Pulsar Ledger 滚动与 GC 机制深度解析

最新推荐文章于 2025-11-24 16:52:22 发布

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在 Apache Pulsar 的存储层 Apache BookKeeper 中，Ledger 滚动（Rolling）与垃圾回收（GC）机制 是保障系统长期稳定运行、避免磁盘耗尽、优化存储效率的核心机制。

理解这两个机制，是掌握 Pulsar 存储生命周期管理的关键。

📘 Pulsar Ledger 滚动与 GC 机制深度解析

一、核心概念回顾

术语	说明
Ledger	BookKeeper 中的“账本”，一个只追加的日志单元，存储一组消息
Entry	Ledger 中的一条消息条目
Ensemble	负责存储 Ledger 副本的一组 Bookie
Entry Log	Bookie 上的物理文件，多个 Ledger 的 Entry 可能混合存储其中
GC（Garbage Collection）	清理已删除 Ledger 占用的磁盘空间

📌 Ledger 滚动：关闭当前 Ledger，创建新 Ledger。
📌 GC：回收旧 Ledger 文件的磁盘空间。

二、Ledger 滚动（Ledger Rolling）机制

1. 什么是 Ledger 滚动？

当一个 Ledger 达到预设的大小或 时间限制 时，Pulsar Broker 会自动关闭它，并创建一个新的 Ledger 接替写入。
这个过程称为 Ledger Rolling（账本滚动）。

Ledger-100 (512MB) → [Entry-1, Entry-2, ..., Entry-N]
                      ↓ 滚动触发
Ledger-101 (新)     → [Entry-N+1, ...]

2. 滚动的好处

优势	说明
✅ 防止单个 Ledger 过大	便于故障恢复、数据迁移
✅ 提升 GC 效率	小文件更容易被回收
✅ 负载均衡	新 Ledger 可选择不同的 Ensemble
✅ 支持 TTL 和保留策略	按 Ledger 粒度清理数据

3. 触发滚动的条件

Ledger 滚动由 Pulsar Broker 控制，可通过以下任一条件触发：

(1) 按大小滚动

# broker.conf
managedLedgerMaxLedgerSizeMB=512

当 Ledger 大小 ≥ 512MB 时，触发滚动。

(2) 按时间滚动

# broker.conf
managedLedgerMaxMarkDeleteLedgerAgeIntervalInMinutes=360  # 6小时

即使未满 512MB，只要 Ledger 存活超过 6 小时，也会滚动。

(3) 手动触发

pulsar-admin topics trigger-managed-ledger-rollover persistent://public/default/my-topic

用于测试或强制释放旧日志。

4. 滚动流程

1. Broker 检测到滚动条件满足
   ↓
2. 停止向当前 Ledger 写入新消息
   ↓
3. 调用 bookkeeper.close() 关闭 Ledger
   ↓
4. 创建新 Ledger（选择新 Ensemble）
   ↓
5. 更新 ManagedLedger 元数据（ZooKeeper）
   ↓
6. 新消息写入新 Ledger

✅ 滚动对生产者透明，不会中断写入。

三、Ledger GC（垃圾回收）机制

1. 为什么需要 GC？

BookKeeper 使用 Entry Log 存储多个 Ledger 的 Entry。
即使某个 Ledger 被删除，只要 Entry Log 中还有其他 Ledger 的数据，该文件就不能被删除。
导致 磁盘空间无法释放，形成“存储碎片”。

💡 这就是 逻辑碎片问题。

2. GC 的核心目标

回收 已删除 Ledger 占用的磁盘空间。
减少 Entry Log 文件数量。
释放 Bookie 磁盘空间。

3. GC 的两种类型

类型	说明
Minor Compaction（小合并）	合并多个部分删除的 Entry Log，回收空间
Major Compaction（大合并）	全量扫描所有 Entry Log，最大化空间回收

⚠️ 注意：BookKeeper 的 “Compaction” 实际是 GC，不是 Kafka 的日志压缩。

4. GC 工作流程

(1) 标记阶段（Mark）

扫描所有活跃 Ledger。
记录每个 Entry Log 中 仍被引用的 Entry。

(2) 清理阶段（Sweep）

对于每个 Entry Log 文件：
- 如果 所有 Entry 都已被删除 → 物理删除文件。
- 如果 部分 Entry 被删除 → 标记为“可压缩”。
触发 Compaction：将仍有效的 Entry 复制到新 Entry Log 文件。
删除原文件。

(3) 结果

磁盘空间被释放。
Entry Log 文件数量减少。

5. 配置参数（`bookkeeper.conf`）

# 是否启用 GC（默认 true）
isForceGCAllowWhenNoSpace=false

# Minor Compaction
minorCompactionThreshold=0.2        # 当 20% 数据可回收时触发
minorCompactionInterval=3600        # 每 1 小时检查一次

# Major Compaction
majorCompactionThreshold=0.5        # 当 50% 数据可回收时触发
majorCompactionInterval=86400       # 每 24 小时一次

# Entry Log 滚动大小（影响 GC 效率）
logWriteCacheMaxSizeMB=2048         # 2GB

✅ 建议：

minorCompactionThreshold=0.2（频繁小回收）
majorCompactionInterval=24（每日一次深度清理）

四、Ledger GC 的挑战与优化

1. 挑战

问题	说明
❌ I/O 压力大	Compaction 需要大量读写磁盘
❌ 长时间运行	大集群可能持续数小时
❌ 不支持在线压缩	需要额外磁盘空间
❌ 无法完全消除碎片	若 Ledger 分布稀疏，仍难回收

2. 优化策略

策略	说明
✅ 合理设置 Ledger 滚动大小	避免过小（太多文件）或过大（GC 慢）
✅ 启用 Ledger Offload	将冷数据迁移到 S3/GCS，减少本地 GC 压力
✅ 分离 Journal 和 Ledger 存储	防止 GC I/O 影响写入性能
✅ 使用 SSD 存储	提升 Compaction 速度
✅ 监控 under-replicated ledgers	防止因 GC 导致副本不足
✅ 避免频繁创建/删除 Topic	减少 Ledger 元数据压力

五、监控与诊断

1. 关键监控指标

指标	说明
`bookkeeper_client_under_replicated`	副本不足的 Ledger 数
`bookie_disk_usage`	磁盘使用率
`compaction_rate`	Compaction 速度（entries/sec）
`entry_log_count`	Entry Log 文件数量
`gc_pause_time`	GC 暂停时间

建议设置告警：disk_usage > 80% 或 under_replicated > 0

2. 常用诊断命令

# 查看 Bookie 磁盘使用
bookkeeper shell bookieinfo

# 列出所有 Ledger
bookkeeper shell listledgers

# 检查 Ledger 完整性
bookkeeper shell ledgerchecker -l 1001

# 手动触发 GC（不推荐生产使用）
bookkeeper shell majorcompaction
bookkeeper shell minorcompaction

六、可视化：Ledger 滚动与 GC 流程图（文字描述）

[消息持续写入]
       ↓
Ledger-100 (增长中)
       ↓
达到 512MB 或 6小时
       ↓
[触发 Ledger Rolling]
       ↓
Ledger-100 → CLOSED
Ledger-101 → OPEN (新)
       ↓
消费者消费完 Ledger-100 的消息
       ↓
ManagedLedger 删除 Ledger-100
       ↓
[GC 触发]
       ↓
扫描 Entry Log 文件
       ↓
发现 Ledger-100 的 Entry 可回收
       ↓
Compaction：复制有效 Entry 到新文件
       ↓
删除旧 Entry Log
       ↓
[磁盘空间释放]

七、最佳实践总结

实践	建议
✅ Ledger 大小：512MB ~ 1GB	平衡滚动频率与 GC 效率
✅ 滚动时间：6 ~ 24 小时	防止单个 Ledger 过长
✅ 启用 Minor/Major Compaction	定期回收空间
✅ 监控 entry_log_count	过多表示碎片严重
✅ 结合 Ledger Offload	冷数据归档，减轻 GC 压力
✅ 避免短生命周期 Topic	减少 Ledger 创建/删除频率

✅ 总结

机制	作用	触发条件
Ledger Rolling	控制单个 Ledger 大小和生命周期	大小/时间限制
Minor Compaction	回收部分删除的 Entry Log 空间	可回收率 > 20%
Major Compaction	全量回收，最大化空间释放	每 24 小时一次
Ledger Offload	外部归档，替代本地 GC	配合 TTL 策略