文章内容参考《深入理解Kafka：核心设计与实践原理》，欢迎大家购买阅读。
协议设计
Kafka自定义了一组基于TCP的二进制协议，只要遵守这组协议格式，就能向Kafka发送消息。Kafka包含了多种协议类型，每种协议类型都有对应的请求（Request）和响应（Response）。每种类型的Request都包含相同结构的协议请求头（RequestHeader）和不同结构的协议请求体（RequestBody）。
协议请求头中包含4个域（field）：api-key、api-version、correlation_id、client-id，含义如下：
| 域（field） | 描述 |
|---|---|
| api-key | API标识，比如PRODUCE、FETCH分别表示发送消息和拉取消息的请求 |
| api-version | API版本号 |
| correlation_id | 请求唯一标识，在Reponse中会写入同样的correlation_id |
| client-id | 客户端id |
每种类型的Response也包含了相同结构的协议响应头（ResponseHeader）和不同结构的响应体（ResponseBody）。
协议响应头中只有一个correlation_id。接下来，我们以最常见的消息发送协议类型为例进行详细讲解。
首先是消息发送协议类型，即ProduceRequest/ProduceResponse，对应api_key =0。ProduceRequest的结构如下图所示。
| 域（field） | 描述 |
|---|---|
| transaction_id | 事务id |
| acks | 对应客户端参数acks |
| timeout | 请求超时时间，对应客户端参数request.timeout.ms |
| topic_data | ProduceRequest中要发送的数据集合。数组 |
| topic | 主题名称 |
| data | 与主题对应的数据，数组 |
| partition | 分区编号 |
| records | 与分区对应的数据 |
客户端会将消息按照topic、partion归纳好之后按照ProduceRequest的格式进行发送。如果acks的值非0，那么生产者在发送ProduceRequest之后就需要异步等待服务端响应ProduceResponse了，ProduceResponse结构如下图所示。
| 域（field） | 描述 |
|---|---|
| throttle_time_ms | 如果超过了配额(quota)限制则需要延迟该请求处理时间，如果没有配置配额，该字段为0 |
| responses | 返回的数据集合，数组 |
| topic | 主题名称 |
| partition_reponses | 主题中所有分区的响应数据，数组 |
| partition | 分区编号 |
| error_code | 错误码 |
| base_offset | 消息集的起始偏移量 |
| log_append_time | 写入broker端的时间 |
| log_start_offset | 所在分区的起始偏移量 |
时间轮
Kafka中存在大量的延时操作，比如延时生产、延时拉取和延时删除等等。Kafka基于时间轮的概念自定义实现了一个用于延时功能的定时器，将插入和删除操作的时间复杂度降低为O(1)。
如上图所示，Kafka中的时间轮（TimingWheel）是一个存储定时任务的环形队列，底层采用数组实现，数组中的每个元素可以存放定时任务列表（TimerTaskList）。TimerTaskList是一个环形双向链表，链表中的每一项表示的都是定时任务项（TimerTaskEntry），其中封装了真正的定时任务（TimerTask）。
时间轮由多个时间格组成，每个时间格代表当前时间轮的基本时间跨度（tickMs）。时间轮的时间格个数是固定的，可用wheelSize表示，整个时间轮的总时间跨度（interval）等于tickMs x wheelSize。时间轮还有一个表盘指针（currentTime），用来表示时间轮当前所处的时间，currentTime是tickMs的整数倍。currentTime可以将整个时间轮划分为到期部分和未到期部分，currentTime当前指向的时间格也属于到期部分，表示刚好到期，需要处理此时间格所对应的所有TimerTaskList中的所有任务。
如果时间轮的tickMs=1ms且wheelSize=20，那么总时间跨度就是20ms。初始化时currentTime=0ms，如果此时有一个定时为2ms的任务插入进来就会存放到时间格为2的TimerTaskList中。随着时间推移，当currentTime=2ms时，就会将时间格2对应的所有任务执行掉。
实际上，上面介绍的只是简单的时间轮，它只能应付到期时间小于总时间跨度的定时任务。当到期时间大于总时间跨度时，上述实现就不能满足要求了。为了解决这个问题，Kafka引入了层级时间轮，当任务到期时间大于当前时间轮的总时间跨度时，就会将它添加到上层时间轮中。
如上图所示，层级时间轮就是上一层时间轮的tickMs等于当前时间轮的总时间跨度interval，每层时间轮的格数保持一致。层级时间轮跟钟表类似，当前时间轮走完一圈，上一层时间轮走一格。就像秒钟走完一圈，分钟走一格，分钟走完一圈，时钟走一格。
还是以上面的例子来说明，第一层时间轮的时间跨度时1ms x 20 = 20ms，第二层是400ms，第三场是8000ms，以此类推。假设此时有一个350ms的定时任务，很明显第一层无法满足要求，它会升级插入到第二层时间轮时间格为17的位置。
还有一点要特别注意，上层时间轮每转动一次，并不会直接将对应时间格的任务直接执行，而是将该时间格对应任务按照剩余定时时间再向时间轮提交一次。此时，剩余时间肯定小于当前时间轮的基本时间跨度，因此任务肯定都会提交到下层甚至下下层时间轮，这个过程也叫作时间轮降级。
只有第一层时间轮的任务才会真正执行，其他层的任务最终都会降级到第一层时间轮中。
延时操作
如果客户端参数acks=-1，那么客户端发送消息就需要等待ISR集合中所有副本都确认收到消息之后才能收到响应结果，或者捕获超时异常。在将消息写入leader副本的本地日志文件之后，Kafka会创建一个延时的生产操作（DelayProduce），用来处理消息正常写入所有副本或超时的情况，以返回相应的响应结果给客户端。
延时操作需要延时返回响应结果，首先它必须有一个超时时间（delayMs），如果在超时时间内没有完成既定任务，那么就需要强制完成以返回响应结果给客户端。延时操作不同于定时操作，定时操作是指在特定时间之后执行的操作，而延时操作可以在设定的超时时间之前完成，所以延时操作能够支持外部事件触发。就延时生产操作而言，它的外部事件是所要写入消息的某个分区的HW（高水位）增长，每一次增长都会检测是否能够完成此次延时生产操作，如果可以则返回结果给客户端；如果在超时时间内始终无法完成，则强制执行。
当follower副本已经拉取到leader副本的最新位置，此时又向leader副本发送拉取请求，而leader副本并没有新消息写入。此时，Kakka不会直接返回空结果给follower副本，而是会创建延时拉取操作来处理。Kafka在处理拉取请求时，会先读取一次日志，如果收集不到足够多的消息(由fetch.min.bytes参数控制，默认为1)，那么就会创建一个延时拉取操作（DelayFetch）以等待拉取到足够的消息。延时拉取操作同样是由超时触发或者外部事件触发。
控制器
在Kafka集群中会有一个或多个broker，其中有一个broker会被选举为控制器，它负责管理整个集群中所有的分区和副本状态。当某个分区的leader副本出现故障时，由控制器负责为该分区选举新的leader副本。当检测到某个分区ISR集合发生变化时，由控制器负责通知所有broker更新元数据信息。
控制器的选举及异常恢复
Kafka中的控制器选举工作依赖于Zookeeper，成功竞选为控制器的broker会在Zookeeper中创建/controller临时节点。节点内容格式为：
{"version": 1, "brokerid": 0, "timestamp":"1529210278988"}
其中version固定为1，brokerid为成为控制器的broker的id编号。
在任意时刻，集群中有且只有一个控制器。每个broker在启动的时候都会尝试读取/controller节点的brokerid值，如果读取成功，则放弃竞选，否则就会尝试创建/controller节点。创建成功的broker即成为控制器。每个broker在内存中都会保存当前控制器的brokerid值。
Zookeeper中还有一个/controller_epoch的持久节点，用于记录当前是第几代控制器。controller_epoch的初始值为1，当控制器发生变更时，就会加1。每个和控制器交互的请求都会带上controller_epoch字段。
具备控制器身份的broker需要比其它普通的broker多一份职责，具体细节如下：
- 监听分区相关变化。
- 监听主题相关变化。
- 监听broker相关变化。
- 从Zookeeper中读取当前所有与主题、分区及broker有关的信息并进行相应的管理。
- 启动并管理分区状态机和副本状态机。
- 更新集群元数据信息。
- 如果开启了自动均衡，会开启一个定时任务来维护优先副本均衡。
每个broker都会对/controller节点添加监听器，以此来监听此节点的数据变化。如果/controller节点中的brokerid发生变化，说明之前的控制器需要退位了，要关闭相应的资源。如果/controller被删除了，则会触发重新选举。
分区leader的选举
分区leader副本的选举是由控制器具体实施的。当创建分区或者分区上线的时候都需要执行leader的选举动作。选举策略的基本思路是：按照AR集合的副本顺序查找第一个存活的副本，并且这个副本在ISR集合中。一个分区的AR集合在分配的时候就被指定，并且只要不发生重分配，集合内部副本的顺序是不会变的，而分区ISR的副本顺序是会变化的。
当分区进行重分配的时候也需要执行leader选举，此时的选举策略是：从重分配的AR列表找到第一个存活的副本，并且这个副本在目前的ISR列表中。
当发生优先副本选举时，直接将优先副本设置成leader即可。
