1 简介
Consumer Group，应该算是 Kafka 比较有亮点的设计了。那么何谓 Consumer Group 呢？用一句话概括就是：Consumer Group 是 Kafka 提供的可扩展且具有容错性的消费者机制。既然是一个组，那么组内必然可以有多个消费者或消费者实例（Consumer Instance），它们共享一个公共的 ID，这个 ID 被称为 Group ID。Group ID 是一个字符串，在一个 Kafka 集群中，它标识唯一的一个 Consumer Group。
组内的所有消费者协调在一起来消费订阅主题（Subscribed Topics）的所有分区（Partition）。当然，每个分区只能由同一个消费者组内的一个 Consumer 实例来消费。
2 位移
2.1 数据结构
针对 Consumer Group，Kafka 是怎么管理位移的呢？你还记得吧，消费者在消费的过程中需要记录自己消费了多少数据，即消费位置信息。在 Kafka 中，这个位置信息有个专门的术语：位移（Offset）。看上去该 Offset 就是一个数值而已，其实对于 Consumer Group 而言，它是一组 KV 对，Key 是分区，V 对应 Consumer 消费该分区的最新位移。如果用 Java 来表示的话，你大致可以认为是这样的数据结构，即 Map，其中 TopicPartition 表示一个分区，而 Long 表示位移的类型。当然，我必须承认 Kafka 源码中并不是这样简单的数据结构，而是要比这个复杂得多，不过这并不会妨碍我们对 Group 位移的理解。
2.2 保存位移
2.2.1 Apache Zookeeper
老版本的 Consumer Group 把位移保存在 ZooKeeper 中。Apache ZooKeeper 是一个分布式的协调服务框架，Kafka 重度依赖它实现各种各样的协调管理。将位移保存在 ZooKeeper 外部系统的做法，最显而易见的好处就是减少了 Kafka Broker 端的状态保存开销。
不过，慢慢地人们发现了一个问题，即 ZooKeeper 这类元框架其实并不适合进行频繁的写更新，而 Consumer Group 的位移更新却是一个非常频繁的操作。这种大吞吐量的写操作会极大地拖慢 ZooKeeper 集群的性能，因此 Kafka 社区渐渐有了这样的共识：将 Consumer 位移保存在 ZooKeeper 中是不合适的做法。
2.2.2 内部主题
在新版本的 Consumer Group 中，Kafka 社区重新设计了 Consumer Group 的位移管理方式，采用了将位移保存在 Kafka 内部主题的方法。这个内部主题就是让人既爱又恨的 __consumer_offsets。
3 Rebalance
3.1 简介
Rebalance 本质上是一种协议，规定了一个 Consumer Group 下的所有 Consumer 如何达成一致，来分配订阅 Topic 的每个分区。比如某个 Group 下有 20 个 Consumer 实例，它订阅了一个具有 100 个分区的 Topic。正常情况下，Kafka 平均会为每个 Consumer 分配 5 个分区。这个分配的过程就叫 Rebalance。
3.2 触发条件
Rebalance 的触发条件有 3 个:
- 组成员数发生变更。比如有新的 Consumer 实例加入组或者离开组，抑或是有 Consumer 实例崩溃被“踢出”组。
- 订阅主题数发生变更。Consumer Group 可以使用正则表达式的方式订阅主题，比如 consumer.subscribe(Pattern.compile("t.*c")) 就表明该 Group 订阅所有以字母 t 开头、字母 c 结尾的主题。在 Consumer Group 的运行过程中，你新创建了一个满足这样条件的主题，那么该 Group 就会发生 Rebalance。
- 订阅主题的分区数发生变更。Kafka 当前只能允许增加一个主题的分区数。当分区数增加时，就会触发订阅该主题的所有 Group 开启 Rebalance。
3.3 重平衡的通知机制
重平衡过程是如何通知到其他消费者实例的？答案就是，靠消费者端的心跳线程（Heartbeat Thread）。Kafka Java 消费者需要定期地发送心跳请求（Heartbeat Request）到 Broker 端的协调者，以表明它还存活着。在 Kafka 0.10.1.0 版本之前，发送心跳请求是在消费者主线程完成的，也就是你写代码调用 KafkaConsumer.poll 方法的那个线程。这样做有诸多弊病，最大的问题在于，消息处理逻辑也是在这个线程中完成的。因此，一旦消息处理消耗了过长的时间，心跳请求将无法及时发到协调者那里，导致协调者“错误地”认为该消费者已“死”。
自 0.10.1.0 版本开始，社区引入了一个单独的心跳线程来专门执行心跳请求发送，避免了这个问题。但这和重平衡又有什么关系呢？其实，重平衡的通知机制正是通过心跳线程来完成的。当协调者决定开启新一轮重平衡后，它会将“REBALANCE_IN_PROGRESS”封装进心跳请求的响应中，发还给消费者实例。当消费者实例发现心跳响应中包含了“REBALANCE_IN_PROGRESS”，就能立马知道重平衡又开始了，这就是重平衡的通知机制。
对了，很多人还搞不清楚消费者端参数 heartbeat.interval.ms 的真实用途，我来解释一下。从字面上看，它就是设置了心跳的间隔时间，但这个参数的真正作用是控制重平衡通知的频率。如果你想要消费者实例更迅速地得到通知，那么就可以给这个参数设置一个非常小的值，这样消费者就能更快地感知到重平衡已经开启了。
3.4 重平衡流程
3.4.1 消费端
重平衡的完整流程需要消费者端和协调者组件共同参与才能完成。我们先从消费者的视角来审视一下重平衡的流程。在消费者端，重平衡分为两个步骤：分别是加入组和等待领导者消费者（Leader Consumer）分配方案。这两个步骤分别对应两类特定的请求：JoinGroup 请求和 SyncGroup 请求。
JoinGroup 请求
JoinGroup 请求的主要作用是将组成员订阅信息发送给领导者消费者，待领导者制定好分配方案后，重平衡流程进入到 SyncGroup 请求阶段。
SyncGroup 请求
SyncGroup 请求的主要目的，就是让协调者把领导者制定的分配方案下发给各个组内成员。当所有成员都成功接收到分配方案后，消费者组进入到 Stable 状态，即开始正常的消费工作。
3.4.2 协调者端(Coordinator)
要剖析协调者端处理重平衡的全流程，我们必须要分几个场景来讨论。这几个场景分别是新成员加入组、组成员主动离组、组成员崩溃离组、组成员提交位移。接下来，我们一个一个来讨论。
场景一：新成员入组
我们这里讨论的是，组稳定了之后有新成员加入的情形。当协调者收到新的 JoinGroup 请求后，它会通过心跳请求响应的方式通知组内现有的所有成员，强制它们开启新一轮的重平衡。具体的过程和之前的客户端重平衡流程是一样的。现在，我用一张时序图来说明协调者一端是如何处理新成员入组的。
场景二：组成员主动离组
何谓主动离组？就是指消费者实例所在线程或进程调用 close() 方法主动通知协调者它要退出。这个场景就涉及到了第三类请求：LeaveGroup 请求。协调者收到 LeaveGroup 请求后，依然会以心跳响应的方式通知其他成员，因此我就不再赘述了，还是直接用一张图来说明。
场景三：组成员崩溃离组
崩溃离组是指消费者实例出现严重故障，突然宕机导致的离组。它和主动离组是有区别的，因为后者是主动发起的离组，协调者能马上感知并处理。但崩溃离组是被动的，协调者通常需要等待一段时间才能感知到，这段时间一般是由消费者端参数 session.timeout.ms 控制的。也就是说，Kafka 一般不会超过 session.timeout.ms 就能感知到这个崩溃。当然，后面处理崩溃离组的流程与之前是一样的，我们来看看下面这张图。
场景四：重平衡时协调者对组内成员提交位移的处理
正常情况下，每个组内成员都会定期汇报位移给协调者。当重平衡开启时，协调者会给予成员一段缓冲时间，要求每个成员必须在这段时间内快速地上报自己的位移信息，然后再开启正常的 JoinGroup/SyncGroup 请求发送。
3.5 缺陷
- Rebalance 过程对 Consumer Group 消费过程有极大的影响。如果你了解 JVM 的垃圾回收机制，你一定听过万物静止的收集方式，即著名的 stop the world，简称 STW。在 STW 期间，所有应用线程都会停止工作，表现为整个应用程序僵在那边一动不动。Rebalance 过程也和这个类似，在 Rebalance 过程中，所有 Consumer 实例都会停止消费，等待 Rebalance 完成。
- 目前 Rebalance 的设计是所有 Consumer 实例共同参与，全部重新分配所有分区。其实更高效的做法是尽量减少分配方案的变动。例如实例 A 之前负责消费分区 1、2、3，那么 Rebalance 之后，如果可能的话，最好还是让实例 A 继续消费分区 1、2、3，而不是被重新分配其他的分区。这样的话，实例 A 连接这些分区所在 Broker 的 TCP 连接就可以继续用，不用重新创建连接其他 Broker 的 Socket 资源。
- Rebalance 实在是太慢了,目前社区对此无能为力，至少现在还没有特别好的解决方案。所谓“本事大不如不摊上”，也许最好的解决方案就是避免 Rebalance 的发生吧。
3.6 如何避免重平衡？
要避免 Rebalance，还是要从 Rebalance 发生的时机入手。我们在前面说过，Rebalance 发生的时机有三个：
- 组成员数量发生变化
- 订阅主题数量发生变化
- 订阅主题的分区数发生变化
后面两个通常都是运维的主动操作，所以它们引发的 Rebalance 大都是不可避免的。接下来，我们主要说说因为组成员数量变化而引发的 Rebalance 该如何避免。如果 Consumer Group 下的 Consumer 实例数量发生变化，就一定会引发 Rebalance。这是 Rebalance 发生的最常见的原因。我碰到的 99% 的 Rebalance，都是这个原因导致的。
3.6.1 组成员增多
Consumer 实例增加的情况很好理解，当我们启动一个配置有相同 group.id 值的 Consumer 程序时，实际上就向这个 Group 添加了一个新的 Consumer 实例。此时，Coordinator 会接纳这个新实例，将其加入到组中，并重新分配分区。通常来说，增加 Consumer 实例的操作都是计划内的，可能是出于增加 TPS 或提高伸缩性的需要。
3.6.2 组成员减少
Coordinator 会在什么情况下认为某个 Consumer 实例已挂从而要退组呢？这个绝对是需要好好讨论的话题，我们来详细说说。
当 Consumer Group 完成 Rebalance 之后，每个 Consumer 实例都会定期地向 Coordinator 发送心跳请求，表明它还存活着。如果某个 Consumer 实例不能及时地发送这些心跳请求，Coordinator 就会认为该 Consumer 已经“死”了，从而将其从 Group 中移除，然后开启新一轮 Rebalance。Consumer 端有个参数，叫 session.timeout.ms，就是被用来表征此事的。该参数的默认值是 10 秒，即如果 Coordinator 在 10 秒之内没有收到 Group 下某 Consumer 实例的心跳，它就会认为这个 Consumer 实例已经挂了。可以这么说，session.timeout.ms 决定了 Consumer 存活性的时间间隔。
除了这个参数，Consumer 还提供了一个允许你控制发送心跳请求频率的参数，就是 heartbeat.interval.ms。这个值设置得越小，Consumer 实例发送心跳请求的频率就越高。频繁地发送心跳请求会额外消耗带宽资源，但好处是能够更加快速地知晓当前是否开启 Rebalance，因为，目前 Coordinator 通知各个 Consumer 实例开启 Rebalance 的方法，就是将 REBALANCE_NEEDED 标志封装进心跳请求的响应体中。
除了以上两个参数，Consumer 端还有一个参数，用于控制 Consumer 实际消费能力对 Rebalance 的影响，即 max.poll.interval.ms 参数。它限定了 Consumer 端应用程序两次调用 poll 方法的最大时间间隔。它的默认值是 5 分钟，表示你的 Consumer 程序如果在 5 分钟之内无法消费完 poll 方法返回的消息，那么 Consumer 会主动发起“离开组”的请求，Coordinator 也会开启新一轮 Rebalance。
