KafkaConsumer实现精确一次消费

转自 https://blog.csdn.net/qq_18581221/article/details/89766073

简介

在使用kafka时，大多数场景对于数据少量的不一致（重复或者丢失）并不关注，比如日志，因为不会影响最终的使用或者分析，但是在某些应用场景（比如业务数据），需要对任何一条消息都要做到精确一次的消费，才能保证系统的正确性，kafka并不提供准确一致的消费API，需要我们在实际使用时借用外部的一些手段来保证消费的精确性，下面我们介绍如何实现

kafka消费机制

这篇文章KafkaConsumer使用介绍、参数配置介绍了如何kafka具有两种提交offset（消费偏移量）方式，我们在Kafka简介以及安装和使用可知每个分区具备一offset记录消费位置，如果消费者一直处于正常的运行转态，那么offset将没有什么用处，因为正常消费时，consumer记录了本次消费的offset和下一次将要进行poll数据的offset起始位置，但是如果消费者发生崩溃或者有新的消费者加入消费者组，就会触发再均衡Rebalance，Rebalance之后，每个消费者将会分配到新的分区，而消费者对于新的分区应该从哪里进行起始消费，这时候提交的offset信息就起作用了，提交的offset信息包括消费者组所有分区的消费进度，这时候消费者可以根据消费进度继续消费，提交offset提交自动提交是最不具确定性的，所以要使用手动提交来控制offset

消费时出现几种异常情况

自动提交

• 重复消费：当数据已经被处理，然后自动提交offset时消费者出现故障或者有新消费者加入组导致再均衡，这时候offset提交失败，导致这批已经处理的数据的信息没有记录，后续会重复消费一次
• 丢失数据：如果业务处理时间较长一点，这时候数据处理业务还未完成，offset信息已经提交了，但是在后续处理数据过程中程序发生了崩溃，导致这批数据未正常消费，这时候offset已经提交，消费者后续将不在消费这批数据，导致这批数据将会丢失

手动提交

• 重复消费（最少一次消费语义实现）：消费数据处理业务完成后进行offset提交，可以保证数据最少一次消费，因为在提交offset的过程中可能出现提交失败的情况，导致数据重复消费

/**
 * 手动提交offset
 * 实现至少一次的消费语义 at least once
 * 当手动提交位移失败，会重复消费数据
 */
@Test
public void testCommitOffset() {
    String topic = "first-topic";
    String group = "g1";

    Properties props = new Properties();
    props.put("bootstrap.servers", "node00:9092,node03:9092");   //required
    props.put("group.id", group);   //required
    props.put("enable.auto.commit", "false"); // 关闭自动提交
    props.put("auto.commit.interval.ms", "1000");
    props.put("auto.offset.reset", "latest");     //从最早的消息开始读取
    props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");  //required
    props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); //required

    Consumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);
    consumer.subscribe(Arrays.asList(topic));       //订阅topic
    final int minBatchSize = 10;
    // 缓存
    List<ConsumerRecord<String, String>> buffer = new ArrayList<>(minBatchSize);
    try {
        while (true) {
            ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000);
            records.forEach(buffer::add);

            // 缓存满了才对数据进行处理
            if (buffer.size() >= minBatchSize) {

                // 业务逻辑--插入数据库
                // insertIntoDb(buffer);
                // 等数据插入数据库之后，再异步提交位移

                // 通过异步的方式提交位移
                consumer.commitAsync(((offsets, exception) -> {
                    if (exception == null) {
                        offsets.forEach((topicPartition, metadata) -> {
                            System.out.println(topicPartition + " -> offset=" + metadata.offset());
                        });
                    } else {
                        exception.printStackTrace();
                        // 如果出错了，同步提交位移
                        consumer.commitSync(offsets);
                    }
                }));

               
                // 如果提交位移失败了，那么重启consumer后会重复消费之前的数据，再次插入到数据库中
                // 清空缓冲区
                buffer.clear();
            }
        }
    } finally {
        consumer.close();
    }
}

• 丢失数据（最多一次消费语义实现）：在消费数据业务处理前进行offset提交，可以保证最多一次消费，在后续数据业务处理程序出现故障，将导致数据丢失

代码实现

/**
 * 实现最多一次语义
 * 在消费前提交位移，当后续业务出现异常时，可能丢失数据
 */
@Test
public void testAtMostOnce() {
    Properties props = new Properties();
    props.put("enable.auto.commit", "false");
    KafkaConsumer<String, String> kafkaConsumer = KafkaFactory.buildConsumer(props);
    kafkaConsumer.subscribe(Arrays.asList("first-topic"));
    try {

        while (true) {
            ConsumerRecords<String, String> records = kafkaConsumer.poll(500);
            // 处理业务之前就提交位移
            kafkaConsumer.commitAsync();
            // 下面是业务逻辑
            records.forEach(record -> {
                System.out.println(record.value() + ", offset=" + record.offset());
            });
        }
    } catch (Exception e) {

    } finally {
        kafkaConsumer.close();
    }

}

精确一次消费实现

从kafka的消费机制，我们可以得到是否能够精确的消费关键在消费进度信息的准确性，如果能够保证消费进度的准确性，也就保证了消费数据的准确性

• 数据有状态：可以根据数据信息进行确认数据是否重复消费，这时候可以使用手动提交的最少一次消费语义实现，即使消费的数据有重复，可以通过状态进行数据去重，以达到幂等的效果
• 存储数据容器具备幂等性：在数据存入的容器具备天然的幂等（比如ElasticSearch的put操作具备幂等性，相同的数据多次执行Put操作和一次执行Put操作的结果是一致的），这样的场景也可以使用手动提交的最少一次消费语义实现，由存储数据端来进行数据去重
• 数据无状态，并且存储容器不具备幂等：这种场景需要自行控制offset的准确性，今天文章主要说明这种场景下的处理方式，这里数据不具备状态，存储使用关系型数据库，比如MySQL

这里简单说明一下实现思路
1) 利用consumer api的seek方法可以指定offset进行消费，在启动消费者时查询数据库中记录的offset信息，如果是第一次启动，那么数据库中将没有offset信息，需要进行消费的元数据插入，然后从offset=0开始消费

2) 关系型数据库具备事务的特性，当数据入库时，同时也将offset信息更新，借用关系型数据库事务的特性保证数据入库和修改offset记录这两个操作是在同一个事务中进行

3) 使用ConsumerRebalanceListener来完成在分配分区时和Relalance时作出相应的处理逻辑

4) 要弄清楚的是，我们在消费的时候，关闭了自动提交，我们也没有通过consumer.commitAsync()手动提交我们的位移信息，而是在每次启动一个新的consumer的时候，触发rebalance时，读取数据库中的位移信息，从该位移中开始读取partition的信息（初始化的时候为0），在没有出现异常的情况下，我们的consumer会不断从producer读取信息，这个位移是最新的那个消息位移，而且会同时把这个位移更新到数据库中，但是，当出现了rebalance时，那么consumer就会从数据库中读取开始的位移。

表设计

create table kafka_info(
    topic_group_partition varchar(32) primary key, //主题+组名+分区号 这里冗余设计方便通过这个主键进行更新提升效率 
    topic_group varchar(30), //主题和组名
    partition_num tinyint,//分区号
    offsets bigint default 0 //offset信息
);

代码

/**
 * @Description: 实现Kafka的精确一次消费
 * @author: HuangYn
 * @date: 2019/10/15 21:10
 */
public class ExactlyOnceConsume {

    private final KafkaConsumer<String, String> consumer;
    private Map<TopicPartition, Long> tpOffsetMap;
    private List<ConsumerRecord> list;
    private JDBCHelper jdbcHelper = JDBCHelper.getInstance();
    private String groupId;
    private String topic;

    public ExactlyOnceConsume(Properties props, String topic, String groupId) {
        this.consumer = KafkaFactory.buildConsumer(props);
        this.list = new ArrayList<>(100);
        this.tpOffsetMap = new HashMap<>();
        this.groupId = groupId;
        this.topic = topic;
        this.consumer.subscribe(Arrays.asList(this.topic), new HandleRebalance());
    }

    public void receiveMsg() {
        try {

            while (true) {
                ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000);
                if (!records.isEmpty()) {
                    // 处理每个partition的记录
                    records.partitions().forEach(tp -> {
                        List<ConsumerRecord<String, String>> tpRecords = records.records(tp);
                        // 记录加到缓存中
                        tpRecords.forEach(record -> {
                            System.out.println("partition=" + record.partition() +
                                    ", offset= " + record.offset() +
                                    ", value=" + record.value());
                            list.add(record);
                        });
                        // 将partition对应的offset加到map中, 获取partition中最后一个元素的offset，
                        // +1 就是下一次读取的位移，就是本次需要提交的位移
                        tpOffsetMap.put(tp, tpRecords.get(tpRecords.size() - 1).offset() + 1);
                    });
                }
                // 缓存中有数据
                if (!list.isEmpty()) {
                    // 将数据插入数据库，并且将位移信息也插入数据库
                    // 因此，每次读取到数据，都要更新本consumer在数据库中的位移信息
                    boolean success = insertIntoDB(list, tpOffsetMap);
                    if (success) {
                        list.clear();
                        tpOffsetMap.clear();
                    }
                }
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            consumer.close();
        }
    }

    private boolean insertIntoDB(List<ConsumerRecord> list,
                                 Map<TopicPartition, Long> tpOffsetMap) {

        // 这里应该是在同一个事务中进行的
        // 为了方便就省略了

        try {
            // TODO 将数据入库，这里省略了

            // 将partition位移更新
            String sql = "UPDATE kafka_info SET offsets = ? WHERE topic_group_partition = ?";
            List<Object[]> params = new ArrayList<>(tpOffsetMap.size());
            tpOffsetMap.forEach((tp, offset) -> {
                Object[] param = new Object[]{offset, topic + "_" + groupId + "_" + tp.partition()};
                params.add(param);
            });
            jdbcHelper.batchExecute(sql, params);
            return true;
        } catch (Exception e) {
            // 回滚事务
        }
    }

    /**
     * rebalance触发的处理器
     */
    private class HandleRebalance implements ConsumerRebalanceListener {

        // rebalance之前触发
        @Override
        public void onPartitionsRevoked(Collection<TopicPartition> partitions) {
            //发生Rebalance时,只需要将list中数据和记录offset信息清空即可
            //这里为什么要清除数据,应为在Rebalance的时候有可能还有一批缓存数据在内存中没有进行入库，
            //并且offset信息也没有更新,如果不清除,那么下一次还会重新poll一次这些数据,将会导致数据重复
            System.out.println("==== onPartitionsRevoked ===== ");
            list.clear();
            tpOffsetMap.clear();
        }

        // rebalance后调用,consumer抓取数据之前触发
        @Override
        public void onPartitionsAssigned(Collection<TopicPartition> partitions) {
            System.out.println("== onPartitionsAssigned ==");

            List<PartitionInfo> partitionInfos = consumer.partitionsFor(topic);
            // 从数据库读取当前partition的信息
            Map<TopicPartition, Long> partitionOffsetMapFromDB = getPartitionOffsetMapFromDB(partitionInfos.size());

            // 在分配分区时指定消费位置
            for (TopicPartition partition : partitions) {
                // 指定consumer在每个partition上的消费开始位置
                // 如果在数据库中有对应partition的信息则使用，否则将默认从offset=0开始消费
                if (partitionOffsetMapFromDB.get(partition) != null) {
                    consumer.seek(partition, partitionOffsetMapFromDB.get(partition));
                } else {
                    consumer.seek(partition, 0L);
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 从数据库读取offset信息
     *
     * @param size
     * @return
     */
    private Map<TopicPartition, Long> getPartitionOffsetMapFromDB(int size) {
        Map<TopicPartition, Long> partitionOffsetMapFromDB = new HashMap<>();
        String sql = "SELECT partition_num, offsets FROM kafka_info WHERE topic_group = ?";
        jdbcHelper.executeQuery(sql, new Object[]{topic + "_" + groupId}, resultSet -> {

            int partition_num = -1;
            long offsets = -1;
            while (resultSet.next()) {
                partition_num = resultSet.getInt("partition_num");
                offsets = resultSet.getLong("offsets");
                System.out.println("partition_num=" + partition_num + ", offset=" + offsets);
                partitionOffsetMapFromDB.put(new TopicPartition(topic, partition_num), offsets);
            }

            System.out.println("partitionOffsetMapFromDB.size = " + partitionOffsetMapFromDB.size());

            //判断数据库是否存在所有的分区的信息,如果没有,则需要进行初始化
            if (partitionOffsetMapFromDB.size() < size) {
                String insert = "INSERT INTO kafka_info (topic_group_partition,topic_group,partition_num) VALUES(?,?,?)";
                List<Object[]> params = new ArrayList<>();
                for (int p_num = 0; p_num < size; p_num++) {
                    Object[] param = new Object[]{
                            topic + "_" + groupId + "_" + p_num,
                            topic + "_" + groupId,
                            p_num
                    };
                    params.add(param);
                }
                jdbcHelper.batchExecute(insert, params);
            }

        });
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return partitionOffsetMapFromDB;
    }

}

 数据库中记录