kafka分析

前言：

本文是多篇相关资料的汇总和整合，汇总资料来源链接如下：

Kafka Consumer Delivery Semantics

Kafka Producer Delivery Semantics

浅谈Kafka选举机制

揭秘Kafka的高性能吞吐

kafka中zookeeper的作用

Apache Kafka：下一代分布式消息系统

Kafka 设计解析（一）：Kafka 背景及架构介绍

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目录

• 1，kafka简介
• 2， Kafka Server
  • 2.1，kafka中zookeeper的作用
  • 2.2， Broker
    • 2.2.1，Broker高性能设计
    • 2.2.2，Broker选举机制
  • 2.3，Partition
    • 2.3.1，partition机制
    • 2.3.2，ISR机制
    • 2.3.3，partition副本选举
  • 2.4，Producer
  • 2.5，Consumer
  • 2.6，Push vs. Pull
  • 2.7，Kafka delivery guarantee
    • 2.7.1，Producer delivery
    • 2.7.2 Consumer delivery

1，kafka简介

Kafka 是一种分布式的，基于发布 / 订阅的消息系统。主要设计目标如下：

1. 以时间复杂度为 O(1) 的方式提供消息持久化能力，即使对 TB 级以上数据也能保证常数时间复杂度的访问性能。
2. 高吞吐率。即使在非常廉价的商用机器上也能做到单机支持每秒 100K 条以上消息的传输。
3. 支持 Kafka Server 间的消息分区，及分布式消费，同时保证每个 Partition 内的消息顺序传输。
4. 同时支持离线数据处理和实时数据处理。
5. Scale out：支持在线水平扩展。

注：这里O(1)体现在读和写两个方面，kafka只有简单的根据offset读和append操作，所以基于queue操作的时间复杂度为O(1),而基于Btree操作的时间复杂度为O(logN)。在大量文件读写的时候，基于queue的read和append只需要一次磁盘寻址，而Btree则会涉及多次(线性读使得不用频繁定位文件偏移量，由此写入性能也得到提升)。磁盘寻址过程极大影响了读写性能。

2， Kafka Server

相关术语：

• Topic：用于划分Message的逻辑概念，一个Topic可以分布在多个Broker上。
• Partition：是Kafka中横向扩展和一切并行化的基础，每个Topic都至少被切分为1个Partition。
• Offset：消息在Partition中的编号，编号顺序不跨Partition。
• Consumer：用于从Broker中取出/消费Message。
• Producer：用于往Broker中发送/生产Message。
• Replication：Kafka支持以Partition为单位对Message进行冗余备份，每个Partition都可以配置至少1个Replication(当仅1个Replication时即仅该Partition本身)。
• Leader：每个Replication集合中的Partition都会选出一个唯一的Leader，所有的读写请求都由Leader处理。其他Replicas从Leader处把数据更新同步到本地，过程类似大家熟悉的MySQL中的Binlog同步。
• Broker：Kafka中使用Broker来接受Producer和Consumer的请求，并把Message持久化到本地磁盘。每个Cluster当中会选举出一个Broker来担任Controller，负责处理Partition的Leader选举，协调Partition迁移等工作。
• ISR(In-Sync Replica)：是Replicas的一个子集，表示目前Alive且与Leader能够“Catch-up”的Replicas集合。由于读写都是首先落到Leader上，所以一般来说通过同步机制从Leader上拉取数据的Replica都会和Leader有一些延迟(包括了延迟时间和延迟条数两个维度)，任意一个超过阈值都会把该Replica踢出ISR。每个Partition都有它自己独立的ISR。

kafka拓扑结构如下图所示：

kafka的Producer采用push模式，Consumer采用pull模式，因此其Broker更轻量级。

2.1，kafka中zookeeper的作用

​ kafka通过使用zookeeper将Producer, Consumer和Broker结合在一起，zookeeper中存储了kafka的元数据，kafka借助zookeeper实现集群的动态扩展和负载均衡。

​ Broker会在zk中注册并存储topic和partition等信息(新版本consumer默认不再保存offset到zk中)，同时客户端(Producer,Consumer)会在zk上注册相关的watcher，一旦broker发生变化, 客户端能及时感知并作出相应调整，以此保证了broker集群的动态扩展和负载均衡。Producer和Consumer通过zk来获取Broker列表以及topic和partition信息，并与相应的broker建立连接进行通信。Consumer通过监听zk中Consumer注册信息的变化触发Consumer的负载均衡。

2.2， Broker

2.2.1，Broker高性能设计

kafka没有使用内存消息队列，而是将消息持久化到硬盘，但是并没有因为使用硬盘而带来io瓶颈。因为kafka只做顺序写入(Sequence I/O)，顺序写磁盘的速度比随机写内存的速度要高，这是kafka高吞吐率的一个重要保证。

Kafka官方给出的测试数据(Raid-5，7200rpm)：

Sequence I/O: 600MB/s

Random I/O: 100KB/s

首先，Kafka重度依赖底层操作系统提供的PageCache功能。当上层有写操作时，操作系统只是将数据写入PageCache，同时标记Page属性为Dirty。当读操作发生时，先从PageCache中查找，如果发生缺页才进行磁盘调度，最终返回需要的数据。实际上PageCache是把尽可能多的空闲内存都当做了磁盘缓存来使用。同时如果有其他进程申请内存，回收PageCache的代价又很小，所以现代的OS都支持PageCache。

使用PageCache功能同时可以避免在JVM内部缓存数据，JVM为我们提供了强大的GC能力，同时也引入了一些问题不适用与Kafka的设计。

• 如果在Heap内管理缓存，JVM的GC线程会频繁扫描Heap空间，带来不必要的开销。如果Heap过大，执行一次Full GC对系统的可用性来说将是极大的挑战。
• 所有在在JVM内的对象都不免带有一个Object Overhead(object header,64位系统占用16bytes)，内存的有效空间利用率会因此降低。
• 所有的In-Process Cache在OS中都有一份同样的PageCache。所以通过将缓存只放在PageCache，可以至少让可用缓存空间翻倍。
• 如果Kafka重启，所有的In-Process Cache都会失效，而OS管理的PageCache依然可以继续使用。

PageCache还只是第一步，Kafka为了进一步的优化性能还采用了Sendfile(零拷贝)技术。在解释Sendfile之前，首先介绍一下传统的网络I/O操作流程，大体上分为以下4步。

OS 从硬盘把数据读到内核区的PageCache。

用户进程把数据从内核区Copy到用户区。

然后用户进程再把数据写入到Socket，数据流入内核区的Socket Buffer上。

OS 再把数据从Buffer中Copy到网卡的Buffer上，这样完成一次发送。

整个过程共经历两次Context Switch，四次System Call。同一份数据在内核Buffer与用户Buffer之间重复拷贝，效率低下。其中2、3两步没有必要，完全可以直接在内核区完成数据拷贝。这也正是Sendfile所解决的问题，经过Sendfile优化后，整个I/O过程就变成了下面这个样子。

通过以上的介绍不难看出，Kafka的设计初衷是尽一切努力在内存中完成数据交换，无论是对外作为一整个消息系统，或是内部同底层操作系统的交互。如果Producer和Consumer之间生产和消费进度上配合得当，完全可以实现数据交换零I/O。这也就是我为什么说Kafka使用“硬盘”并没有带来过多性能损失的原因。

Tips

Kafka官方并不建议通过Broker端的log.flush.interval.messages和log.flush.interval.ms来强制写盘，认为数据的可靠性应该通过Replica来保证，而强制Flush数据到磁盘会对整体性能产生影响。

可以通过调整/proc/sys/vm/dirty_background_ratio和/proc/sys/vm/dirty_ratio来调优性能。

脏页率超过第一个指标会启动pdflush开始Flush Dirty PageCache。

脏页率超过第二个指标会阻塞所有的写操作来进行Flush。

根据不同的业务需求可以适当的降低dirty_background_ratio和提高dirty_ratio。

2.2.2，Broker选举机制

​ broker利用zookeeper实现选举，这有些类似zookeeper分布式锁的应用，broker会尝试在zk中创建临时节点/controller，创建成功的broker就为leader，其它broker充当follower。如果leader退出集群，则其它broker会通过watcher该节点得到通知重新竞争创建临时节点/controller进行新一轮选举选出新的leader。
每一轮选举都会通过zk创建一个新的controller epoch，逐渐递增。如果broker收到旧epoch的数据就会忽略它们，通过这种机制来应对集群脑裂的情况。

2.3，Partition

2.3.1，partition机制

Partition是Kafka可以很好的横向扩展和提供高并发处理以及实现Replication的基础。

扩展性方面。首先，Kafka允许Partition在集群内的Broker之间任意移动，以此来均衡可能存在的数据倾斜问题。其次，Partition支持自定义的分区算法，例如可以将同一个Key的所有消息都路由到同一个Partition上去。 同时Leader也可以在In-Sync的Replica中迁移。由于针对某一个Partition的所有读写请求都是只由Leader来处理，所以Kafka会尽量把Leader均匀的分散到集群的各个节点上，以免造成网络流量过于集中。

并发方面。任意Partition在某一个时刻只能被一个Consumer Group内的一个Consumer消费(反过来一个Consumer则可以同时消费多个Partition)，Kafka非常简洁的Offset机制最小化了Broker和Consumer之间的交互，这使Kafka并不会像同类其他消息队列一样，随着下游Consumer数目的增加而成比例的降低性能。此外，如果多个Consumer恰巧都是消费时间序上很相近的数据，可以达到很高的PageCache命中率，因而Kafka可以非常高效的支持高并发读操作，实践中基本可以达到单机网卡上限。

不过，Partition的数量并不是越多越好，Partition的数量越多，平均到每一个Broker上的数量也就越多。考虑到Broker宕机(Network Failure, Full GC)的情况下，需要由Controller来为所有宕机的Broker上的所有Partition重新选举Leader，假设每个Partition的选举消耗10ms，如果Broker上有500个Partition，那么在进行选举的5s的时间里，对上述Partition的读写操作都会触发LeaderNotAvailableException。

再进一步，如果挂掉的Broker是整个集群的Controller，那么首先要进行的是重新任命一个Broker作为Controller。新任命的Controller要从Zookeeper上获取所有Partition的Meta信息，获取每个信息大概3-5ms，那么如果有10000个Partition这个时间就会达到30s-50s。而且不要忘记这只是重新启动一个Controller花费的时间，在这基础上还要再加上前面说的选举Leader的时间。

此外，在Broker端，对Producer和Consumer都使用了Buffer机制。其中Buffer的大小是统一配置的，数量则与Partition个数相同。如果Partition个数过多，会导致Producer和Consumer的Buffer内存占用过大。

2.3.2，ISR机制

每个分区都有一个 ISR(in-sync Replica) 列表，用于维护所有同步的、可用的副本。首领副本必然是同步副本，而对于跟随者副本来说，它需要满足以下条件才能被认为是同步副本：

• 与 Zookeeper 之间有一个活跃的会话，即必须定时向 Zookeeper 发送心跳；
• 在规定的时间内从首领副本那里低延迟地获取过消息。

如果副本不满足上面条件的话，就会被从 ISR 列表中移除，直到满足条件才会被再次加入。

最少同步副本：

ISR 机制的另外一个相关参数是 min.insync.replicas , 可以在 broker 或者主题级别进行配置，代表 ISR 列表中至少要有几个可用副本。这里假设设置为 2，那么当可用副本数量小于该值时，就认为整个分区处于不可用状态。此时客户端再向分区写入数据时候就会抛出异常 org.apache.kafka.common.errors.NotEnoughReplicasExceptoin: Messages are rejected since there are fewer in-sync replicas than required。

2.3.3，partition副本选举

在集群中副本有三种角色：

• 首领副本(leader)：也就是leader主副本，每个分区都有一个首领副本，为了保证数据一致性，所有的生产者与消费者的请求都会经过该副本来处理。
• 跟随者副本(follower)：除了首领副本外的其他所有副本都是跟随者副本，跟随者副本不处理来自客户端的任何请求，只负责从首领副本同步数据，保证与首领保持一致。如果首领副本发生崩溃，就会从follower中重新选举新leader。
• 首选首领副本：创建分区时指定的首选首领。如果不指定，则为分区的第一个副本。默认情况下(auto.leader.rebalance.enable=true) Kafka会检查首选首领是不是当前首领，如果不是并且该首选首领是同步的，那么就会触发首领选举，让首选首领成为当前首领。

不完全的首领选举:

对于副本机制，在 broker 级别有一个可选的配置参数 unclean.leader.election.enable，默认值为 fasle，代表禁止不完全的首领选举。这是针对当首领副本挂掉且 ISR 中没有其他可用副本时，是否允许某个不完全同步的副本成为首领副本，这可能会导致数据丢失或者数据不一致，在某些对数据一致性要求较高的场景 (如金融领域)，这可能无法容忍的，所以其默认值为 false，如果你能够允许部分数据不一致的话，可以配置为 true。

Tips

Partition的数量尽量提前预分配，虽然可以在后期动态增加Partition，但是会冒着可能破坏Message Key和Partition之间对应关系的风险。

Replica的数量不要过多，如果条件允许尽量把Replica集合内的Partition分别调整到不同的Rack(机架)。

尽一切努力保证每次停Broker时都可以Clean Shutdown，否则问题就不仅仅是恢复服务所需时间长，还可能出现数据损坏或其他很诡异的问题。

2.4，Producer

Kafka系统默认支持MessageSet，把多条Message自动地打成一个Group后发送出去(java客户端默认异步发送)，均摊后拉低了每次通信的RTT。而且在组织MessageSet的同时，还可以把数据重新排序，从爆发流式的随机写入优化成较为平稳的线性写入。

此外，还要着重介绍的一点是，Producer支持End-to-End的压缩。数据在本地压缩后放到网络上传输，在Broker一般不解压(除非指定要Deep-Iteration)，直至消息被Consume之后在客户端解压。

当然用户也可以选择自己在应用层上做压缩和解压的工作(毕竟Kafka目前支持的压缩算法有限，只有GZIP和Snappy)，不过这样做反而会意外的降低效率!!!! Kafka的End-to-End压缩与MessageSet配合在一起工作效果最佳，上面的做法直接割裂了两者间联系。至于道理其实很简单，压缩算法中一条基本的原理“重复的数据量越多，压缩比越高”。无关于消息体的内容，无关于消息体的数量，大多数情况下输入数据量大一些会取得更好的压缩比。

不过Kafka采用MessageSet也导致在可用性上一定程度的妥协。每次发送数据时，Producer都是send()之后就认为已经发送出去了，但其实大多数情况下消息还在内存的MessageSet当中，尚未发送到网络，这时候如果Producer挂掉，那就会出现丢数据的情况。

2.5，Consumer

Producer是线程安全的，可以多个线程共享一个producer实例，但是Consumer不是线程安全的。

KafkaConsumer.java

consumer中的方法大多会调用acquire()，该方法会检测是否是多线程调用，如果是的话直接抛出异常。

    /**
     * Acquire the light lock protecting this consumer from multi-threaded access. Instead of blocking
     * when the lock is not available, however, we just throw an exception (since multi-threaded usage is not
     * supported).
     * @throws IllegalStateException if the consumer has been closed
     * @throws ConcurrentModificationException if another thread already has the lock
     */
    private void acquire() {
        ensureNotClosed();
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
        if (threadId != currentThread.get() && !currentThread.compareAndSet(NO_CURRENT_THREAD, threadId))
            throw new ConcurrentModificationException("KafkaConsumer is not safe for multi-threaded access");
        refcount.incrementAndGet();
    }

Consumer Group

使用 Consumer high level API 时，同一 Topic 的一条消息只能被同一个 Consumer Group 内的一个 Consumer 消费，但多个 Consumer Group 可同时消费这一消息:

这是 Kafka 用来实现一个 Topic 消息的广播（发给所有的 Consumer）和单播（发给某一个 Consumer）的手段。一个 Topic 可以对应多个 Consumer Group。如果需要实现广播，只要每个 Consumer 有一个独立的 Group 就可以了。要实现单播只要所有的 Consumer 在同一个 Group 里。用 Consumer Group 还可以将 Consumer 进行自由的分组而不需要多次发送消息到不同的 Topic。

实际上，Kafka 的设计理念之一就是同时提供离线处理和实时处理。根据这一特性，可以使用 Storm 这种实时流处理系统对消息进行实时在线处理，同时使用 Hadoop 这种批处理系统进行离线处理，还可以同时将数据实时备份到另一个数据中心，只需要保证这三个操作所使用的 Consumer 属于不同的 Consumer Group 即可。下图是 Kafka 在 Linkedin 的一种简化部署示意图。

2.6，Push vs. Pull

作为一个消息系统，Kafka 遵循了传统的方式，选择由 Producer 向 broker push 消息并由 Consumer 从 broker pull 消息。一些 logging-centric system，比如 Facebook 的 Scribe 和 Cloudera 的 Flume ，采用 push 模式。事实上，push 模式和 pull 模式各有优劣。

push 模式很难适应消费速率不同的消费者，因为消息发送速率是由 broker 决定的。push 模式的目标是尽可能以最快速度传递消息，但是这样很容易造成 Consumer 来不及处理消息，典型的表现就是拒绝服务以及网络拥塞。而 pull 模式则可以根据 Consumer 的消费能力以适当的速率消费消息。

对于 Kafka 而言，pull 模式更合适。pull 模式可简化 broker 的设计，Consumer 可自主控制消费消息的速率，同时 Consumer 可以自己控制消费方式——即可批量消费也可逐条消费，同时还能选择不同的提交方式从而实现不同的传输语义。

2.7，Kafka delivery guarantee

delivery guarantee：

• At most once 消息可能会丢，但绝不会重复传输
• At least one 消息绝不会丢，但可能会重复传输
• Exactly once 每条消息肯定会被传输一次且仅传输一次，很多时候这是用户所想要的。

2.7.1，Producer delivery

当 Producer 向 broker 发送消息时，一旦这条消息被 commit，因数 replication 的存在，它就不会丢。但是如果 Producer 发送数据给 broker 后，遇到网络问题而造成通信中断，那 Producer 就无法判断该条消息是否已经 commit。虽然 Kafka 无法确定网络故障期间发生了什么，但是 Producer 可以生成一种类似于主键的东西，发生故障时幂等性的重试多次，这样就做到了 Exactly once。0.11以上版本已经实现了Exactly Once语义。目前默认情况下一条消息从 Producer 到 broker 是确保了 At least once，可通过设置 Producer 异步发送实现 At most once。新版本中可以通过kafka.producer.acks属性控制：

Server完成 producer request 前的确认模式:
acks=0时，producer不会等待确认，直接添加到socket等待发送；
acks=1时，等待leader写到local log就行；
acks=all或acks=-1时，等待ISR中所有副本确认（注意：确认都是 broker 接收到消息放入内存就直接返回确认，不是需要等待数据写入磁盘后才返回确认，这也是kafka快的原因）。

2.7.2 Consumer delivery

接下来讨论的是消息从 broker 到 Consumer 的 delivery guarantee 语义。（仅针对 Kafka consumer high level API）。Consumer 在从 broker 读取消息后，可以选择 commit，该操作会在 Zookeeper 中保存该 Consumer 在该 Partition 中读取的消息的 offset。该 Consumer 下一次再读该 Partition 时会从下一条开始读取。如未 commit，下一次读取的开始位置会跟上一次 commit 之后的开始位置相同。当然可以将 Consumer 设置为 autocommit，即 Consumer 一旦读到数据立即自动 commit。如果只讨论这一读取消息的过程，那 Kafka 是确保了 Exactly once。但实际使用中应用程序并非在 Consumer 读取完数据就结束了，而是要进行进一步处理，而数据处理与 commit 的顺序在很大程度上决定了消息从 broker 和 consumer 的 delivery guarantee semantic。

• 读完消息先 commit 再处理消息。这种模式下，如果 Consumer 在 commit 后还没来得及处理消息就 crash 了，下次重新开始工作后就无法读到刚刚已提交而未处理的消息，这就对应于 At most once

• 读完消息先处理再 commit。这种模式下，如果在处理完消息之后 commit 之前 Consumer crash 了，下次重新开始工作时还会处理刚刚未 commit 的消息，实际上该消息已经被处理过了。这就对应于 At least once。在很多使用场景下，消息都有一个主键，所以消息的处理往往具有幂等性，即多次处理这一条消息跟只处理一次是等效的，那就可以认为是 Exactly once。（笔者认为这种说法比较牵强，毕竟它不是 Kafka 本身提供的机制，主键本身也并不能完全保证操作的幂等性。而且实际上我们说 delivery guarantee 语义是讨论被处理多少次，而非处理结果怎样，因为处理方式多种多样，我们不应该把处理过程的特性——如是否幂等性，当成 Kafka 本身的 Feature）

• 如果一定要做到 Exactly once，就需要协调 offset 和实际操作的输出。经典的做法是引入两阶段提交。如果能让 offset 和操作输入存在同一个地方，会更简洁和通用。这种方式可能更好，因为许多输出系统可能不支持两阶段提交。比如，Consumer 拿到数据后可能把数据放到 HDFS，如果把最新的 offset 和数据本身一起写到 HDFS，那就可以保证数据的输出和 offset 的更新要么都完成，要么都不完成，间接实现 Exactly once。（目前就 high level API 而言，offset 是存于 Zookeeper 中的，无法存于 HDFS，而 low level API 的 offset 是由自己去维护的，可以将之存于 HDFS 中）

总之，Kafka 默认保证 At least once，并且允许通过设置 Producer 异步提交来实现 At most once。而 Exactly once 要求与外部存储系统协作，幸运的是 Kafka 提供的 offset 可以非常直接非常容易得使用这种方式。