這篇文章主要講解了“Kafka的原理以及分區(qū)分配策略”，文中的講解內(nèi)容簡單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學(xué)習(xí)“Kafka的原理以及分區(qū)分配策略”吧！

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一、簡介

 Apache Kafka 是一個(gè)分布式的流處理平臺（分布式的基于發(fā)布/訂閱模式的消息隊(duì)列【Message Queue】）。

流處理平臺有以下3個(gè)特性：

• 可以讓你發(fā)布和訂閱流式的記錄。這一方面與消息隊(duì)列或者企業(yè)消息系統(tǒng)類似。

• 可以儲存流式的記錄，并且有較好的容錯(cuò)性。

• 可以在流式記錄產(chǎn)生時(shí)就進(jìn)行處理。

1.1 消息隊(duì)列的兩種模式

1.1.1 點(diǎn)對點(diǎn)模式

生產(chǎn)者將消息發(fā)送到queue中，然后消費(fèi)者從queue中取出并且消費(fèi)消息。消息被消費(fèi)以后，queue中不再存儲，所以消費(fèi)者不可能消費(fèi)到已經(jīng)被消費(fèi)的消息。Queue支持存在多個(gè)消費(fèi)者，但是對一個(gè)消息而言，只能被一個(gè)消費(fèi)者消費(fèi)。

1.1.2 發(fā)布/訂閱模式

生產(chǎn)者將消息發(fā)布到topic中，同時(shí)可以有多個(gè)消費(fèi)者訂閱該消息。和點(diǎn)對點(diǎn)方式不同，發(fā)布到topic的消息會被所有訂閱者消費(fèi)。

1.2 Kafka 適合什么樣的場景

它可以用于兩大類別的應(yīng)用：

• 構(gòu)造實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)管道，它可以在系統(tǒng)或應(yīng)用之間可靠地獲取數(shù)據(jù)。(相當(dāng)于message queue)。

• 構(gòu)建實(shí)時(shí)流式應(yīng)用程序，對這些流數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換或者影響。(就是流處理，通過kafka stream topic和topic之間內(nèi)部進(jìn)行變化)。

為了理解Kafka是如何做到以上所說的功能，從下面開始，我們將深入探索Kafka的特性。

首先是一些概念：

• Kafka作為一個(gè)集群，運(yùn)行在一臺或者多臺服務(wù)器上。

• Kafka 通過 topic 對存儲的流數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

• 每條記錄中包含一個(gè)key，一個(gè)value和一個(gè)timestamp（時(shí)間戳）。

1.3 主題和分區(qū)

Kafka的消息通過主題（Topic）進(jìn)行分類，就好比是數(shù)據(jù)庫的表，或者是文件系統(tǒng)里的文件夾。主題可以被分為若干個(gè)分區(qū)（Partition），一個(gè)分區(qū)就是一個(gè)提交日志。消息以追加的方式寫入分區(qū)，然后以先進(jìn)先出的順序讀取。注意，由于一個(gè)主題一般包含幾個(gè)分區(qū)，因此無法在整個(gè)主題范圍內(nèi)保證消息的順序，但可以保證消息在單個(gè)分區(qū)內(nèi)的順序。主題是邏輯上的概念，在物理上，一個(gè)主題是橫跨多個(gè)服務(wù)器的。

Kafka 集群保留所有發(fā)布的記錄（無論他們是否已被消費(fèi)），并通過一個(gè)可配置的參數(shù)——保留期限來控制（可以同時(shí)配置時(shí)間和消息大小，以較小的那個(gè)為準(zhǔn)）。舉個(gè)例子， 如果保留策略設(shè)置為2天，一條記錄發(fā)布后兩天內(nèi)，可以隨時(shí)被消費(fèi)，兩天過后這條記錄會被拋棄并釋放磁盤空間。

有時(shí)候我們需要增加分區(qū)的數(shù)量，比如為了擴(kuò)展主題的容量、降低單個(gè)分區(qū)的吞吐量或者要在單個(gè)消費(fèi)者組內(nèi)運(yùn)行更多的消費(fèi)者（因?yàn)橐粋€(gè)分區(qū)只能由消費(fèi)者組里的一個(gè)消費(fèi)者讀?。?。從消費(fèi)者的角度來看，基于鍵的主題添加分區(qū)是很困難的，因?yàn)榉謪^(qū)數(shù)量改變，鍵到分區(qū)的映射也會變化，所以對于基于鍵的主題來說，建議在一開始就設(shè)置好分區(qū)，避免以后對其進(jìn)行調(diào)整。

（注意：不能減少分區(qū)的數(shù)量，因?yàn)槿绻麆h除了分區(qū)，分區(qū)里面的數(shù)據(jù)也一并刪除了，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。如果一定要減少分區(qū)的數(shù)量，只能刪除topic重建）

1.4 生產(chǎn)者和消費(fèi)者

生產(chǎn)者（發(fā)布者）創(chuàng)建消息，一般情況下，一個(gè)消息會被發(fā)布到一個(gè)特定的主題上。生產(chǎn)者在默認(rèn)情況下把消息均衡的分布到主題的所有分區(qū)上，而并不關(guān)心特定消息會被寫入哪個(gè)分區(qū)。不過，生產(chǎn)者也可以把消息直接寫到指定的分區(qū)。這通常通過消息鍵和分區(qū)器來實(shí)現(xiàn)，分區(qū)器為鍵生成一個(gè)散列值，并將其映射到指定的分區(qū)上。生產(chǎn)者也可以自定義分區(qū)器，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)規(guī)則將消息映射到分區(qū)。

消費(fèi)者（訂閱者）讀取消息，消費(fèi)者可以訂閱一個(gè)或者多個(gè)主題，并按照消息生成的順序讀取它們。消費(fèi)者通過檢查消息的偏移量來區(qū)分已經(jīng)讀取過的消息。偏移量是一種元數(shù)據(jù)，它是一個(gè)不斷遞增的整數(shù)值，在創(chuàng)建消息時(shí)，kafka會把它添加到消息里。在給定的分區(qū)里，每個(gè)消息的偏移量都是唯一的。消費(fèi)者把每個(gè)分區(qū)最后讀取的消息偏移量保存在zookeeper或者kafka上，如果消費(fèi)者關(guān)閉或者重啟，它的讀取狀態(tài)不會丟失。

消費(fèi)者是消費(fèi)者組的一部分，也就是說，會有一個(gè)或者多個(gè)消費(fèi)共同讀取一個(gè)主題。消費(fèi)者組保證每個(gè)分區(qū)只能被同一個(gè)組內(nèi)的一個(gè)消費(fèi)者使用。如果一個(gè)消費(fèi)者失效，群組里的其他消費(fèi)者可以接管失效消費(fèi)者的工作。

1.5 broker和集群

broker：一個(gè)獨(dú)立的kafka服務(wù)器被稱為broker。broker接收來自生產(chǎn)者的消息，為消息設(shè)置偏移量，并提交消息到磁盤保存。broker為消費(fèi)者提供服務(wù)，對讀取分區(qū)的請求作出相應(yīng)，返回已經(jīng)提交到磁盤上的消息。

集群：交給同一個(gè)zookeeper集群來管理的broker節(jié)點(diǎn)就組成了kafka的集群。

broker是集群的組成部分，每個(gè)集群都有一個(gè)broker同時(shí)充當(dāng)集群控制器的角色?？刂破髫?fù)責(zé)管理工作，包括將分區(qū)分配給broker和監(jiān)控broker。在broker中，一個(gè)分區(qū)從屬于一個(gè)broker，該broker被稱為分區(qū)的首領(lǐng)。一個(gè)分區(qū)可以分配給多個(gè)broker（Topic設(shè)置了多個(gè)副本的時(shí)候），這時(shí)會發(fā)生分區(qū)復(fù)制。如下圖：

broker如何處理請求：broker會在它所監(jiān)聽的每個(gè)端口上運(yùn)行一個(gè)Acceptor線程，這個(gè)線程會創(chuàng)建一個(gè)連接并把它交給Processor線程去處理。Processor線程（也叫網(wǎng)絡(luò)線程）的數(shù)量是可配的，Processor線程負(fù)責(zé)從客戶端獲取請求信息，把它們放進(jìn)請求隊(duì)列，然后從響應(yīng)隊(duì)列獲取響應(yīng)信息，并發(fā)送給客戶端。如下圖所示：

生產(chǎn)請求和獲取請求都必須發(fā)送給分區(qū)的首領(lǐng)副本（分區(qū)Leader）。如果broker收到一個(gè)針對特定分區(qū)的請求，而該分區(qū)的首領(lǐng)在另外一個(gè)broker上，那么發(fā)送請求的客戶端會收到一個(gè)“非分區(qū)首領(lǐng)”的錯(cuò)誤響應(yīng)。Kafka客戶端要自己負(fù)責(zé)把生產(chǎn)請求和獲取請求發(fā)送到正確的broker上。

客戶端如何知道該往哪里發(fā)送請求呢？客戶端使用了另外一種請求類型——元數(shù)據(jù)請求。這種請求包含了客戶端感興趣的主題列表，服務(wù)器的響應(yīng)消息里指明了這些主題所包含的分區(qū)、每個(gè)分區(qū)都有哪些副本，以及哪個(gè)副本是首領(lǐng)。元數(shù)據(jù)請求可以發(fā)給任意一個(gè)broker，因?yàn)樗械腷roker都緩存了這些信息?？蛻舳司彺孢@些元數(shù)據(jù)，并且會定時(shí)從broker請求刷新這些信息。此外如果客戶端收到“非首領(lǐng)”錯(cuò)誤，它會在嘗試重新發(fā)送請求之前，先刷新元數(shù)據(jù)。

1.6 Kafka 基礎(chǔ)架構(gòu)

 二、Kafka架構(gòu)深入

2.1 Kafka工作流程及文件存儲機(jī)制

2.1.1 工作流程

Kafka中消息是以topic進(jìn)行分類的，生產(chǎn)者生產(chǎn)消息，消費(fèi)者消費(fèi)消息，都是面向topic的。

Topic是邏輯上的概念，而partition（分區(qū)）是物理上的概念，每個(gè)partition對應(yīng)于一個(gè)log文件，該log文件中存儲的就是producer生產(chǎn)的數(shù)據(jù)。Producer生產(chǎn)的數(shù)據(jù)會被不斷追加到該log文件末端，且每條數(shù)據(jù)都有自己的offset。消費(fèi)者組中的每個(gè)消費(fèi)者，都會實(shí)時(shí)記錄自己消費(fèi)到哪個(gè)offset，以便出錯(cuò)恢復(fù)時(shí)，從上次的位置繼續(xù)消費(fèi)。

2.1.2 文件存儲機(jī)制

由于生產(chǎn)者生產(chǎn)的消息會不斷追加到log文件末尾，為防止log文件過大導(dǎo)致數(shù)據(jù)定位效率低下，Kafka采取了分片和索引的機(jī)制，將每個(gè)partition分為多個(gè)segment。（由log.segment.bytes決定，控制每個(gè)segment的大小，也可通過log.segment.ms控制，指定多長時(shí)間后日志片段會被關(guān)閉）每個(gè)segment對應(yīng)兩個(gè)文件——“.index”文件和“.log”文件。這些文件位于一個(gè)文件夾下，該文件夾的命名規(guī)則為：topic名稱+分區(qū)序號。例如：bing這個(gè)topic有3個(gè)分區(qū)，則其對應(yīng)的文件夾為：bing-0、bing-1和bing-2。

 索引文件和日志文件命名規(guī)則：每個(gè) LogSegment 都有一個(gè)基準(zhǔn)偏移量，用來表示當(dāng)前 LogSegment 中第一條消息的 offset。偏移量是一個(gè) 64位的長整形數(shù)，固定是20位數(shù)字，長度未達(dá)到，用 0 進(jìn)行填補(bǔ)。如下圖所示：

index和log文件以當(dāng)前segment的第一條消息的offset命名。index文件記錄的是數(shù)據(jù)文件的offset和對應(yīng)的物理位置，正是有了這個(gè)index文件，才能對任一數(shù)據(jù)寫入和查看擁有O(1)的復(fù)雜度，index文件的粒度可以通過參數(shù)log.index.interval.bytes來控制，默認(rèn)是是每過4096字節(jié)記錄一條index。下圖為index文件和log文件的結(jié)構(gòu)示意圖：

查找message的流程（比如要查找offset為170417的message）：

1. 首先用二分查找確定它是在哪個(gè)Segment文件中，其中0000000000000000000.index為最開始的文件，第二個(gè)文件為0000000000000170410.index（起始偏移為170410+1 = 170411），而第三個(gè)文件為0000000000000239430.index（起始偏移為239430+1 = 239431）。所以這個(gè)offset = 170417就落在第二個(gè)文件中。其他后續(xù)文件可以依此類推，以起始偏移量命名并排列這些文件，然后根據(jù)二分查找法就可以快速定位到具體文件位置。

2. 用該offset減去索引文件的編號，即170417 - 170410 = 7，也用二分查找法找到索引文件中等于或者小于7的最大的那個(gè)編號?？梢钥闯鑫覀兡軌蛘业絒4，476]這組數(shù)據(jù)，476即offset=170410 + 4 = 170414的消息在log文件中的偏移量。

3. 打開數(shù)據(jù)文件（0000000000000170410.log），從位置為476的那個(gè)地方開始順序掃描直到找到offset為170417的那條Message。

2.1.3 數(shù)據(jù)過期機(jī)制

當(dāng)日志片段大小達(dá)到log.segment.bytes指定的上限（默認(rèn)是1GB）或者日志片段打開時(shí)長達(dá)到log.segment.ms時(shí)，當(dāng)前日志片段就會被關(guān)閉，一個(gè)新的日志片段被打開。如果一個(gè)日志片段被關(guān)閉，就開始等待過期。當(dāng)前正在寫入的片段叫做活躍片段，活躍片段永遠(yuǎn)不會被刪除，所以如果你要保留數(shù)據(jù)1天，但是片段包含5天的數(shù)據(jù)，那么這些數(shù)據(jù)就會被保留5天，因?yàn)槠伪魂P(guān)閉之前，這些數(shù)據(jù)無法被刪除。

2.2 Kafka生產(chǎn)者

2.2.1 分區(qū)策略

1. 多Partition分布式存儲，利于集群數(shù)據(jù)的均衡。

2. 并發(fā)讀寫，加快讀寫速度。

3. 加快數(shù)據(jù)恢復(fù)的速率：當(dāng)某臺機(jī)器掛了，每個(gè)Topic僅需恢復(fù)一部分的數(shù)據(jù)，多機(jī)器并發(fā)。

分區(qū)的原則

1. 指明partition的情況下，使用指定的partition；

2. 沒有指明partition，但是有key的情況下，將key的hash值與topic的partition數(shù)進(jìn)行取余得到partition值；

3. 既沒有指定partition，也沒有key的情況下，第一次調(diào)用時(shí)隨機(jī)生成一個(gè)整數(shù)（后面每次調(diào)用在這個(gè)整數(shù)上自增），將這個(gè)值與topic可用的partition數(shù)取余得到partition值，也就是常說的round-robin算法。

public int partition(String topic, Object key, byte[] keyBytes, Object value, byte[] valueBytes, Cluster cluster) {
    List partitions = cluster.partitionsForTopic(topic);
    int numPartitions = partitions.size();
    if (keyBytes == null) {
        //key為空時(shí)，獲取一個(gè)自增的計(jì)數(shù)，然后對分區(qū)做取模得到分區(qū)編號
        int nextValue = nextValue(topic);
        List availablePartitions = cluster.availablePartitionsForTopic(topic);
        if (availablePartitions.size() > 0) {
            int part = Utils.toPositive(nextValue) % availablePartitions.size();
            return availablePartitions.get(part).partition();
        } else {
            // no partitions are available, give a non-available partition
            return Utils.toPositive(nextValue) % numPartitions;
        }
    } else {
        // hash the keyBytes to choose a partition
        // key不為空時(shí)，通過key的hash對分區(qū)取模（疑問：為什么這里不像上面那樣，使用availablePartitions呢？）
        // 根據(jù)《Kafka權(quán)威指南》Page45理解：為了保證相同的鍵，總是能路由到固定的分區(qū)，如果使用可用分區(qū)，那么因?yàn)榉謪^(qū)數(shù)變化，會導(dǎo)致相同的key，路由到不同分區(qū)
        // 所以如果要使用key來映射分區(qū)，最好在創(chuàng)建主題的時(shí)候就把分區(qū)規(guī)劃好
        return Utils.toPositive(Utils.murmur2(keyBytes)) % numPartitions;
    }
}
 
private int nextValue(String topic) {
    //為每個(gè)topic維護(hù)了一個(gè)AtomicInteger對象，每次獲取時(shí)+1
    AtomicInteger counter = topicCounterMap.get(topic);
    if (null == counter) {
        counter = new AtomicInteger(ThreadLocalRandom.current().nextInt());
        AtomicInteger currentCounter = topicCounterMap.putIfAbsent(topic, counter);
        if (currentCounter != null) {
            counter = currentCounter;
        }
    }
    return counter.getAndIncrement();
}

2.2.2 數(shù)據(jù)可靠性保證

kafka提供了哪些方面的保證

• kafka可以保證分區(qū)消息的順序。如果使用同一個(gè)生產(chǎn)者往同一個(gè)分區(qū)寫入消息，而且消息B在消息A之后寫入，那么kafka可以保證消息B的偏移量比消息A的偏移量大，而且消費(fèi)者會先讀取到消息A再讀取消息B。

• 只有當(dāng)消息被寫入分區(qū)的所有副本時(shí)，它才被認(rèn)為是“已提交”的。生產(chǎn)者可以選擇接收不同類型的確認(rèn)，比如在消息被完全提交時(shí)的確認(rèn)、在消息被寫入分區(qū)首領(lǐng)時(shí)的確認(rèn)，或者在消息被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)時(shí)的確認(rèn)。

• 只要還有一個(gè)副本是活躍的，那么已經(jīng)提交的信息就不會丟失。

• 消費(fèi)者只能讀取到已經(jīng)提交的消息。

復(fù)制

Kafka的復(fù)制機(jī)制和分區(qū)的多副本架構(gòu)是kafka可靠性保證的核心。把消息寫入多個(gè)副本可以使kafka在發(fā)生奔潰時(shí)仍能保證消息的持久性。

kafka的topic被分成多個(gè)分區(qū)，分區(qū)是基本的數(shù)據(jù)塊。每個(gè)分區(qū)可以有多個(gè)副本，其中一個(gè)是首領(lǐng)。所有事件都是發(fā)給首領(lǐng)副本，或者直接從首領(lǐng)副本讀取事件。其他副本只需要與首領(lǐng)副本保持同步，并及時(shí)復(fù)制最新的事件。

Leader維護(hù)了一個(gè)動態(tài)的in-sync replica set（ISR），意為和leader保持同步的follower集合。當(dāng)ISR中的follower完成數(shù)據(jù)同步后，leader就會發(fā)送ack。如果follower長時(shí)間未向leader同步數(shù)據(jù)，則該follower將被踢出ISR，該時(shí)間閾值由replica.lag.time.max.ms參數(shù)設(shè)定。Leader不可用時(shí)，將會從ISR中選舉新的leader。滿足以下條件才能被認(rèn)為是同步的：

• 與zookeeper之間有一個(gè)活躍的會話，也就是說，它在過去的6s（可配置）內(nèi)向zookeeper發(fā)送過心跳。

• 在過去的10s（可配置）內(nèi)從首領(lǐng)那里獲取過最新的數(shù)據(jù)。

影響Kafka消息存儲可靠性的配置

ack應(yīng)答機(jī)制

對于某些不太重要的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的可靠性要求不是很高，能夠容忍數(shù)據(jù)的少量丟失，所以沒有必要等ISR中的follower全部接收成功。所以Kafka提供了三種可靠性級別，用戶可以根據(jù)對可靠性和延遲的要求進(jìn)行權(quán)衡。acks：

•  0： producer不等待broker的ack，這一操作提供了一個(gè)最低的延遲，broker一接收到還沒寫入磁盤就已經(jīng)返回，當(dāng)broker故障時(shí)可能丟失數(shù)據(jù)；

•  1： producer等待leader的ack，partition的leader落盤成功后返回ack，如果在follower同步成功之前l(fā)eader故障，那么將會丟失數(shù)據(jù)；

•  -1（all）：producer等待broker的ack，partition的leader和ISR里的follower全部落盤成功后才返回ack。但是如果在follower同步完成后，broker發(fā)送ack之前，leader發(fā)生故障，那么會造成重復(fù)數(shù)據(jù)。（極端情況下也有可能丟數(shù)據(jù)：ISR中只有一個(gè)Leader時(shí)，相當(dāng)于1的情況）。

消費(fèi)一致性保證

（1）follower故障

 follower發(fā)生故障后會被臨時(shí)踢出ISR，待該follower恢復(fù)后，follower會讀取本地磁盤記錄的上次的HW，并將log文件高于HW的部分截取掉，從HW開始向leader進(jìn)行同步。

等該follower的LEO大于等于該P(yáng)artition的HW，即follower追上leader之后，就可以重新加入ISR了。

（2）leader故障

 leader發(fā)生故障后，會從ISR中選出一個(gè)新的leader，之后為了保證多個(gè)副本之間的數(shù)據(jù)一致性，其余的follower會先將各自的log文件高于HW的部分截掉，然后從新的leader同步數(shù)據(jù)。

 注意：這只能保證副本之間的數(shù)據(jù)一致性，并不能保證數(shù)據(jù)不丟失或者不重復(fù)。

2.2.3 消息發(fā)送流程

Kafka 的producer 發(fā)送消息采用的是異步發(fā)送的方式。在消息發(fā)送過程中，涉及到了兩個(gè)線程——main線程和sender線程，以及一個(gè)線程共享變量——RecordAccumulator。main線程將消息發(fā)送給RecordAccumulator，sender線程不斷從RecordAccumulator中拉取消息發(fā)送到Kafka broker。

為了提高效率，消息被分批次寫入kafka。批次就是一組消息，這些消息屬于同一個(gè)主題和分區(qū)。（如果每一個(gè)消息都單獨(dú)穿行于網(wǎng)絡(luò)，會導(dǎo)致大量的網(wǎng)絡(luò)開銷，把消息分成批次傳輸可以減少網(wǎng)絡(luò)開銷。不過要在時(shí)間延遲和吞吐量之間做出權(quán)衡：批次越大，單位時(shí)間內(nèi)處理的消息就越多，單個(gè)消息的傳輸時(shí)間就越長）。批次數(shù)據(jù)會被壓縮，這樣可以提升數(shù)據(jù)的傳輸和存儲能力，但要做更多的計(jì)算處理。

相關(guān)參數(shù)：

• batch.size：只有數(shù)據(jù)積累到batch.size后，sender才會發(fā)送數(shù)據(jù)。（單位：字節(jié)，注意：不是消息個(gè)數(shù)）。

• linger.ms：如果數(shù)據(jù)遲遲未達(dá)到batch.size，sender等待 linger.ms之后也會發(fā)送數(shù)據(jù)。（單位：毫秒）。

• client.id：該參數(shù)可以是任意字符串，服務(wù)器會用它來識別消息的來源，還可用用在日志和配額指標(biāo)里。

• max.in.flight.requests.per.connection：該參數(shù)指定了生產(chǎn)者在收到服務(wù)器響應(yīng)之前可以發(fā)送多少個(gè)消息。它的值越高，就會占用越多的內(nèi)存，不過也會提升吞吐量。把它設(shè)置為1可以保證消息時(shí)按發(fā)送的順序?qū)懭敕?wù)器的，即使發(fā)生了重試。

2.3 Kafka消費(fèi)者

2.3.1 消費(fèi)方式

 consumer采用pull（拉）的模式從broker中讀取數(shù)據(jù)。

 push（推）模式很難適應(yīng)消費(fèi)速率不同的消費(fèi)者，因?yàn)橄l(fā)送速率是由broker決定的。它的目標(biāo)是盡可能以最快的速度傳遞消息，但是這樣容易造成consumer來不及處理消息，典型的表現(xiàn)就是拒絕服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)擁塞。而pull模式可以根據(jù)consumer的消費(fèi)能力以適當(dāng)?shù)乃俾氏M(fèi)消息。

 pull模式的不足之處是，如果kafka沒有數(shù)據(jù)，消費(fèi)者可能會陷入循環(huán)中，一直返回空數(shù)據(jù)。針對這一點(diǎn)，kafka的消費(fèi)者在消費(fèi)數(shù)據(jù)時(shí)會傳入一個(gè)時(shí)長參數(shù)timeout，如果當(dāng)前沒有數(shù)據(jù)可消費(fèi)，consumer會等待一段時(shí)間后再返回。

2.3.2 分區(qū)分配策略

 一個(gè)consumer group中有多個(gè)consumer，一個(gè)topic有多個(gè)partition，所以必然會涉及到partition的分配問題，即確定哪個(gè)partition由哪個(gè)consumer來消費(fèi)。Kafka提供了3種消費(fèi)者分區(qū)分配策略：RangeAssigor、RoundRobinAssignor、StickyAssignor。

 PartitionAssignor接口用于用戶定義實(shí)現(xiàn)分區(qū)分配算法，以實(shí)現(xiàn)Consumer之間的分區(qū)分配。消費(fèi)組的成員訂閱它們感興趣的Topic并將這種訂閱關(guān)系傳遞給作為訂閱組協(xié)調(diào)者的Broker。協(xié)調(diào)者選擇其中的一個(gè)消費(fèi)者來執(zhí)行這個(gè)消費(fèi)組的分區(qū)分配并將分配結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給消費(fèi)組內(nèi)所有的消費(fèi)者。Kafka默認(rèn)采用RangeAssignor的分配算法。

2.3.2.1 RangeAssignor

 RangeAssignor對每個(gè)Topic進(jìn)行獨(dú)立的分區(qū)分配。對于每一個(gè)Topic，首先對分區(qū)按照分區(qū)ID進(jìn)行排序，然后訂閱這個(gè)Topic的消費(fèi)組的消費(fèi)者再進(jìn)行排序，之后盡量均衡的將分區(qū)分配給消費(fèi)者。這里只能是盡量均衡，因?yàn)榉謪^(qū)數(shù)可能無法被消費(fèi)者數(shù)量整除，那么有一些消費(fèi)者就會多分配到一些分區(qū)。分配示意圖如下：

分區(qū)分配的算法如下：

@Override
public Map> assign(Map partitionsPerTopic,
                                                Map subscriptions) {
    Map> consumersPerTopic = consumersPerTopic(subscriptions);
    Map> assignment = new HashMap<>();
    for (String memberId : subscriptions.keySet())
        assignment.put(memberId, new ArrayList());
    //for循環(huán)對訂閱的多個(gè)topic分別進(jìn)行處理
    for (Map.Entry> topicEntry : consumersPerTopic.entrySet()) {
        String topic = topicEntry.getKey();
        List consumersForTopic = topicEntry.getValue();
 
        Integer numPartitionsForTopic = partitionsPerTopic.get(topic);
        if (numPartitionsForTopic == null)
            continue;
        //對消費(fèi)者進(jìn)行排序
        Collections.sort(consumersForTopic);
        //計(jì)算平均每個(gè)消費(fèi)者分配的分區(qū)數(shù)
        int numPartitionsPerConsumer = numPartitionsForTopic / consumersForTopic.size();
        //計(jì)算平均分配后多出的分區(qū)數(shù)
        int consumersWithExtraPartition = numPartitionsForTopic % consumersForTopic.size();
 
        List partitions = AbstractPartitionAssignor.partitions(topic, numPartitionsForTopic);
        for (int i = 0, n = consumersForTopic.size(); i < n; i++) {
            //計(jì)算第i個(gè)消費(fèi)者，分配分區(qū)的起始位置
            int start = numPartitionsPerConsumer * i + Math.min(i, consumersWithExtraPartition);
            //計(jì)算第i個(gè)消費(fèi)者，分配到的分區(qū)數(shù)量
            int length = numPartitionsPerConsumer + (i + 1 > consumersWithExtraPartition ? 0 : 1);
            assignment.get(consumersForTopic.get(i)).addAll(partitions.subList(start, start + length));
        }
    }
    return assignment;
}

這種分配方式明顯的一個(gè)問題是隨著消費(fèi)者訂閱的Topic的數(shù)量的增加，不均衡的問題會越來越嚴(yán)重，比如上圖中4個(gè)分區(qū)3個(gè)消費(fèi)者的場景，C0會多分配一個(gè)分區(qū)。如果此時(shí)再訂閱一個(gè)分區(qū)數(shù)為4的Topic，那么C0又會比C1、C2多分配一個(gè)分區(qū)，這樣C0總共就比C1、C2多分配兩個(gè)分區(qū)了，而且隨著Topic的增加，這個(gè)情況會越來越嚴(yán)重。分配結(jié)果：

訂閱2個(gè)Topic，每個(gè)Topic4個(gè)分區(qū)，共3個(gè)Consumer

• C0：[T0P0，T0P1，T1P0，T1P1]

• C1：[T0P2，T1P2]

• C2：[T0P3，T1P3]

2.3.2.2 RoundRobinAssignor

RoundRobinAssignor的分配策略是將消費(fèi)組內(nèi)訂閱的所有Topic的分區(qū)及所有消費(fèi)者進(jìn)行排序后盡量均衡的分配（RangeAssignor是針對單個(gè)Topic的分區(qū)進(jìn)行排序分配的）。如果消費(fèi)組內(nèi)，消費(fèi)者訂閱的Topic列表是相同的（每個(gè)消費(fèi)者都訂閱了相同的Topic），那么分配結(jié)果是盡量均衡的（消費(fèi)者之間分配到的分區(qū)數(shù)的差值不會超過1）。如果訂閱的Topic列表是不同的，那么分配結(jié)果是不保證“盡量均衡”的，因?yàn)槟承┫M(fèi)者不參與一些Topic的分配。

以上兩個(gè)topic的情況，相比于之前RangeAssignor的分配策略，可以使分區(qū)分配的更均衡。不過考慮這種情況，假設(shè)有三個(gè)消費(fèi)者分別為C0、C1、C2，有3個(gè)Topic T0、T1、T2，分別擁有1、2、3個(gè)分區(qū)，并且C0訂閱T0，C1訂閱T0和T1，C2訂閱T0、T1、T2，那么RoundRobinAssignor的分配結(jié)果如下：

看上去分配已經(jīng)盡量的保證均衡了，不過可以發(fā)現(xiàn)C2承擔(dān)了4個(gè)分區(qū)的消費(fèi)而C1訂閱了T1，是不是把T1P1交給C1消費(fèi)能更加的均衡呢？

2.3.2.3 StickyAssignor

StickyAssignor分區(qū)分配算法，目的是在執(zhí)行一次新的分配時(shí)，能在上一次分配的結(jié)果的基礎(chǔ)上，盡量少的調(diào)整分區(qū)分配的變動，節(jié)省因分區(qū)分配變化帶來的開銷。Sticky是“粘性的”，可以理解為分配結(jié)果是帶“粘性的”——每一次分配變更相對上一次分配做最少的變動。其目標(biāo)有兩點(diǎn)：

• 分區(qū)的分配盡量的均衡。

• 每一次重分配的結(jié)果盡量與上一次分配結(jié)果保持一致。

當(dāng)這兩個(gè)目標(biāo)發(fā)生沖突時(shí)，優(yōu)先保證第一個(gè)目標(biāo)。第一個(gè)目標(biāo)是每個(gè)分配算法都盡量嘗試去完成的，而第二個(gè)目標(biāo)才真正體現(xiàn)出StickyAssignor特性的。

StickyAssignor算法比較復(fù)雜，下面舉例來說明分配的效果（對比RoundRobinAssignor），前提條件：

• 有4個(gè)Topic：T0、T1、T2、T3，每個(gè)Topic有2個(gè)分區(qū)。

• 有3個(gè)Consumer：C0、C1、C2，所有Consumer都訂閱了這4個(gè)分區(qū)。

上面紅色的箭頭代表的是有變動的分區(qū)分配，可以看出，StickyAssignor的分配策略，變動較小。

2.3.3 offset的維護(hù)

由于Consumer在消費(fèi)過程中可能會出現(xiàn)斷電宕機(jī)等故障，Consumer恢復(fù)后，需要從故障前的位置繼續(xù)消費(fèi)，所以Consumer需要實(shí)時(shí)記錄自己消費(fèi)到哪個(gè)位置，以便故障恢復(fù)后繼續(xù)消費(fèi)。Kafka0.9版本之前，Consumer默認(rèn)將offset保存在zookeeper中，從0.9版本開始，Consumer默認(rèn)將offset保存在Kafka一個(gè)內(nèi)置的名字叫_consumeroffsets的topic中。默認(rèn)是無法讀取的，可以通過設(shè)置consumer.properties中的exclude.internal.topics=false來讀取。

2.3.4 kafka高效讀寫數(shù)據(jù)（了解）

順序?qū)懘疟P

Kafka 的 producer生產(chǎn)數(shù)據(jù)，要寫入到log文件中，寫的過程是一直追加到文件末端，為順序?qū)?。?shù)據(jù)表明，同樣的磁盤，順序?qū)懩艿?00M/s，而隨機(jī)寫只有100K/s。這與磁盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)，順序?qū)懼钥?，是因?yàn)槠涫∪チ舜罅看蓬^尋址的時(shí)間。

零拷貝技術(shù)

零拷貝主要的任務(wù)就是避免CPU將數(shù)據(jù)從一塊存儲拷貝到另外一塊存儲，主要就是利用各種零拷貝技術(shù)，避免讓CPU做大量的數(shù)據(jù)拷貝任務(wù)，減少不必要的拷貝，或者讓別的組件來做這一類簡單的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，讓CPU解脫出來專注于別的任務(wù)。這樣就可以讓系統(tǒng)資源的利用更加有效。

感謝各位的閱讀，以上就是“Kafka的原理以及分區(qū)分配策略”的內(nèi)容了，經(jīng)過本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對Kafka的原理以及分區(qū)分配策略這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實(shí)踐驗(yàn)證。這里是創(chuàng)新互聯(lián)，小編將為大家推送更多相關(guān)知識點(diǎn)的文章，歡迎關(guān)注！