Kafka学习笔记（2）——Kafka Broker及消费者

数据求学家

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分类专栏：大数据开发文章标签： kafka big data java

于 2022-10-05 21:18:14 首次发布

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2.3 Leader和Follower故障处理细节

一、Kafka Broker

1. 工作原理

1）每一个Broker节点启动后都会向ZK注册，存储在/kafka/brokers/ids中，上图例子中[0,1,2]

2）Controller对应最优先启动注册的节点。

3）最优先启动注册(上图例子中 Broker0)的Controller通过zk的kafka/brokers/ids监听Brokers节点的变化。

4）Controller管理Leader选举，选举规则：在isr中存活为前提，按照AR（Assigned Replicas、Kafka分区中的所有副本统称[broker0,1,2]）中排在前面的优先。例如 ar[1,0,2], isr [1，0，2]，那么leader 就会按照1，0，2的顺序轮询。其中，ISR（In-Sync Replicas、同步副本集，是AR的子集)为所有Follower和Leader之间通讯正常的所有节点。

5）Controller将节点信息上传到ZK，存储在/brokers/topics/first/partitions/0/state: "leader":1 ,"isr":[1，0，2 ]

6）其他Controller从zk同步相关数据，防止leader挂掉，随时上位

7）生产环境中若Leader挂掉了，/kafka/brokers/ids 变化为[0,2]

8）Controller监听节点变化

9）从ZK获取新的Leader和isr信息，进行重新选举，更新zk,"leader":0 ,"isr":[0，2 ]

2. Kafka副本

2.1 副本基本信息

（1）Kafka 副本作用：提高数据可靠性。

（2）Kafka 默认副本 1 个，生产环境一般配置为 2 个。太多副本一方面会增加磁盘存储空间，另一方面增加网络上数据传输，降低效率。

（3）Kafka 中副本包含Leader 和 Follower。Kafka 生产者只会把数据发往 Leader，然后 Follower 找 Leader 进行同步数据，消费者对Leader进行消费。

（4）Kafka 分区中的所有副本统称为 AR（Assigned Repllicas）。 AR = ISR + OSR

ISR：表示和 Leader 保持同步的 Follower 集合。如果 Follower 长时间未向 Leader 发送通信请求或同步数据，则该 Follower 将被踢出 ISR。该时间参数默认 30s。Leader 发生故障之后，就会从 ISR 中选举新的 Leader。

OSR：Follower 与 Leader 副本同步时，延迟过多的副本（被踢出ISR的副本）。

2.2 Leader选举流程

Kafka集群中有一个broker会被选举为Controller，负责管理集群broker的上下线、所有topic的分区副本分配和leader的选举等工作。Controller的工作管理是依赖于zookeeper的。Controller本身不决定leader的归属，只是一个代理的作用。

选举规则：在isr中存活为前提，按照AR排在前面的优先。

eg. AR = [0,1,2], isr = [0.1,2] 此时leader = 0，若broker0宕机，则Isr = [1,2]，ar=[0,1,2]，leader = 1

2.3 Leader和Follower故障处理细节

LEO（Log End Offset）：每个副本的最后一个offset，LEO其实就是最新的offset + 1

HW（High Watermark）：所有副本中最小的LEO

eg.下图broker0的 HW = 5, LEO = 8

上图，broker0为Leader，其余为Follower。

若此时broker0发生宕机（故障）

（1） Leader发生故障之后，会从ISR中选出一个新的Leader（ISR变为[1,2],再根据AR顺序选择）

（2）为保证多个副本之间的数据一致性，其余的Follower会先将各自的log文件大于等于HW的部分截掉，然后从新的Leader同步数据。（若broker1被选举为新leader，则broker2中5，6部分数据被删除，保留0，1，2，3，4与新leader同步）

Leader故障的故障处理只能保证副本之间的数据一致性，并不能保证数据不丢失或者不重复。

若此时broker1发生宕机（故障）

（1） Follower发生故障后会被临时踢出ISR（ISR变为[0,2]）

（2）这个期间Leader和Follower继续接收数据

（3）待该Follower恢复后，Follower会读取本地磁盘记录的上次的HW（5），并将log文件大于等于HW的部分（5及以后的数据）截取掉，从HW开始向Leader进行同步。

（4）等该Follower的LEO大于等于该Partition的HW，即Follower追上Leader之后，就可以重新加入ISR了。

2.4 分区和副本分配

分配策略：（尽量保障负载均衡）

尽量将副本平均分配在所有的broker上
每个broker上分配到的leader副本尽可能一样多
分区的多个副本被分配在不同的broker上

eg.现有4个broker，创建1个新的topic，16 个分区，3 个副本，自动分配情况如下。

当然，也可以自定义修改分配策略，这里不作介绍。详情可参考Kafka分区副本重分配源码分析_罗纳尔光的博客-优快云博客

正常情况下，Kafka本身会自动把Leader Partition均匀分散在各个机器上，来保证每台机器的读写吞吐量都是均匀的。但如果某些broker宕机，会导致Leader Partition过于集中在其他少部分几台broker上，这会导致少数几台broker的读写请求压力过高，其他宕机的broker重启之后都是follower partition，读写请求很低，造成集群负载不均衡。

负载不均衡示例：

3. 文件存储

3.1 文件存储机制

Kafka文件存储是通过本地落盘的方式存储的。由于Kafka中消息是以topic进行分类的，Topic是逻辑上的概念，而partition是物理上的概念。

一个Topic分为多个partition,每个partition对应一个log文件，该log文件中存储的就是Producer生产的数据。
Producer生产的数据会被不断追加到该log文件末端，为防止log文件过大导致数据定位效率低下，Kafka采取了分片和索引机制，每个partition分为多个segment。
每个segment包括：“.index”文件、“.log”文件和“.timeindex”等文件。这些文件位于一个文件夹下，该文件夹的命名规则为：topic名称+分区序号，例如：first-0。目录为/kafka/datas 。

“.index”为稀疏索引，大约每往log文件写入4kb数据，会往index文件写入一条索引。且文件中保存的offset为相对offset，这样能确保offset的值所占空间不会过大。该文件包含offset和position(用于定位.log文件数据的位置）.log中存放的是真实的数据。一个Segment默认大小为1G

index文件与log文件结构示意图

如何快速定位offset = 3的数据？

若要找到offset = 3的数据，首先根据目标offset定位Segment文件，通过二分查找.index文件到查找到当前消息具体的偏移，如上图所示，3大于0小于6，则定位到第一个segment文件中。
找到小于等于目标offset的最大offset对应的索引项。通过第一个.index文件的相对偏移量，定位位置3。
通过position定位到log文件，向下遍历找到目标Record。获取到position = 756之后，定位到.log文件向下得到，在此例中为message3。

3.2 文件清理策略

Kafka 中默认的日志保存时间为 7 天，可以通过调整如下参数修改保存时间。

log.retention.hours，最低优先级小时，默认 7 天。
log.retention.minutes，分钟。
log.retention.ms，最高优先级毫秒。(不常用）
log.retention.check.interval.ms，负责设置检查周期，默认 5 分钟。

清理策略分为delete和compact（压缩）。

1. delete 日志删除：将过期数据删除

log.cleanup.policy = delete 所有数据启用删除策略

（1）基于时间：默认打开。以 segment 中所有记录中的最大时间戳作为该文件时间戳。

如果一个 segment 中有一部分数据过期，一部分没有过期，那这个segment就不会被删除。

（2）基于大小：默认关闭。超过设置的所有日志总大小，删除最早的 segment。

2.compact 日志压缩：对于相同key的不同value值，只保留最后一个版本。

log.cleanup.policy = compact 所有数据启用压缩策略

压缩后的offset可能是不连续的，比如上图中没有6，当从这些offset消费消息时，将会拿到比这个offset大的offset对应的消息，实际上会拿到offset为7的消息，并从这个位置开始消费。

这种策略只适合特殊场景，比如消息的key是用户ID，value是用户的资料，通过这种压缩策略，整个消息集里就保存了所有用户最新的资料。

3.3 Kafka的高效读写数据

1）Kafka 本身是分布式集群，可以采用分区技术，并行度高

2）顺序写磁盘

Kafka的producer生产数据，需要写入到log文件中，写的过程是追加到文件末端，顺序写的方式，官网有数据表明，同样的磁盘，顺序写能够到600M/s，而随机写只有200K/s，这与磁盘的机械结构有关，顺序写之所以快，是因为其省去了大量磁头寻址的时间。

3）零拷贝

Kafka的数据加工处理操作交由Kafka生产者和Kafka消费者。Kafka Broker应用层不关心存储的数据，所以就不用走应用层，传输效率高。

零拷贝技术只用将磁盘文件的数据复制到页面缓存（PageCache)中一次，然后将数据从页面缓存直接发送到网络中。下图为传统数据读取操作，需要有4步。

非零拷贝技术

操作系统将数据从磁盘文件中读取到内核空间的页面缓存
应用程序将数据从内核空间读入到用户空间缓冲区
应用程序将读到的数据写回内核空间并放入到socket缓冲区
操作系统将数据从socket缓冲区复制到网卡接口，此时数据通过网络发送给消费者

Kafka重度依赖底层操作系统（Linux)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。当读操作发生时，先从PageCache中查找，如果找不到，再去磁盘中读取。

eg. 如果有10个消费者，传统方式下，数据复制次数为4*10=40次，而使用“零拷贝技术”只需要1+10=11次，一次为从磁盘复制到页面缓存（PageCache)，10次表示10个消费者各自读取一次页面缓存。

二、Kafka 消费者

1. 消费方式

pull(拉）：主动获取数据。
push（推）：被动获取数据。

Kafka的consumer采用pull（拉）的方式来从broker中读取数据。

push（推）的模式中，消息发送速率由broker决定，很难适应消费速率不同的消费者，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。
pull（拉）可能会出现broker中没有数据，消费者陷入循环，此时可设置timeout，取数据为空时，过一段时间再消费。

2. 消费者组

一个消费者可以消费单个或多个分区数据。

同一个消费者组中的消费者，同一时刻只能有一个消费者消费。

Consumer Group（CG）：消费者组，由多个consumer组成。形成一个消费者组的条件，是所有消费者的groupid相同。

消费者组内每个消费者负责消费不同分区的数据，一个分区只能由一个组内消费者消费。
消费者组之间互不影响。所有的消费者都属于某个消费者组（都有一个groupid)，即消费者组是逻辑上的一个订阅者。

3. 分区分配策略

一个consumer group中有多个consumer，一个topic有多个partition，所以必然会涉及到partition的分配问题，即确定那个partition由那个consumer消费的问题。

Kafka有四种主流的分区分配策略： Range、RoundRobin、Sticky、CooperativeSticky。

可以通过配置参数partition.assignment.strategy，修改分区的分配策略。默认策略是Range + CooperativeSticky。

Kafka可以同时使用多个分区分配策略。

Range分区策略：

按照每个topic进行平均分配。partitions数/consumer数计算每个Consumer会得到多少个分区，如果没有除尽，多出来的分区则按照字典序挨个分配给消费者。按照此方式以此分配每一个topic给订阅的消费者，最后完成topic分区的分配。

eg.1一个Topic，7 个分区，3 个消费者，排序后的分区将会是C0:0,1,2；C1:3,4；C2:5,6； 7/3 = 2余1，除不尽，消费者C0便会多消费1个分区。

eg. t0,t1两个Topic，均有3个Partition，C0,C1两个Consumer，分配情况如下：

注意：如果有N多个topic，那么针对每个topic，消费者C0都将多消费1个分区，topic越多，C0消费的分区会比其他消费者明显多消费 N 个分区。

RoundRobin分区策略：

RoundRobin 针对集群中所有Topic而言。按照分区的字典对分区和消费者进行排序，对分区进行循环遍历，遇到自己订阅的则消费，否则向下轮询下一个消费者。即按照分区轮询消费者，继而消息被消费。

eg.假设存在三个topic：t0/t1/t2，分别拥有1/2/3个分区，共有6个分区，分别为t0-0；t1-0/t1-1；t2-0/t2-1/t2-2，这里假设我们有三个Consumer，C0、C1、C2，订阅情况为C0：t0，C1：t0、t1，C2：t0/t1/t2。

Round Robin策略

Sticky 粘性分区：

分配的结果带有“粘性”。即在执行一次新的分配之前，考虑上一次分配的结果，尽量少的调整分配的变动，可以节省大量的开销。

首先会尽量均衡的放置分区到消费者上面，在出现同一消费者组内消费者出现问题的时候，会尽量保持原有分配的分区不变化。

4. 消费者offset的存储

由于Consumer在消费过程中可能会出现断电宕机等故障，Consumer恢复以后，需要从故障前的位置继续消费，所以Consumer需要实时记录自己消费到了那个offset，以便故障恢复后继续消费。

zookeeper节点存储数据详细信息

从0.9版本开始，consumer默认将offset保存在Kafka一个内置的topic中，该topic为：__consumer_offsets

__consumer_offsets 主题里面采用 key 和 value 的方式存储数据。key是group.id+topic+分区号,value 就是当前 offset 的值。每隔一段时间，kafka内部会对这个topic进行compact，也就是每个group.id+topic+分区号就保留最新数据。