1. 概述

Apache Kafka最早是由LinkedIn開源出來的分布式消息系統(tǒng)，現(xiàn)在是Apache旗下的一個子項目，并且已經(jīng)成為開源領域應用最廣泛的消息系統(tǒng)之一。Kafka社區(qū)非?；钴S,從0.9版本開始，Kafka的標語已經(jīng)從“一個高吞吐量，分布式的消息系統(tǒng)”改為'一個分布式流平臺'。

Kafka和傳統(tǒng)的消息系統(tǒng)不同在于：

• kafka是一個分布式系統(tǒng)，易于向外擴展。

• 它同時為發(fā)布和訂閱提供高吞吐量

• 它支持多訂閱者，當失敗時能自動平衡消費者

• 消息的持久化

kafka和其他消息隊列的對比：

2. 入門實例

2.1 生產(chǎn)者

producer

2.2 消費者

3. Kafka架構(gòu)原理

對于kafka的架構(gòu)原理我們先提出幾個問題?

1) Kafka的topic和分區(qū)內(nèi)部是如何存儲的，有什么特點？

2) 與傳統(tǒng)的消息系統(tǒng)相比,Kafka的消費模型有什么優(yōu)點?

3) Kafka如何實現(xiàn)分布式的數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)讀取?

3.1 Kafka架構(gòu)圖

3.2 kafka名詞解釋

在一套kafka架構(gòu)中有多個Producer，多個Broker,多個Consumer，每個Producer可以對應多個Topic，每個Consumer只能對應一個ConsumerGroup。

整個Kafka架構(gòu)對應一個ZK集群，通過ZK管理集群配置，選舉Leader，以及在consumer group發(fā)生變化時進行rebalance。

3.3 Topic 和 Partition

在Kafka中的每一條消息都有一個topic。一般來說在我們應用中產(chǎn)生不同類型的數(shù)據(jù)，都可以設置不同的主題。一個主題一般會有多個消息的訂閱者，當生產(chǎn)者發(fā)布消息到某個主題時，訂閱了這個主題的消費者都可以接收到生產(chǎn)者寫入的新消息。

kafka為每個主題維護了分布式的分區(qū)(partition)日志文件，每個partition在kafka存儲層面是append log。任何發(fā)布到此partition的消息都會被追加到log文件的尾部，在分區(qū)中的每條消息都會按照時間順序分配到一個單調(diào)遞增的順序編號，也就是我們的offset,offset是一個long型的數(shù)字，我們通過這個offset可以確定一條在該partition下的唯一消息。在partition下面是保證了有序性，但是在topic下面沒有保證有序性。

在上圖中在我們的生產(chǎn)者會決定發(fā)送到哪個Partition。

1) 如果沒有Key值則進行輪詢發(fā)送。

2) 如果有Key值，對Key值進行Hash，然后對分區(qū)數(shù)量取余，保證了同一個Key值的會被路由到同一個分區(qū)，如果想隊列的強順序一致性，可以讓所有的消息都設置為同一個Key。

3.4 消費模型

消息由生產(chǎn)者發(fā)送到kafka集群后，會被消費者消費。一般來說我們的消費模型有兩種:推送模型(psuh)和拉取模型(pull)

基于推送模型的消息系統(tǒng)，由消息代理記錄消費狀態(tài)。消息代理將消息推送到消費者后，標記這條消息為已經(jīng)被消費，但是這種方式無法很好地保證消費的處理語義。比如當我們把已經(jīng)把消息發(fā)送給消費者之后，由于消費進程掛掉或者由于網(wǎng)絡原因沒有收到這條消息，如果我們在消費代理將其標記為已消費，這個消息就永久丟失了。如果我們利用生產(chǎn)者收到消息后回復這種方法，消息代理需要記錄消費狀態(tài)，這種不可取。如果采用push，消息消費的速率就完全由消費代理控制，一旦消費者發(fā)生阻塞，就會出現(xiàn)問題。

Kafka采取拉取模型(poll)，由自己控制消費速度，以及消費的進度，消費者可以按照任意的偏移量進行消費。比如消費者可以消費已經(jīng)消費過的消息進行重新處理，或者消費最近的消息等等。

3.5 網(wǎng)絡模型

3.5.1 KafkaClient --單線程Selector

單線程模式適用于并發(fā)鏈接數(shù)小，邏輯簡單，數(shù)據(jù)量小。

在kafka中，consumer和producer都是使用的上面的單線程模式。這種模式不適合kafka的服務端，在服務端中請求處理過程比較復雜，會造成線程阻塞，一旦出現(xiàn)后續(xù)請求就會無法處理，會造成大量請求超時，引起雪崩。而在服務器中應該充分利用多線程來處理執(zhí)行邏輯。

3.5.2 Kafka--server -- 多線程Selector

在kafka服務端采用的是多線程的Selector模型，Acceptor運行在一個單獨的線程中，對于讀取操作的線程池中的線程都會在selector注冊read事件，負責服務端讀取請求的邏輯。成功讀取后，將請求放入message queue共享隊列中。然后在寫線程池中，取出這個請求，對其進行邏輯處理，即使某個請求線程阻塞了，還有后續(xù)的縣城從消息隊列中獲取請求并進行處理，在寫線程中處理完邏輯處理，由于注冊了OP_WIRTE事件，所以還需要對其發(fā)送響應。

3.6 高可靠分布式存儲模型

在Kafka中保證高可靠模型的依靠的是副本機制，有了副本機制之后，就算機器宕機也不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。

3.6.1 高性能的日志存儲

kafka一個topic下面的所有消息都是以partition的方式分布式的存儲在多個節(jié)點上。同時在kafka的機器上，每個Partition其實都會對應一個日志目錄，在目錄下面會對應多個日志分段(LogSegment)。LogSegment文件由兩部分組成，分別為“.index”文件和“.log”文件，分別表示為segment索引文件和數(shù)據(jù)文件。這兩個文件的命令規(guī)則為：partition全局的第一個segment從0開始，后續(xù)每個segment文件名為上一個segment文件最后一條消息的offset值，數(shù)值大小為64位，20位數(shù)字字符長度，沒有數(shù)字用0填充，如下，假設有1000條消息，每個LogSegment大小為100，下面展現(xiàn)了900-1000的索引和Log：

由于kafka消息數(shù)據(jù)太大，如果全部建立索引，即占了空間又增加了耗時，所以kafka選擇了稀疏索引的方式，這樣的話索引可以直接進入內(nèi)存，加快偏查詢速度。

簡單介紹一下如何讀取數(shù)據(jù)，如果我們要讀取第911條數(shù)據(jù)首先第一步，找到他是屬于哪一段的，根據(jù)二分法查找到他屬于的文件，找到0000900.index和00000900.log之后，然后去index中去查找 (911-900) =11這個索引或者小于11最近的索引,在這里通過二分法我們找到了索引是[10,1367]然后我們通過這條索引的物理位置1367，開始往后找，直到找到911條數(shù)據(jù)。

上面講的是如果要找某個offset的流程，但是我們大多數(shù)時候并不需要查找某個offset,只需要按照順序讀即可，而在順序讀中，操作系統(tǒng)會對內(nèi)存和磁盤之間添加page cahe，也就是我們平常見到的預讀操作，所以我們的順序讀操作時速度很快。但是kafka有個問題，如果分區(qū)過多，那么日志分段也會很多，寫的時候由于是批量寫，其實就會變成隨機寫了，隨機I/O這個時候?qū)π阅苡绊懞艽?。所以一般來說Kafka不能有太多的partition。針對這一點，RocketMQ把所有的日志都寫在一個文件里面，就能變成順序?qū)?，通過一定優(yōu)化，讀也能接近于順序讀。

可以思考一下：1.為什么需要分區(qū)，也就是說主題只有一個分區(qū)，難道不行嗎？2.日志為什么需要分段

3.6.2 副本機制

Kafka的副本機制是多個服務端節(jié)點對其他節(jié)點的主題分區(qū)的日志進行復制。當集群中的某個節(jié)點出現(xiàn)故障，訪問故障節(jié)點的請求會被轉(zhuǎn)移到其他正常節(jié)點(這一過程通常叫Reblance),kafka每個主題的每個分區(qū)都有一個主副本以及0個或者多個副本，副本保持和主副本的數(shù)據(jù)同步，當主副本出故障時就會被替代。

在Kafka中并不是所有的副本都能被拿來替代主副本，所以在kafka的leader節(jié)點中維護著一個ISR(In sync Replicas)集合，翻譯過來也叫正在同步中集合，在這個集合中的需要滿足兩個條件：

• 節(jié)點必須和ZK保持連接

• 在同步的過程中這個副本不能落后主副本太多

另外還有個AR(Assigned Replicas)用來標識副本的全集,OSR用來表示由于落后被剔除的副本集合，所以公式如下:ISR = leader + 沒有落后太多的副本； AR = OSR+ ISR；

這里先要說下兩個名詞:HW(高水位)是consumer能夠看到的此partition的位置，LEO是每個partition的log最后一條Message的位置。HW能保證leader所在的broker失效，該消息仍然可以從新選舉的leader中獲取，不會造成消息丟失。

當producer向leader發(fā)送數(shù)據(jù)時，可以通過request.required.acks參數(shù)來設置數(shù)據(jù)可靠性的級別：

• 1（默認）：這意味著producer在ISR中的leader已成功收到的數(shù)據(jù)并得到確認后發(fā)送下一條message。如果leader宕機了，則會丟失數(shù)據(jù)。

• 0：這意味著producer無需等待來自broker的確認而繼續(xù)發(fā)送下一批消息。這種情況下數(shù)據(jù)傳輸效率最高，但是數(shù)據(jù)可靠性確是最低的。

• -1：producer需要等待ISR中的所有follower都確認接收到數(shù)據(jù)后才算一次發(fā)送完成，可靠性最高。但是這樣也不能保證數(shù)據(jù)不丟失，比如當ISR中只有l(wèi)eader時(其他節(jié)點都和zk斷開連接，或者都沒追上)，這樣就變成了acks=1的情況。

4. 高可用模型及冪等

 在分布式系統(tǒng)中一般有三種處理語義：

• at-least-once：

至少一次，有可能會有多次。如果producer收到來自ack的確認，則表示該消息已經(jīng)寫入到Kafka了，此時剛好是一次，也就是我們后面的exactly-once。但是如果producer超時或收到錯誤，并且request.required.acks配置的不是-1，則會重試發(fā)送消息，客戶端會認為該消息未寫入Kafka。如果broker在發(fā)送Ack之前失敗，但在消息成功寫入Kafka之后，這一次重試將會導致我們的消息會被寫入兩次，所以消息就不止一次地傳遞給最終consumer，如果consumer處理邏輯沒有保證冪等的話就會得到不正確的結(jié)果。

在這種語義中會出現(xiàn)亂序，也就是當?shù)谝淮蝍ck失敗準備重試的時候，但是第二消息已經(jīng)發(fā)送過去了，這個時候會出現(xiàn)單分區(qū)中亂序的現(xiàn)象,我們需要設置Prouducer的參數(shù)max.in.flight.requests.per.connection，flight.requests是Producer端用來保存發(fā)送請求且沒有響應的隊列，保證Producer端未響應的請求個數(shù)為1。

• at-most-once：

如果在ack超時或返回錯誤時producer不重試，也就是我們講request.required.acks=-1，則該消息可能最終沒有寫入kafka，所以consumer不會接收消息。

• exactly-once：

剛好一次，即使producer重試發(fā)送消息，消息也會保證最多一次地傳遞給consumer。該語義是最理想的，也是最難實現(xiàn)的。在0.10之前并不能保證exactly-once，需要使用consumer自帶的冪等性保證。0.11.0使用事務保證了

4.1 如何實現(xiàn)exactly-once

要實現(xiàn)exactly-once在Kafka 0.11.0中有兩個官方策略：

4.1.1 單Producer單Topic

每個producer在初始化的時候都會被分配一個唯一的PID，對于每個唯一的PID，Producer向指定的Topic中某個特定的Partition發(fā)送的消息都會攜帶一個從0單調(diào)遞增的sequence number。

在我們的Broker端也會維護一個維度為，每次提交一次消息的時候都會對齊進行校驗：

• 如果消息序號比Broker維護的序號大一以上，說明中間有數(shù)據(jù)尚未寫入，也即亂序，此時Broker拒絕該消息，Producer拋出InvalidSequenceNumber

• 如果消息序號小于等于Broker維護的序號，說明該消息已被保存，即為重復消息，Broker直接丟棄該消息，Producer拋出DuplicateSequenceNumber

• 如果消息序號剛好大一，就證明是合法的

上面所說的解決了兩個問題：

1) 當Prouducer發(fā)送了一條消息之后失敗，broker并沒有保存，但是第二條消息卻發(fā)送成功，造成了數(shù)據(jù)的亂序。

2) 當Producer發(fā)送了一條消息之后，broker保存成功，ack回傳失敗，producer再次投遞重復的消息。

上面所說的都是在同一個PID下面，意味著必須保證在單個Producer中的同一個seesion內(nèi)，如果Producer掛了，被分配了新的PID，這樣就無法保證了，所以Kafka中又有事務機制去保證。

4.1.2 事務

在kafka中事務的作用是：

• 實現(xiàn)exactly-once語義

• 保證操作的原子性，要么全部成功，要么全部失敗。

• 有狀態(tài)的操作的恢復

事務可以保證就算跨多個，在本次事務中的對消費隊列的操作都當成原子性，要么全部成功，要么全部失敗。并且，有狀態(tài)的應用也可以保證重啟后從斷點處繼續(xù)處理，也即事務恢復。在kafka的事務中，應用程序必須提供一個唯一的事務ID，即Transaction ID，并且宕機重啟之后，也不會發(fā)生改變，Transactin ID與PID可能一一對應。區(qū)別在于Transaction ID由用戶提供，而PID是內(nèi)部的實現(xiàn)對用戶透明。為了Producer重啟之后，舊的Producer具有相同的Transaction ID失效，每次Producer通過Transaction ID拿到PID的同時，還會獲取一個單調(diào)遞增的epoch。由于舊的Producer的epoch比新Producer的epoch小，Kafka可以很容易識別出該Producer是老的Producer并拒絕其請求。為了實現(xiàn)這一點，Kafka 0.11.0.0引入了一個服務器端的模塊，名為Transaction Coordinator，用于管理Producer發(fā)送的消息的事務性。該Transaction Coordinator維護Transaction Log，該log存于一個內(nèi)部的Topic內(nèi)。由于Topic數(shù)據(jù)具有持久性，因此事務的狀態(tài)也具有持久性。Producer并不直接讀寫Transaction Log，它與Transaction Coordinator通信，然后由Transaction Coordinator將該事務的狀態(tài)插入相應的Transaction Log。Transaction Log的設計與Offset Log用于保存Consumer的Offset類似。

最后

關于消息隊列或者Kafka的一些常見的面試題，通過上面的文章可以提煉出以下幾個比較經(jīng)典的問題，大部分問題都可以從上面總結(jié)后找到答案：

1. 為什么使用消息隊列？消息隊列的作用是什么？

2. Kafka的topic和分區(qū)內(nèi)部是如何存儲的，有什么特點？

3. 與傳統(tǒng)的消息系統(tǒng)相比，Kafka的消費模型有什么優(yōu)點?

4. Kafka如何實現(xiàn)分布式的數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)讀取?

5. kafka為什么比rocketmq支持的單機partion要少?

6. 為什么需要分區(qū)，也就是說主題只有一個分區(qū)，難道不行嗎？

7. 日志為什么需要分段？

8. kafka是依靠什么機制保持高可靠，高可用？

9. 消息隊列如何保證消息冪等？

10. 讓你自己設計個消息隊列，你會怎么設計，會考慮哪些方面？

出處：https://mp.weixin.qq.com/s/vhwUCdimvpBt5Z38pRX5xw

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