接口服务的方式开放给各种consumer，例如hadoop、Hbase、Solr等。
  • 消息系统：解耦和生产者和消费者、缓存消息等。
  • 用户活动跟踪：Kafka经常被用来记录web用户或者app用户的各种活动，如浏览网页、搜索、点击等活动，这些活动信息被各个服务器发布到kafka的topic中，然后订阅者通过订阅这些topic来做实时的监控分析，或者装载到hadoop、数据仓库中做离线分析和挖掘。
  • 运营指标：Kafka也经常用来记录运营监控数据。包括收集各种分布式应用的数据，生产各种操作的集中反馈，比如报警和报告。
  • 流式处理：比如spark streaming和storm
  • 事件源
1.3 Kafka 部分名词解释如下：

Kafka中发布订阅的对象是topic。我们可以为每类数据创建一个topic，把向topic发布消息的客户端称作producer，从topic订阅消息的客户端称作consumer。Producers和consumers可以同时从多个topic读写数据。一个kafka集群由一个或多个broker服务器组成，它负责持久化和备份具体的kafka消息。
  • Broker：Kafka节点，一个Kafka节点就是一个broker，多个broker可以组成一个Kafka集群。
  • Topic：一类消息，消息存放的目录即主题，例如page view日志、click日志等都可以以topic的形式存在，Kafka集群能够同时负责多个topic的分发。
  • Partition：topic物理上的分组，一个topic可以分为多个partition，每个partition是一个有序的队列
  • Segment：partition物理上由多个segment组成，每个Segment存着message信息
  • Producer : 生产message发送到topic
  • Consumer : 订阅topic消费message, consumer作为一个线程来消费
  • Consumer Group：一个Consumer Group包含多个consumer, 这个是预先在配置文件中配置好的。各个consumer（consumer 线程）可以组成一个组（Consumer group ），partition中的每个message只能被组（Consumer group ） 中的一个consumer（consumer 线程 ）消费，如果一个message可以被多个consumer（consumer 线程 ） 消费的话，那么这些consumer必须在不同的组。它不能像AMQ那样可以多个BET作为consumer去处理message，这是因为多个BET去消费一个Queue中的数据的时候，由于要保证不能多个线程拿同一条message，所以就需要行级别悲观锁（for update）,这就导致了consume的性能下降，吞吐量不够。而kafka为了保证吞吐量，只允许一个consumer线程去访问一个partition。如果觉得效率不高的时候，可以加partition的数量来横向扩展，那么再加新的consumer thread去消费。这样没有锁竞争，充分发挥了横向的扩展性，吞吐量极高。这也就形成了分布式消费的概念。

1.4 Kakfa的设计思想

Kakfa Broker Leader的选举：

Kakfa Broker集群受Zookeeper管理。所有的Kafka Broker节点一起去Zookeeper上注册一个临时节点，因为只有一个Kafka Broker会注册成功，其他的都会失败，所以这个成功在Zookeeper上注册临时节点的这个Kafka Broker会成为Kafka Broker Controller，其他的Kafka broker叫Kafka Broker follower。（这个过程叫Controller在ZooKeeper注册Watch）。

例如：一旦有一个broker宕机了，这个kafka broker controller会读取该宕机broker上所有的partition在zookeeper上的状态，并选取ISR列表中的一个replica作为partition leader（如果该partition的所有的replica都宕机了，则将新的leader设置为-1，等待恢复，等待ISR中的任一个Replica“活”过来，并且选它作为Leader；或选择第一个“活”过来的Replica（不一定是ISR中的）作为Leader），这个broker宕机的事情，kafka controller也会通知zookeeper，zookeeper就会通知其他的kafka broker。

这里曾经发生过一个bug，TalkingData使用Kafka0.8.1的时候，kafka controller在Zookeeper上注册成功后，它和Zookeeper通信的timeout时间是6s，也就是如果kafka controller如果有6s中没有和Zookeeper做心跳，那么Zookeeper就认为这个kafka controller已经死了，就会在Zookeeper上把这个临时节点删掉，那么其他Kafka就会认为controller已经没了，就会再次抢着注册临时节点，注册成功的那个kafka broker成为controller，然后，之前的那个kafka controller就需要各种shut down去关闭各种节点和事件的监听。但是当kafka的读写流量都非常巨大的时候，TalkingData的一个bug是，由于网络等原因，kafka controller和Zookeeper有6s中没有通信，于是重新选举出了一个新的kafka controller，但是原来的controller在shut down的时候总是不成功，这个时候producer进来的message由于Kafka集群中存在两个kafka controller而无法落地。导致数据淤积。

这里曾经还有一个bug，TalkingData使用Kafka0.8.1的时候，当ack=0的时候，表示producer发送出去message，只要对应的kafka broker topic partition leader接收到的这条message，producer就返回成功，不管partition leader 是否真的成功把message真正存到kafka。当ack=1的时候，表示producer发送出去message，同步的把message存到对应topic的partition的leader上，然后producer就返回成功，partition leader异步的把message同步到其他partition replica上。当ack=all或-1，表示producer发送出去message，同步的把message存到对应topic的partition的leader和对应的replica上之后，才返回成功。但是如果某个kafka controller 切换的时候，会导致partition leader的切换（老的 kafka controller上面的partition leader会选举到其他的kafka broker上）,但是这样就会导致丢数据。

当启动一个consumer group去消费一个topic的时候，无论topic里面有多个少个partition，无论我们consumer group里面配置了多少个consumer thread，这个consumer group下面的所有consumer thread一定会消费全部的partition；即便这个consumer group下只有一个consumer thread，那么这个consumer thread也会去消费所有的partition。因此，最优的设计就是，consumer group下的consumer thread的数量等于partition数量，这样效率是最高的。

一个consumer group下，无论有多少个consumer，这个consumer group一定回去把这个topic下所有的partition都消费了。当consumer group里面的consumer数量小于这个topic下的partition数量的时候，如下图groupA,groupB，就会出现一个conusmer thread消费多个partition的情况，总之是这个topic下的partition都会被消费。如果consumer group里面的consumer数量等于这个topic下的partition数量的时候，如下图groupC，此时效率是最高的，每个partition都有一个consumer thread去消费。当consumer group里面的consumer数量大于这个topic下的partition数量的时候，如下图GroupD，就会有一个consumer thread空闲。因此，我们在设定consumer group的时候，只需要指明里面有几个consumer数量即可，无需指定对应的消费partition序号，consumer会自动进行rebalance。

多个Consumer Group下的consumer可以消费同一条message，但是这种消费也是以o（1）的方式顺序的读取message去消费,，所以一定会重复消费这批message的

Consumer Rebalance的触发条件：

  • Consumer增加或删除会触发 Consumer Group的Rebalance
  • Broker的增加或者减少都会触发 Consumer Rebalance

如果producer的流量增大，当前的topic的parition数量=consumer数量，这时候的应对方式就是横向扩展：增加topic下的partition，同时增加这个consumer group下的consumer。


Delivery Mode : 

Kafka producer 发送message不用维护message的offset信息，因为这个时候，offset就相当于一个自增id，producer就尽管发送message就好了。而且Kafka与AMQ不同，AMQ大都用在处理业务逻辑上，而Kafka大都是日志，所以Kafka的producer一般都是大批量的batch发送message，向这个topic一次性发送一大批message，load balance到一个partition上，一起插进去，offset作为自增id自己增加就好。但是Consumer端是需要维护这个partition当前消费到哪个message的offset信息的，这个offset信息，high level api是维护在Zookeeper上，low level api是自己的程序维护。（Kafka管理界面上只能显示high level api的consumer部分，因为low level api的partition offset信息是程序自己维护，kafka是不知道的，无法在管理界面上展示 ）当使用high level api的时候，先拿message处理，再定时自动commit offset+1（也可以改成手动）, 并且kakfa处理message是没有锁操作的。因此如果处理message失败，此时还没有commit offset+1，当consumer thread重启后会重复消费这个message。但是作为高吞吐量高并发的实时处理系统，at least once的情况下，至少一次会被处理到，是可以容忍的。如果无法容忍，就得使用low level api来自己程序维护这个offset信息，那么想什么时候commit offset+1就自己搞定了。


Topic & Partition：

Topic相当于传统消息系统MQ中的一个队列queue，producer端发送的message必须指定是发送到哪个topic，但是不需要指定topic下的哪个partition，因为kafka会把收到的message进行load balance，均匀的分布在这个topic下的不同的partition上（ hash(message) % [broker数量] ）。物理上存储上，这个topic会分成一个或多个partition，每个partiton相当于是一个子queue。在物理结构上，每个partition对应一个物理的目录（文件夹），文件夹命名是[topicname]_[partition]_[序号]，一个topic可以有无数多的partition，根据业务需求和数据量来设置。在kafka配置文件中可随时更高num.partitions参数来配置更改topic的partition数量，在创建Topic时通过参数指定parittion数量。Topic创建之后通过Kafka提供的工具也可以修改partiton数量。

一般来说，（1）一个Topic的Partition数量大于等于Broker的数量，可以提高吞吐率。（2）同一个Partition的Replica尽量分散到不同的机器，高可用。

当add a new partition的时候，partition里面的message不会重新进行分配，原来的partition里面的message数据不会变，新加的这个partition刚开始是空的，随后进入这个topic的message就会重新参与所有partition的load balance

Partition Replica：每个partition可以在其他的kafka broker节点上存副本，以便某个kafka broker节点宕机不会影响这个kafka集群。存replica副本的方式是按照kafka broker的顺序存。例如有5个kafka broker节点，某个topic有3个partition，每个partition存2个副本，那么partition1存broker1,broker2，partition2存broker2,broker3。。。以此类推（replica副本数目不能大于kafka broker节点的数目，否则报错。这里的replica数其实就是partition的副本总数，其中包括一个leader，其他的就是copy副本）。这样如果某个broker宕机，其实整个kafka内数据依然是完整的。但是，replica副本数越高，系统虽然越稳定，但是会带来资源和性能上的下降；replica副本少的话，也会造成系统丢数据的风险.

（1）怎样传送消息：producer先把message发送到partition leader，再由leader发送给其他partition   follower。（如果让producer发送给每个replica那就太慢了）

（2）在向Producer发送ACK前需要保证有多少个Replica已经收到该消息：根据ack配的个数而定

（3）怎样处理某个Replica不工作的情况：如果这个不工作的partition replica不在ISR列表中，就是producer在发送消息到partition leader上，partition leader向partition follower发送message没有响应而已，这个不会影响整个系统，也不会有什么问题。如果这个不工作的partition replica在ISR列表中的话，producer发送的message的时候会等待这个不工作的partition replca写message成功，但是会等到time out，然后返回失败因为某个ISR列表中的partition replica没有响应，此时kafka会自动的把这个不工作的partition replica从ISR列表中移除，以后的producer发送message的时候就不会有这个ISR列表下的这个不工作的partition replica了。 

（4）怎样处理Failed Replica恢复回来的情况：如果这个partition replica之前不在ISR列表中，那么启动后重新受Zookeeper管理即可，之后producer发送message的时候，partition leader会继续发送message到这个partition follower上。如果这个partition replica之前在ISR列表中，此时重启后，需要把这个partition replica再手动加到ISR列表中。（ack列表是手动添加的，出现某个部工作的partition replica的时候自动从ISR列表中移除的）

Partition leader与follower：

partition也有leader和follower之分。leader是主partition，producer写kafka的时候先写partition leader，再由partition leader push给其他的partition follower。partition leader与follower的信息受Zookeeper控制，一旦partition leader所在的broker节点宕机，zookeeper会从其他的broker的partition follower上选择follower变为parition leader。

Topic分配partition和partition replica的算法：

（1）将Broker（size=n）和待分配的Partition排序。

（2）将第i个Partition分配到第（i%n）个Broker上。

（3）将第i个Partition的第j个Replica分配到第（(i + j) % n）个Broker上


- 消息投递可靠性
一个消息如何算投递成功，Kafka提供了三种模式：
  • 第一种是啥都不管，发送出去就当作成功，这种情况当然不能保证消息成功投递到broker；
  • 第二种是Master-Slave模型，只有当Master和所有Slave都接收到消息时，才算投递成功，这种模型提供了最高的投递可靠性，但是损伤了性能；
  • 第三种模型，即只要Master确认收到消息就算投递成功；实际使用时，根据应用特性选择，绝大多数情况下都会中和可靠性和性能选择第三种模型
消息在broker上的可靠性，因为消息会持久化到磁盘上，所以如果正常stop一个broker，其上的数据不会丢失；但是如果不正常stop，可能会使存在页面缓存来不及写入磁盘的消息丢失，这可以通过配置flush页面缓存的周期、阈值缓解，但是同样会频繁的写磁盘会影响性能，又是一个选择题，根据实际情况配置。

消息消费的可靠性，Kafka提供的是“At least once”模型，因为消息的读取进度由offset提供，offset可以由消费者自己维护也可以维护在zookeeper里，但是当消息消费后consumer挂掉，offset没有即时写回，就有可能发生重复读的情况，这种情况同样可以通过调整commit offset周期、阈值缓解，甚至消费者自己把消费和commit offset做成一个事务解决，但是如果你的应用不在乎重复消费，那就干脆不要解决，以换取最大的性能。


Partition ack：

这个ack配置的是返回成功的服务器个数

当ack=1，表示producer写partition leader成功后，broker就返回成功，无论其他的partition follower是否写成功。这是默认配置

当ack=2，表示producer写partition leader和其他一个follower成功的时候，broker就返回成功，无论其他的partition follower是否写成功。

当ack=all /-1 的时候，表示只有producer全部写成功的时候，才算成功，kafka broker才返回成功信息。这里需要注意的是，如果ack=1的时候，一旦有个broker宕机导致partition的follower和leader切换，会导致丢数据。



message状态：

在Kafka中，消息的状态被保存在consumer中，broker不会关心哪个消息被消费了被谁消费了，只记录一个offset值（指向partition中下一个要被消费的消息位置），这就意味着如果consumer处理不好的话，broker上的一个消息可能会被消费多次。

message持久化：

Kafka中会把消息持久化到本地文件系统中，并且保持o(1)极高的效率。我们众所周知IO读取是非常耗资源的性能也是最慢的，这就是为了数据库的瓶颈经常在IO上，需要换SSD硬盘的原因。但是Kafka作为吞吐量极高的MQ，却可以非常高效的message持久化到文件。这是因为Kafka是顺序写入o（1）的时间复杂度，速度非常快。也是高吞吐量的原因。由于message的写入持久化是顺序写入的，因此message在被消费的时候也是按顺序被消费的，保证partition的message是顺序消费的。一般的机器,单机每秒100k条数据。

message有效期：

Kafka会长久保留其中的消息，以便consumer可以多次消费，当然其中很多细节是可配置的。

Produer : 

Producer向Topic发送message，不需要指定partition，直接发送就好了。kafka通过partition ack来控制是否发送成功并把信息返回给producer，producer可以有任意多的thread，这些kafka服务器端是不care的。Producer端的delivery guarantee默认是At least once的。也可以设置Producer异步发送实现At most once。Producer可以用主键幂等性实现Exactly once

Kafka高吞吐量： 

Kafka的高吞吐量体现在读写上，分布式并发的读和写都非常快，写的性能体现在以o(1)的时间复杂度进行顺序写入。读的性能体现在以o(1)的时间复杂度进行顺序读取， 对topic进行partition分区，consume group中的consume线程可以以很高能性能进行顺序读。

批量发送：

Kafka支持以消息集合为单位进行批量发送，以提高push效率。

push-and-pull : 

Kafka中的Producer和consumer采用的是push-and-pull模式，即Producer只管向broker push消息，consumer只管从broker pull消息，两者对消息的生产和消费是异步的。

Kafka集群中broker之间的关系：

不是主从关系，各个broker在集群中地位一样，我们可以随意的增加或删除任何一个broker节点。

负载均衡方面： 

Kafka提供了一个 metadata API来管理broker之间的负载（对Kafka0.8.x而言，对于0.7.x主要靠zookeeper来实现负载均衡）。

同步异步：

Producer采用异步push方式，极大提高Kafka系统的吞吐率（可以通过参数控制是采用同步还是异步方式）。

离线数据装载：

Kafka由于对可拓展的数据持久化的支持，它也非常适合向Hadoop或者数据仓库中进行数据装载。

实时数据与离线数据：

kafka既支持离线数据也支持实时数据，因为kafka的message持久化到文件，并可以设置有效期，因此可以把kafka作为一个高效的存储来使用，可以作为离线数据供后面的分析。当然作为分布式实时消息系统，大多数情况下还是用于实时的数据处理的，但是当cosumer消费能力下降的时候可以通过message的持久化在淤积数据在kafka。

插件支持：

现在不少活跃的社区已经开发出不少插件来拓展Kafka的功能，如用来配合Storm、Hadoop、flume相关的插件。

解耦:  相当于一个MQ，使得Producer和Consumer之间异步的操作，系统之间
冗余:  replica有多个副本，保证一个broker node宕机后不会影响整个服务
扩展性:  broker节点可以水平扩展，partition也可以水平增加，partition replica也可以水平增加
峰值:  在访问量剧增的情况下，kafka水平扩展, 应用仍然需要继续发挥作用

可恢复性: 系统的一部分组件失效时，由于有partition的replica副本，不会影响到整个系统。

顺序保证性：由于kafka的producer的写message与consumer去读message都是顺序的读写，保证了高效的性能。
缓冲：由于producer那面可能业务很简单，而后端consumer业务会很复杂并有数据库的操作，因此肯定是producer会比consumer处理速度快，如果没有kafka，producer直接调用consumer，那么就会造成整个系统的处理速度慢，加一层kafka作为MQ，可以起到缓冲的作用。
异步通信：作为MQ，Producer与Consumer异步通信

2.Kafka文件存储机制

  • 2.2 kafka一些原理概念
1.持久化
kafka使用文件存储消息(append only log),这就直接决定kafka在性能上严重依赖文件系统的本身特性.且无论任何OS下,对文件系统本身的优化是非常艰难的.文件缓存/直接内存映射等是常用的手段.因为kafka是对日志文件进行append操作,因此磁盘检索的开支是较小的;同时为了减少磁盘写入的次数,broker会将消息暂时buffer起来,当消息的个数(或尺寸)达到一定阀值时,再flush到磁盘,这样减少了磁盘IO调用的次数.对于kafka而言,较高性能的磁盘,将会带来更加直接的性能提升.

2.性能
除磁盘IO之外,我们还需要考虑网络IO,这直接关系到kafka的吞吐量问题.kafka并没有提供太多高超的技巧;对于producer端,可以将消息buffer起来,当消息的条数达到一定阀值时,批量发送给broker;对于consumer端也是一样,批量fetch多条消息.不过消息量的大小可以通过配置文件来指定.对于kafka broker端,似乎有个sendfile系统调用可以潜在的提升网络IO的性能:将文件的数据映射到系统内存中,socket直接读取相应的内存区域即可,而无需进程再次copy和交换(零拷贝,下文会详解).

其实对于producer/consumer/broker三者而言,CPU的开支应该都不大,因此启用消息压缩机制是一个良好的策略;压缩需要消耗少量的CPU资源,不过对于kafka而言,网络IO更应该需要考虑.可以将任何在网络上传输的消息都经过压缩.kafka支持gzip/snappy等多种压缩方式

什么szero-copy(零拷贝)

一个典型的web服务器传送静态文件（如CSS，JS，图片等）的过程如下：

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);


1。当调用read系统调用时，通过DMA（Direct Memory Access）将数据copy到内核模式
2。然后由CPU控制将内核模式数据copy到用户模式下的 buffer中
3。read调用完成后，write调用首先将用户模式下 buffer中的数据copy到内核模式下的socket buffer中
4。最后通过DMA copy将内核模式下的socket buffer中的数据copy到网卡设备中传送。

从上面的过程可以看出，数据白白从内核模式到用户模式走了一 圈，浪费了两次copy，而这两次copy都是CPU copy，即占用CPU资源。

Zero-Copy&Sendfile()
Linux 2.1版本内核引入了sendfile函数，用于将文件通过socket传送。

sendfile(socket, file, len);


该函数通过一次系统调用完成了文件的传送，减少了原来 read/write方式的模式切换。此外更是减少了数据的copy，sendfile的详细过程图2所示：


通过sendfile传送文件只需要一次系统调用，当调用 sendfile时：
1。首先通过DMA copy将数据从磁盘读取到kernel buffer中
2。然后通过CPU copy将数据从kernel buffer copy到sokcet buffer中
3。最终通过DMA copy将socket buffer中数据copy到网卡buffer中发送
sendfile与read/write方式相比，少了 一次模式切换一次CPU copy。但是从上述过程中也可以发现从kernel buffer中将数据copy到socket buffer是没必要的。

为此，Linux2.4内核对sendfile做了改进，如图3所示

图3

改进后的处理过程如下：
1。DMA copy将磁盘数据copy到kernel buffer中
2。向socket buffer中追加当前要发送的数据在kernel buffer中的位置和偏移量
3。DMA gather copy根据socket buffer中的位置和偏移量直接将kernel buffer中的数据copy到网卡上。
经过上述过程，数据只经过了2次copy就从磁盘传送出去了。
（可能有人要纠结“不是说Zero－Copy么？怎么还有两次copy啊”，事实上这个Zero copy是针对内核来讲的，数据在内核模式下是Zero－copy的。话说回来，文件本身在磁盘上要真是完全Zero－copy就能传送，那才见鬼了呢）。
当前许多高性能 http server都引入了sendfile机制，如nginx，lighttpd等。

Java NIO中的transferTo()
Java NIO中

FileChannel.transferTo(long position, long count, WriteableByteChannel target)

方法将当前通道中的数据传送到目标通道target中，在支持Zero-Copy的linux系统中，transferTo()的实现依赖于sendfile()调用。


3.负载均衡
kafka集群中的任何一个broker,都可以向producer提供metadata信息,这些metadata中包含"集群中存活的servers列表"/"partitions leader列表"等信息(请参看zookeeper中的节点信息). 当producer获取到metadata信息之后, producer将会和Topic下所有partition leader保持socket连接;消息由producer直接通过socket发送到broker,中间不会经过任何"路由层".
异步发送，将多条消息暂且在客户端buffer起来,并将他们批量发送到broker;小数据IO太多,会拖慢整体的网络延迟,批量延迟发送事实上提升了网络效率;不过这也有一定的隐患,比如当producer失效时,那些尚未发送的消息将会丢失。

4.Topic模型
其他JMS实现,消息消费的位置是有prodiver保留,以便避免重复发送消息或者将没有消费成功的消息重发等,同时还要控制消息的状态.这就要求JMS broker需要太多额外的工作.在kafka中,partition中的消息只有一个consumer在消费,且不存在消息状态的控制,也没有复杂的消息确认机制,可见kafka broker端是相当轻量级的.当消息被consumer接收之后,consumer可以在本地保存最后消息的offset,并间歇性的向zookeeper注册offset.由此可见,consumer客户端也很轻量级。

kafka中consumer负责维护消息的消费记录,而broker则不关心这些,这种设计不仅提高了consumer端的灵活性,也适度的减轻了broker端设计的复杂度;这是和众多JMS prodiver的区别.此外,kafka中消息ACK的设计也和JMS有很大不同,kafka中的消息是批量(通常以消息的条数或者chunk的尺寸为单位)发送给consumer,当消息消费成功后,向zookeeper提交消息的offset,而不会向broker交付ACK.或许你已经意识到,这种"宽松"的设计,将会有"丢失"消息/"消息重发"的危险.


5.消息传输一致
Kafka提供3种消息传输一致性语义：最多1次，最少1次，恰好1次。
最少1次：可能会重传数据，有可能出现数据被重复处理的情况;
最多1次：可能会出现数据丢失情况;
恰好1次：并不是指真正只传输1次，只不过有一个机制。确保不会出现“数据被重复处理”和“数据丢失”的情况。

  • at most once: 消费者fetch消息,然后保存offset,然后处理消息;当client保存offset之后,但是在消息处理过程中consumer进程失效(crash),导致部分消息未能继续处理.那么此后可能其他consumer会接管,但是因为offset已经提前保存,那么新的consumer将不能fetch到offset之前的消息(尽管它们尚没有被处理),这就是"at most once".
  • at least once: 消费者fetch消息,然后处理消息,然后保存offset.如果消息处理成功之后,但是在保存offset阶段zookeeper异常或者consumer失效,导致保存offset操作未能执行成功,这就导致接下来再次fetch时可能获得上次已经处理过的消息,这就是"at least once".
  • "Kafka Cluster"到消费者的场景中可以采取以下方案来得到“恰好1次”的一致性语义：最少1次＋消费者的输出中额外增加已处理消息最大编号：由于已处理消息最大编号的存在，不会出现重复处理消息的情况。

6.副本
kafka中,只有当所有的follower都将一条消息保存成功,此消息才被认为是"committed",那么此时consumer才能消费它,这种同步策略,就要求follower和leader之间必须具有良好的网络环境.即使只有一个replicas实例存活,仍然可以保证消息的正常发送和接收,只要zookeeper集群存活即可.
选择follower时需要兼顾一个问题,就是新leader server上所已经承载的partition leader的个数,如果一个server上有过多的partition leader,意味着此server将承受着更多的IO压力.在选举新leader,需要考虑到"负载均衡",partition leader较少的broker将会更有可能成为新的leader.

8.分布式
kafka使用zookeeper来存储一些meta信息,并使用了zookeeper watch机制来发现meta信息的变更并作出相应的动作(比如consumer失效,触发负载均衡等)
Broker node registry: 当一个kafka broker启动后,首先会向zookeeper注册自己的节点信息(临时znode),同时当broker和zookeeper断开连接时,此znode也会被删除.
Broker Topic Registry: 当一个broker启动时,会向zookeeper注册自己持有的topic和partitions信息,仍然是一个临时znode.
Consumer and Consumer group: 每个consumer客户端被创建时,会向zookeeper注册自己的信息;此作用主要是为了"负载均衡".一个group中的多个consumer可以交错的消费一个topic的所有partitions;简而言之,保证此topic的所有partitions都能被此group所消费,且消费时为了性能考虑,让partition相对均衡的分散到每个consumer上.
Consumer id Registry: 每个consumer都有一个唯一的ID(host:uuid,可以通过配置文件指定,也可以由系统生成),此id用来标记消费者信息.
Consumer offset Tracking: 用来跟踪每个consumer目前所消费的partition中最大的offset.此znode为持久节点,可以看出offset跟group_id有关,以表明当group中一个消费者失效,其他consumer可以继续消费.
Partition Owner registry: 用来标记partition正在被哪个consumer消费.临时znode。此节点表达了"一个partition"只能被group下一个consumer消费,同时当group下某个consumer失效,那么将会触发负载均衡(即:让partitions在多个consumer间均衡消费,接管那些"游离"的partitions)

当consumer启动时,所触发的操作:

A) 首先进行"Consumer id Registry";
B) 然后在"Consumer id Registry"节点下注册一个watch用来监听当前group中其他consumer的"leave"和"join";只要此znode path下节点列表变更,都会触发此group下consumer的负载均衡.(比如一个consumer失效,那么其他consumer接管partitions).
C) 在"Broker id registry"节点下,注册一个watch用来监听broker的存活情况;如果broker列表变更,将会触发所有的groups下的consumer重新balance.

总结:
1) Producer端使用zookeeper用来"发现"broker列表,以及和Topic下每个partition leader建立socket连接并发送消息.
2) Broker端使用zookeeper用来注册broker信息,已经监测partition leader存活性.
3) Consumer端使用zookeeper用来注册consumer信息,其中包括consumer消费的partition列表等,同时也用来发现broker列表,并和partition leader建立socket连接,并获取消息。

9.Leader的选择
Kafka的核心是日志文件，日志文件在集群中的同步是分布式数据系统最基础的要素。
如果leaders永远不会down的话我们就不需要followers了！一旦leader down掉了，需要在followers中选择一个新的leader.但是followers本身有可能延时太久或者crash，所以必须选择高质量的follower作为leader.必须保证，一旦一个消息被提交了，但是leader down掉了，新选出的leader必须可以提供这条消息。大部分的分布式系统采用了多数投票法则选择新的leader,对于多数投票法则，就是根据所有副本节点的状况动态的选择最适合的作为leader.Kafka并不是使用这种方法。

Kafka动态维护了一个同步状态的副本的集合（a set of in-sync replicas），简称ISR，在这个集合中的节点都是和leader保持高度一致的，任何一条消息必须被这个集合中的每个节点读取并追加到日志中了，才回通知外部这个消息已经被提交了。因此这个集合中的任何一个节点随时都可以被选为leader.ISR在ZooKeeper中维护。ISR中有f+1个节点，就可以允许在f个节点down掉的情况下不会丢失消息并正常提供服务。ISR的成员是动态的，如果一个节点被淘汰了，当它重新达到“同步中”的状态时，他可以重新加入ISR.这种leader的选择方式是非常快速的，适合kafka的应用场景。

一个邪恶的想法：如果所有节点都down掉了怎么办？Kafka对于数据不会丢失的保证，是基于至少一个节点是存活的，一旦所有节点都down了，这个就不能保证了。

实际应用中，当所有的副本都down掉时，必须及时作出反应。可以有以下两种选择:

1. 等待ISR中的任何一个节点恢复并担任leader。
2. 选择所有节点中（不只是ISR）第一个恢复的节点作为leader.
这是一个在可用性和连续性之间的权衡。如果等待ISR中的节点恢复，一旦ISR中的节点起不起来或者数据都是了，那集群就永远恢复不了了。如果等待ISR意外的节点恢复，这个节点的数据就会被作为线上数据，有可能和真实的数据有所出入，因为有些数据它可能还没同步到。Kafka目前选择了第二种策略，在未来的版本中将使这个策略的选择可配置，可以根据场景灵活的选择。
这种窘境不只Kafka会遇到，几乎所有的分布式数据系统都会遇到。

10.副本管理
以上仅仅以一个topic一个分区为例子进行了讨论，但实际上一个Kafka将会管理成千上万的topic分区.Kafka尽量的使所有分区均匀的分布到集群所有的节点上而不是集中在某些节点上，另外主从关系也尽量均衡这样每个几点都会担任一定比例的分区的leader.
优化leader的选择过程也是很重要的，它决定了系统发生故障时的空窗期有多久。Kafka选择一个节点作为“controller”,当发现有节点down掉的时候它负责选择新的leader,这使得Kafka可以批量的高效的管理所有分区节点的主从关系。如果controller down掉了，活着的节点中的一个会备切换为新的controller.

11.Leader与副本同步
对于某个分区来说，保存正分区的"broker"为该分区的"leader"，保存备份分区的"broker"为该分区的"follower"。备份分区会完全复制正分区的消息，包括消息的编号等附加属性值。为了保持正分区和备份分区的内容一致，Kafka采取的方案是在保存备份分区的"broker"上开启一个消费者进程进行消费，从而使得正分区的内容与备份分区的内容保持一致。一般情况下，一个分区有一个“正分区”和零到多个“备份分区”。可以配置“正分区+备份分区”的总数量，关于这个配置，不同主题可以有不同的配置值。注意，生产者，消费者只与保存正分区的"leader"进行通信。

Kafka允许topic的分区拥有若干副本，这个数量是可以配置的，你可以为每个topic配置副本的数量。Kafka会自动在每个副本上备份数据，所以当一个节点down掉时数据依然是可用的。
Kafka的副本功能不是必须的，你可以配置只有一个副本，这样其实就相当于只有一份数据。
创建副本的单位是topic的分区，每个分区都有一个leader和零或多个followers.所有的读写操作都由leader处理，一般分区的数量都比broker的数量多的多，各分区的leader均匀的分布在brokers中。所有的followers都复制leader的日志，日志中的消息和顺序都和leader中的一致。followers向普通的consumer那样从leader那里拉取消息并保存在自己的日志文件中。
许多分布式的消息系统自动的处理失败的请求，它们对一个节点是否着（alive）”有着清晰的定义。Kafka判断一个节点是否活着有两个条件：
1. 节点必须可以维护和ZooKeeper的连接，Zookeeper通过心跳机制检查每个节点的连接。
2. 如果节点是个follower,他必须能及时的同步leader的写操作，延时不能太久。
符合以上条件的节点准确的说应该是“同步中的（in sync）”，而不是模糊的说是“活着的”或是“失败的”。Leader会追踪所有“同步中”的节点，一旦一个down掉了，或是卡住了，或是延时太久，leader就会把它移除。参数replica.lag.max.messages决定延时的最大消息数,参数replica.lag.time.max.ms决定延时时间。
只有当消息被所有的副本加入到日志中时，才算是“committed”，只有committed的消息才会发送给consumer，这样就不用担心一旦leader down掉了消息会丢失。Producer也可以选择是否等待消息被提交的通知，这个是由参数acks决定的。
Kafka保证只要有一个“同步中”的节点，“committed”的消息就不会丢失。


 一个典型的Kafka集群中包含若干Producer（可以是web前端FET，或者是服务器日志等），若干broker（Kafka支持水平扩展，一般broker数量越多，集群吞吐率越高），若干ConsumerGroup，以及一个Zookeeper集群。Kafka通过Zookeeper管理Kafka集群配置：选举Kafka broker的leader，以及在Consumer Group发生变化时进行rebalance，因为consumer消费kafka topic的partition的offset信息是存在Zookeeper的。Producer使用push模式将消息发布到broker，Consumer使用pull模式从broker订阅并消费消息。

分析过程分为以下4个步骤：

  • topic中partition存储分布
  • partiton中文件存储方式 (partition在linux服务器上就是一个目录（文件夹）)
  • partiton中segment文件存储结构
  • 在partition中如何通过offset查找message

通过上述4过程详细分析，我们就可以清楚认识到kafka文件存储机制的奥秘。


2.3 topic中partition存储分布

假设实验环境中Kafka集群只有一个broker，xxx/message-folder为数据文件存储根目录，在Kafka broker中server.properties文件配置(参数log.dirs=xxx/message-folder)，例如创建2个topic名 称分别为report_push、launch_info, partitions数量都为partitions=4

存储路径和目录规则为：

xxx/message-folder

|--report_push-0
|--report_push-1
|--report_push-2
|--report_push-3
|--launch_info-0
|--launch_info-1
|--launch_info-2
|--launch_info-3

在Kafka文件存储中，同一个topic下有多个不同partition，每个partition为一个目录，partiton命名规则为topic名称+有序序号，第一个partiton序号从0开始，序号最大值为partitions数量减1。
消息发送时都被发送到一个topic，其本质就是一个目录，而topic由是由一些Partition组成,其组织结构，Partition是一个Queue的结构，每个Partition中的消息都是有序的，生产的消息被不断追加到Partition上，其中的每一个消息都被赋予了一个唯一的offset值。

Kafka集群会保存所有的消息，不管消息有没有被消费；我们可以设定消息的过期时间，只有过期的数据才会被自动清除以释放磁盘空间。比如我们设置消息过期时间为2天，那么这2天内的所有消息都会被保存到集群中，数据只有超过了两天才会被清除。

Kafka只维护在Partition中的offset值，因为这个offset标识着这个partition的message消费到哪条了。Consumer每消费一个消息，offset就会加1。其实消息的状态完全是由Consumer控制的，Consumer可以跟踪和重设这个offset值，这样的话Consumer就可以读取任意位置的消息。

把消息日志以Partition的形式存放有多重考虑，第一，方便在集群中扩展，每个Partition可以通过调整以适应它所在的机器，而一个topic又可以有多个Partition组成，因此整个集群就可以适应任意大小的数据了；第二就是可以提高并发，因为可以以Partition为单位读写了。

2.4 partiton中文件存储方式
  • 每个partion(目录)相当于一个巨型文件被平均分配到多个大小相等segment(段)数据文件中。但每个段segment file消息数量不一定相等，这种特性方便old segment file快速被删除。
  • 每个partiton只需要支持顺序读写就行了，segment文件生命周期由服务端配置参数决定。

这样做的好处就是能快速删除无用文件，有效提高磁盘利用率。


2.5 partiton中segment文件存储结构
producer发message到某个topic，message会被均匀的分布到多个partition上（随机或根据用户指定的回调函数进行分布），kafka broker收到message往对应partition的最后一个segment上添加该消息，当某个segment上的消息条数达到配置值或消息发布时间超过阈值时，segment上的消息会被flush到磁盘，只有flush到磁盘上的消息consumer才能消费，segment达到一定的大小后将不会再往该segment写数据，broker会创建新的segment。

每个part在内存中对应一个index，记录每个segment中的第一条消息偏移。
  • segment file组成：由2大部分组成，分别为index file和data file，此2个文件一一对应，成对出现，后缀".index"和“.log”分别表示为segment索引文件、数据文件.
  • segment文件命名规则：partion全局的第一个segment从0开始，后续每个segment文件名为上一个全局partion的最大offset(偏移message数)。数值最大为64位long大小，19位数字字符长度，没有数字用0填充。

下面文件列表是笔者在Kafka broker上做的一个实验，创建一个topicXXX包含1 partition，设置每个segment大小为500MB,并启动producer向Kafka broker写入大量数据,如下图2所示segment文件列表形象说明了上述2个规则：


以上述图2中一对segment file文件为例，说明segment中index<—->data file对应关系物理结构如下：


其中 .index索引文件是稀松索引,它 比稠密索引节省了更多的存储空间，但查找起来需要消耗更多的时间。N,posotion,N是相对于.log文件的消息偏移量,position是.log文件的物理地址.比如 其中以索引文件中 元数据3,497为例，依次在数据文件中表示第3个message(在全局partiton表示第3个也就是368769+3=368772个message)、以及该消息的物理偏移 地址为497。

从上述图3了解到segment data file由许多message组成，下面详细说明message物理结构如下：

参数说明：

关键字解释说明
8 byte offset在parition(分区)内的每条消息都有一个有序的id号，这个id号被称为偏移(offset),它可以唯一确定每条消息在parition(分区)内的位置。即offset表示partiion的第多少message
4 byte message sizemessage大小
4 byte CRC32用crc32校验message
1 byte “magic"表示本次发布Kafka服务程序协议版本号
1 byte “attributes"表示为独立版本、或标识压缩类型、或编码类型。
4 byte key length表示key的长度,当key为-1时，K byte key字段不填
K byte key可选
value bytes payload表示实际消息数据。

2.6 在partition中如何通过offset查找message

例如读取offset=368776的message，需要通过下面2个步骤查找。

  • 第一步查找segment file

    上述图2为例，其中00000000000000000000.index表示最开始的文件，起始偏移量(offset)为0.第二个文件 00000000000000368769.index的消息量起始偏移量为368770 = 368769 + 1.同样，第三个文件00000000000000737337.index的起始偏移量为737338=737337 + 1，其他后续文件依次类推，以起始偏移量命名并排序这些文件，只要根据offset **二分查找**文件列表，就可以快速定位到具体文件。

    当offset=368776时定位到00000000000000368769.index|log

  • 第二步通过segment file查找message通过第一步定位到segment file，当offset=368776时，依次定位到00000000000000368769.index的元数据物理位置和 00000000000000368769.log的物理偏移地址，然后再通过00000000000000368769.log顺序查找直到 offset=368776为止。


kafka会记录offset到zk中。但是，zk client api对zk的频繁写入是一个低效的操作。0.8.2 kafka引入了native offset storage，将offset管理从zk移出，并且可以做到水平扩展。其原理就是利用了kafka的compacted topic，offset以consumer group,topic与partion的组合作为key直接提交到compacted topic中。同时Kafka又在内存中维护了的三元组来维护最新的offset信息，consumer来取最新offset信息的时候直接内存里拿即可。当然，kafka允许你快速的checkpoint最新的offset信息到磁盘上。

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)


(2)当集群中新增2节点，Partition增加到6个时分布情况如下：



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：

- 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:


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：

  1. 生产者客户端应用程序产生消息：

    1. 客户端连接对象将消息包装到请求中发送到服务端
    2. 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
    3. 服务端返回响应结果给生产者客户端

  2. 消费者客户端应用程序消费消息：

    1. 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
    2. 服务端从文件存储系统中取出消息
    3. 服务端返回响应结果给消费者客户端
    4. 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

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。

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。


5.3 高效的数据传输
1. 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。

2. 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。

3. 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
1. 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)
2. 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）

3. 维护消费关系及每个partition的消费信息。

kafka在zookeeper中存储结构


1.topic注册信息

/brokers/topics/[topic] :

存储某个topic的partitions所有分配信息

Schema:{
    "version": "版本编号目前固定为数字1",
    "partitions": {
        "partitionId编号": [
            同步副本组brokerId列表
        ],
        "partitionId编号": [
            同步副本组brokerId列表
        ],
        .......
    }
}
Example:{
"version": 1,
"partitions": {
"0": [1, 2],
"1": [2, 1],
"2": [1, 2],
}
}
说明：紫红色为patitions编号，蓝色为同步副本组brokerId列表

2.partition状态信息

/brokers/topics/[topic]/partitions/[0...N] 其中[0..N]表示partition索引号

/brokers/topics/[topic]/partitions/[partitionId]/state

Schema:{
"controller_epoch": 表示kafka集群中的中央控制器选举次数,
"leader": 表示该partition选举leader的brokerId,
"version": 版本编号默认为1,
"leader_epoch": 该partition leader选举次数,
"isr": [同步副本组brokerId列表]
}

 Example:{
"controller_epoch": 1,
"leader": 2,
"version": 1,
"leader_epoch": 0,
"isr": [2, 1]
}

3. Broker注册信息

/brokers/ids/[0...N]

每个broker的配置文件中都需要指定一个数字类型的id(全局不可重复),此节点为临时znode(EPHEMERAL)

Schema:{
"jmx_port": jmx端口号,
"timestamp": kafka broker初始启动时的时间戳,
"host": 主机名或ip地址,
"version": 版本编号默认为1,
"port": kafka broker的服务端端口号,由server.properties中参数port确定
}

 Example:{
"jmx_port": 6061,"timestamp":"1403061899859"
"version": 1,
"host": "192.168.1.148",
"port": 9092
}

4. Controller epoch:

/controller_epoch -> int (epoch)

此值为一个数字,kafka集群中第一个broker第一次启动时为1，以后只要集群中center controller中央控制器所在broker变更或挂掉，就会重新选举新的center controller，每次center controller变更controller_epoch值就会 + 1;

5. Controller注册信息:

/controller -> int (broker id of the controller) 存储center controller中央控制器所在kafka broker的信息

Schema:{
"version": 版本编号默认为1,
"brokerid": kafka集群中broker唯一编号,
"timestamp": kafka broker中央控制器变更时的时间戳
} 
Example:{
"version": 1,
"brokerid": 3,
"timestamp": "1403061802981"
}

Consumer and Consumer group概念:

a.每个consumer客户端被创建时,会向zookeeper注册自己的信息;
b.此作用主要是为了"负载均衡".
c.同一个Consumer Group中的Consumers，Kafka将相应Topic中的每个消息只发送给其中一个Consumer。
d.Consumer Group中的每个Consumer读取Topic的一个或多个Partitions，并且是唯一的Consumer；
e.一个Consumer group的多个consumer的所有线程依次有序地消费一个topic的所有partitions,如果Consumer group中所有consumer总线程大于partitions数量，则会出现空闲情况;

举例说明：
kafka集群中创建一个topic为report-log 4 partitions 索引编号为0,1,2,3
假如有目前有三个消费者node：注意-->一个consumer中一个消费线程可以消费一个或多个partition.
如果每个consumer创建一个consumer thread线程,各个node消费情况如下，node1消费索引编号为0,1分区，node2费索引编号为2,node3费索引编号为3
如果每个consumer创建2个consumer thread线程，各个node消费情况如下(是从consumer node先后启动状态来确定的)，node1消费索引编号为0,1分区；node2费索引编号为2,3；node3为空闲状态

总结：
从以上可知，Consumer Group中各个consumer是根据先后启动的顺序有序消费一个topic的所有partitions的。

如果Consumer Group中所有consumer的总线程数大于partitions数量，则可能consumer thread或consumer会出现空闲状态。

Consumer均衡算法
当一个group中,有consumer加入或者离开时,会触发partitions均衡.均衡的最终目的,是提升topic的并发消费能力.
1) 假如topic1,具有如下partitions: P0,P1,P2,P3
2) 加入group中,有如下consumer: C0,C1
3) 首先根据partition索引号对partitions排序: P0,P1,P2,P3
4) 根据(consumer.id + '-'+ thread序号)排序: C0,C1
5) 计算倍数: M = [P0,P1,P2,P3].size / [C0,C1].size,本例值M=2(向上取整)
6) 然后依次分配partitions: C0 = [P0,P1],C1=[P2,P3],即Ci = [P(i * M),P((i + 1) * M -1)]

6. Consumer注册信息:

每个consumer都有一个唯一的ID(consumerId可以通过配置文件指定,也可以由系统生成),此id用来标记消费者信息.

/consumers/[groupId]/ids/[consumerIdString]

是一个临时的znode,此节点的值为请看consumerIdString产生规则,即表示此consumer目前所消费的topic + partitions列表.

consumerId产生规则：

StringconsumerUuid = null;
    if(config.consumerId!=null && config.consumerId)
      consumerUuid = consumerId;
    else {
      String uuid = UUID.randomUUID()
      consumerUuid = "%s-%d-%s".format(
        InetAddress.getLocalHost.getHostName, System.currentTimeMillis,
        uuid.getMostSignificantBits().toHexString.substring(0,8));     }
     String consumerIdString = config.groupId + "_" + consumerUuid;

Schema:{
"version": 版本编号默认为1,
"subscription": { //订阅topic列表
"topic名称": consumer中topic消费者线程数
},
"pattern": "static",
"timestamp": "consumer启动时的时间戳"
} 

Example:{
"version": 1,
"subscription": {
"open_platform_opt_push_plus1": 5
},
"pattern": "static",
"timestamp": "1411294187842"
}

7. Consumer owner:

/consumers/[groupId]/owners/[topic]/[partitionId] -> consumerIdString + threadId索引编号

当consumer启动时,所触发的操作:

a) 首先进行"Consumer Id注册";

b) 然后在"Consumer id 注册"节点下注册一个watch用来监听当前group中其他consumer的"退出"和"加入";只要此znode path下节点列表变更,都会触发此group下consumer的负载均衡.(比如一个consumer失效,那么其他consumer接管partitions).

c) 在"Broker id 注册"节点下,注册一个watch用来监听broker的存活情况;如果broker列表变更,将会触发所有的groups下的consumer重新balance.

8. Consumer offset:

/consumers/[groupId]/offsets/[topic]/[partitionId] -> long (offset)

用来跟踪每个consumer目前所消费的partition中最大的offset

此znode为持久节点,可以看出offset跟group_id有关,以表明当消费者组(consumer group)中一个消费者失效,

重新触发balance,其他consumer可以继续消费.

9. Re-assign partitions

/admin/reassign_partitions

{
	"fields": [{
		"name": "version",
		"type": "int",
		"doc": "version id"
	}, {
		"name": "partitions",
		"type": {
			"type": "array",
			"items": {
				"fields": [{
					"name": "topic",
					"type": "string",
					"doc": "topic of the partition to be reassigned"
				}, {
					"name": "partition",
					"type": "int",
					"doc": "the partition to be reassigned"
				}, {
					"name": "replicas",
					"type": "array",
					"items": "int",
					"doc": "a list of replica ids"
				}],
			}
			"doc": "an array of partitions to be reassigned to new replicas"
		}
	}]
}
Example: {
	"version": 1,
	"partitions": [{
		"topic": "Foo",
		"partition": 1,
		"replicas": [0, 1, 3]
	}]
}

10. Preferred replication election

/admin/preferred_replica_election

{
	"fields": [
	{
		"name": "version",
		"type": "int",
		"doc": "version id"
	}, 
	{
		"name": "partitions",
		"type": {
			"type": "array",
			"items": {
				"fields": [{
					"name": "topic",
					"type": "string",
					"doc": "topic of the partition for which preferred replica election should be triggered"
				}, {
					"name": "partition",
					"type": "int",
					"doc": "the partition for which preferred replica election should be triggered"
				}],
			}
			"doc": "an array of partitions for which preferred replica election should be triggered"
		}
	}]
}
例子: {
	"version": 1,
	"partitions": [{
		"topic": "Foo",
		"partition": 1
	}, {
		"topic": "Bar",
		"partition": 0
	}]
}

11. 删除topics
/admin/delete_topics

Schema: {
	"fields": [{
		"name": "version",
		"type": "int",
		"doc": "version id"
	}, {
		"name": "topics",
		"type": {
			"type": "array",
			"items": "string",
			"doc": "an array of topics to be deleted"
		}
	}]
}
例子: {
	"version": 1,
	"topics": ["foo", "bar"]
}

Topic配置

/config/topics/[topic_name]

例子

{
	"version": 1,
	"config": {
		"config.a": "x",
		"config.b": "y",
		...
	}
}


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