Kafka技术内幕 读书笔记之（五） 协调者——消费者加入消费组

　　消费者客户端轮询的3个步骤：发送拉取请求，客户端轮询，获取拉取结果 。 消费者在发送拉取请求之前，必须首先满足下面的两个条件。
- 确保消费者已经连接协调者， 即找到服务端中管理这个消费者的协调者节点 。
- 确保消费者已经分配到分区， 即获取到协调者节点分配给消费者的分区信息 。

　　消费者客户端除了从协调者节点获取到分区，还会发送心跳请求、提交偏移量给协调者节点 。 其中，提交偏移量主要和消息的处理有关，
协调者只是作为偏移量的存储介质。 而消费者发送心跳请求给协调者，则有可能归现各种各样的问题，如下 。
- 消费者没有及时发送心跳 ，可能是消费者发生故障。 这时协调者应该能够意识到有消费者离开了消费组，需要对消费组内的所有消费者重新分配分区 。
- 消费者发送心跳给协调者，但是服务端的协调者节点也可能出现故障。 而消费者所有依赖协调者的工作都必须首先存在协调者，
   所以消费者会等待一段时间重新连接正确的协调者节点，然后由协调者节点再次分配分区 。

消费者加入消费组
　　消费者发送“加入组请求”获取分区定义在抽象客户端协调者的ensureActiveGroup （）方法，而该方法又定义在消费者的轮询操作中 。
 即消费者每次轮询都会调用该方法，但并不是每次轮询都要发送“加入组请求” 。
 
　　消费者发送“加入组”请求会返回一个异步请求对象。 为了确保消费者只有分配到分区之后，才可执行后续的拉取分区消息操作，
消费者需要通过客户端阻塞式地轮询等待异步请求完成 。 在异步请求完成后分配的分区设置到消费者订阅状态的“分配结果”中 。

“加入组请求”相关的业务逻辑 ， 主要步骤如下 。
(1）消费者加入消费组之前，需要做一些准备工作，比如同步提交一次偏移量，执行监听器的回调 。
(2）消费者创建“加入组请求”，包括消费者的元数据作为请求的数据内容 。
(3）消费者发送“加入组请求”，采用组合模式返回一个新的异步请求对象，并定义回调处理器 。
(4）客户端通过轮询，确保组合模式返回的异步请求必须完成，这是一个阻塞的方法 。
(5）异步请求完成后，执行回调方法，将分区设置到消费者的订阅状态，并重置心跳定时任务 。

元数据与分区分配器
　　消费者客户端创建“加入组请求”，请求对象的变量有 ： 消费组名称（ groupid ）、 消费者成员编号（ memberId ）、协议类型（ protocolType ）、
元数据（ metadata ）。
　　有两种协议类型 ：消费者（ consumer ）、连接器（ connect ）。 “协议内容”和“元数据”构成协议元数据( ProtocolMetadata ）。 元数据和协议类型有关，
消费者的元数据是订阅的主题，连接器的元数据是一些配置信息。 

　　消费者的协议内容是分区分配器（ PartitionAssignor）的类名 。 目前Kafka消费者支持两种分区分配方式 ： 范围、 循环。 
分配算法的两个参数：
- subscriptions 。订阅哪些主题。
- metadata 。 消费者订阅的这些主题都有多少个分区 。
subscriptions 表示每个消费者的订阅信息，通过让每个消费者都发送向己的订阅信息给协调者，协调者就可以收集到所有消费者订阅的主题。
metadata 是集群的元数据，它记录了每个主题的相关信息，包括主题的分区数。 这样协调者就可以将对应主题的分区，分配给所有订阅这些
主题的消费者。

　　分配方法的返回值包含了每个消费者对应的分配结果，分配结果是一个“主题分区集合”，表示分配给消费者的所有主题分区 。
 消费者发送订阅信息（ subscriptions ）对象以及服务端返回分配结果( Assignment ）对象，在网络传输时都需要进行序列化 。

消费者的加入组和同步组

1 . 主消费者执行任务分配

　　在Kafka的实现中，协调者在收集完所有的消费者及其订阅信息后，并不执行具体的任务分配算法，而是交给其中一个消费者执行分区分配任务，这个消费者叫作主消费者 。 
- 协调者在选择主消费者上不需要做过多的判断，通常会选择第一个发送“加入组请求”的消费者作为主消费者。 执行分区分配的算法交给任何一个消费者都是可以完成的 。
- 不管什么类型的消费者失败， 失败的消费者会被协调者从消费组中移除 ， 并触发再平衡操作，剩余存活的每个消费者都要重新加入消费组。
- 每个消费者发送“加入组请求”后 ，协调者在收集完所有的消费者及其订阅信息后，会返回“加入组响应”给每个消费者，但这个响应结果并不是分区分配结果 。
- 每个消费者收到“加入组响应”后，都会发送“ 同步组请求”给协调者来获取分配的分区 。

　　主消费者会在完成分区的分配任务后才发送“同步组请求” 。 普通消费者会立即发送“同步组请求”，但因为主消费者还没有将分配结果返回给协调者，
普通消费者的“同步组请求”在服务端会被延迟处理。 协调者收到主消费者带有分配结果的“同步组请求” 后 ， 会将分配结果分配给每个消费者。

2. 发送“加入组请求”
 　　如果是协调者负责分区的分配工作，消费者发送完“加入组请求”后，就可以从 “加入组响应”中获取到分配给它们的分区 。 

　　但因为协调者并不执行分区分配，所以它返回的“加入组响应”没有分配结果。 协调者返回给每个消费者的“加入组响应”是不同的，
主消费者收到的是“所有消费者成员列表及其对应的订阅信息”，而普通消费者并没有这些数据，因为普通消费者并不会执行分区分配的工作 。
在回调方法中，由于消费者接收的“加入组响应”不是分配的分区，所以不能直接完成“加入组”的异步请求，而应该再次发送“同步组请求 ” 。
　　但如果“加入组响应”有错误，就不需要继续发送“同步组请求”，而应该对“加入组”的异步请求调用 raise （）方法，表示“加入组”的异步请求有异常 。
 客户端轮询完成，但异步请求没有成功， 就不会执行。onJoinCoplete （） 回调方法，消费者需要重新发送“加入组请求” 。 

3 . 发送“同步组”请求
　　普通消费者在收到“加入组响应结果”后，会立即发送“同步组请求”给协调者 。 而主消费者在收到“加入组响应结果”后，会从“加入组响应结果”
中获取执行分区分配过程中需要用到的数据，然后执行分区分配。 只有这个执行过程完成后，主消费者才会开始发送“同步组请求”给协调者 。

主消费者执行分配任务
　　消费者发送的“加入组请求”（ JoinGroupRequest ）的内容包括 ： 消费组编号、消费者成员编号 、协议类型、协议内容和元数据（ protocolMetadata ）。
 其中，协议内容是分区分配算法的名称，元数据是消费者订阅的主题列表。 “加入组响应”对象的内容包括：消费者成员编号 、 统一的消费组协议、
主消费者编号、协调者执行分区分配工作的次数、消费者成员列表 。

- 客户端发送的协议与服务端返回的 “消费组协议 ” (groupProtocol ）。虽然“加入组请求”中的“协议名称”包括了系统支持的所有协议类型（范围分配和循环分配），
  但且正执行具体的分区分配时只允许一种协议 。 协调者会负责统一所有消费者的协议，选择一个大家都支持认可的协议作为“消费组协议” 。
  协调者发送“加入组响应”给每个消费者的“消费组”协议都是一样的，虽然只有主消费者会使用这个协议来做实际的分配工作 。

- 消费者成员编号（ memberId ） 。消费者发送的“加入组请求”需要指定消费者成员编号，当消费者初次加入消费组时 这个编号是UNKNOWN_MEMBER 。
  协调者处理每个消费者发送的“加入组请求”，会为每个消费者指定唯一的消费者成员编号，并包含在“加入组响应”中运回给消费者。 后续消费者需要重新加入
  消费组时，发送“加入组请求”巾的消费者成员编号，就是协调者之前分配给它的编号 。

- 主消费者编号（ leaderId ） 。协调者选择的主消费者编号，如果消费者的成员编号和主消费者编号相等，那么这个消费者就是主消费者。
 
- 纪元编号（ generation ）。只在每个消费者每次需要重新加入组时，才会在协调者端进行更新，它表示协调者从启动至今一共发生了多少次分区分配
的工作 。 每次消费组发生再平衡操作时，协调者都会发起一次分区分配的工作 。 虽然分区分配工作是由主消费者执行的，但主消费者有可能变化，
所以要由服务端的协调者来记录这个编号 。

　　普通消费者收到“加入组响应”会调用onJoinFollower（）方法，立即发送“同步组请求”给协调者，并给返回的“同步组”异步请求链接上“加入组”的异步请求 。
 当消费者收到“同步组响应”后，会完成“同步组”的异步请求，再完成“加入组”的异步请求，这样普通消费者就可以从“加入组”的异步请求结果中获取分配给它的分区 。
 主消费者在收到“加入组响应”时会调用onJoinLeader（）方法，也会发送“同步组请求”给协调者 。 它也会给返回的“同步组”异步请求链接上“加入组”异步
请求，后续流程和普通也费者类似，分别是：收到“同步组响应”、完成“同步组”异步请求、完成“加入组”异步请求、获取“加入组”异步请求结果 。

　　消费者发送“同步组请求”（ SyncGroupRequest ）的内容包括：消费组编号、纪元编号、消费者成员编号 、 消费组的分配结果 。 其中前3个信息都
在协调者返回给消费者的“加入组响应”结果中，“消费组的分配结果”只有主消费者会传递。 主消费者在收到“加入组响应”后，并不会立即发送“同步
组请求”给协调者，而是要等到执行分区分配的工作完成后才发送“同步组请求” 。 主消费者发送的“同步组请求”带有“消费组的分配结果”（ groupAssignment ），
普通消费者发送的“同步组请求”没有分配结果，因为它并没有执行分区分配工作 。

消费者发送“加入组请求”给协调者，到获取到分区列表的过程 ， 具体步骤如下 。
(1）消费者发送“加入组请求”，得到一个“加入组”的异步请求 。
(2）消费者获得“加入组响应”结果，表示协调者已经收集到所有发送了“加入组请求”的消费者 。
(3）主消费者会执行分区分配任务，返回结果是消费组中所有消费者及其对应的分区列表 。
(4）每个消费者都会发送“同步组请求”，得到一个“同步组”的异步请求 。
(5）每个消费者获得“同步组响应”结果，表示分配给当前消费者的分区列表 。
(6）完成“同步组”的异步请求，并通过模式完成“加入组”的异步请求 。
(7）消费者获取“加入组”异步请求的结果，这个数据表示的就是分配给消费者的分区 。

加入组的准备、完成和监听器
　　消费者重新加入消费组，在分配到分区的前后，都会对消费者的拉取工作产生影响 。 消费者发送“加入组请求”之前要停止拉取消息，在收到“加入组响应”中的
分区之后要重新开始拉取消息 。 同时，为了能够让客户端应用程序感知消费者管理的分区发生变化，在加入组前后，客户端还可以设置自定义的“消费者再平衡
监听器”，以便对分区的变化做出合适的处理。
1. 准备和完成“加入组请求”
　　消费者发送“加入每请求”给协调者，最终从协调者获取到的分配结果对象（ Assignment ）表示 分配给消费者的分区列表。 消费者在加入消费组过程中调用
onJoinPrepare （）方法，这表示消费者正准备加入消费组，正在等待分配分区 。 此时拉取器应该暂停拉取消息，而只有等消费者分配到分区，并
将最新的分配结果更新到订阅状态中后，拉取器才可以开始发送拉取请求并拉取消息 。

　  执行“加入组分配到分区 ” 会阻塞主流程 ：如果“加入组”操作没有完成，后续的流程都不会执行。 可以看到 ， 消费者重新加入消费组执行的分区分配

作为后续的拉取器拉取分区消息提供了数据来源。 这两个动作通过消费者的订阅状态关联起来 ： 消费者加入组完成后，将分区设置到订阅状态中，
拉取器工作时获取订阅状态的分配结果，然后开始拉取消息 。
 
消费者在加入组的前后会对其他相关组件产生影响，并不仅仅是发送“加入组请求”，然后获取到分配的分区结果就结束了 。 比如，在加入组之前，
需要执行下面两个操作 。
(1）禁用自动提交任务，因为在加入组过程中不会拉取和消费新消息，所以没必要提交偏移量 。
(2）执行一次同步提交偏移量，这个操作是阻塞的，确保提交偏移量能够成功完成 。
在加入组之后 ，也要执行下面几个操作 。
(1）更新订阅状态的 needsFetchCommittedOffsets变量，表示需要刷新分区的提交偏移量 。
(2）更新订阅状态的分配结果，为每个分区新创建分区状态，这个对象用来记录分区的最新状态 。
(3）启动消费者的向动提交任务 。

消费者加入消费组、拉取前的准备工作、拉取消息这3个步骤都在消费者的轮询操作中完成 。 加入组之前需要先采用同步方式提交分区偏移量给协调者 。
拉取准备工作会先从协调者获取分区的提交偏移量，然后更新分区的拉取偏移量，使消费者的拉取消息工作可以正常开始 。

有下面几种事件触发再平衡操作。
- 消费者订阅的主题集合中任意一个主题的分区数量发生变化。
- 创建或删除一个主题。
- 消费组中已经存在的一个消费者成员挂掉了 。
- 一个新的消费者成员加入已经存在的消费组中 。

2. 消费者平衡监听器
　　消费者在发送“加入组请求”之前，调用。onJoinPrepare （）方法会触发“消费者再平衡监听器”的onPartitionsRevoked （） 方法，在加入消费组后调用 。
onJoinComplete （） 方法会调用监听器的onPartitionsAssigned （） 。 这两个方法的参数都是分区，前者是加入组之前分配的分区，后者是加入组之后分配
的分区，所以这两个分区参数值会不一样。

　　“消费者再平衡监听器”只适用于订阅模式的消费者API ，如果使用手动分配分区模式，监听器不会起作用 。 因为消费者如果指定消费固定的分区 就不需要
再平衡操作。 使用自定义“消费者再平衡监听器” 的典型场景是 ： 发生再平衡操作时，保存偏移量到外部存储系统中 。