必知必会 - 使用kafka之前要掌握的知识

前记

消息队列是分布式系统架构中不可或缺的基础组件，它主要负责服务间的消息通信和数据传输。
市面上有很多的开源消息队列服务可以选择，除了kafka，还有Activemq，Rocketmq等。
对于要选择哪一个服务需要根据的实际情况来定，今天主要介绍kafka。

kafka特性

大多数消息队列服务的主要功能都是大同小异，都能完成基本的消息传输和保障机制，只是在具体的实现细节上会有所不同。
而kafka也是有它独特的特性，主要体现在如下几个方面：

• 文件存储消息日志
• 支持高并发和大吞吐量
• 支持消息持久化
• 可以重复消费消息

除了这些之外的还有通用消息队列服务的标配。比如：

• 支持队列和订阅2种消息传输方式
• 支持集群部署
• 支持多机备份

kafka实现

相比于其它的消息队列服务在内存中存储消息而言，kafka最大的特点就是使用文件存储消息日志。并且这也没有导致kafka的读取性能和整体的吞吐量。
而之所以能达到这样的效果，还要取决于它的设计原理，即保证了高速读写（read before|write behind），又保证了并发效率。

顺序写

kafka之所以能高速写，是因为利用了磁盘的顺序写的特性。经测试发现磁盘的顺序写甚至比内存的随机读还要快很多，因此kafka在写文件时会批量的写入，并且追加到一个文件中。

高速读

高速读除了因为连续读取，操作系统会有预读的机制之外，还体现在它的文件结构的设计。kafka把消息按topic分类，topic又可以按分区读写，分区再按索引文件分割存取。
这样当我们知道了topic、分区、offset之后，就可以通过O(1)的方式找到目标消息所在的位置。

概念介绍

kafka中有几个重要的概念：

• Topic
• partition
• Consumer Group
• offset

Topic：定义一个消息分类，相关的生产者和消费者通过特定的Topic来进行联通。

partition：Topic下的子概念，一个Topic通常可以分为1或多个partition，该Topic中的消息会分发到不同的partition中，也可以在代码中指定特定的partition。

Consumer Group：消费者组，它的作用的限定一组消费者，同组内的消费者在消费时是一种互斥模式；即同一个组内只有一个消费者可以消费到某个特定的消息。

offset：Topic中记录某条消息位置的偏移量信息，通常offset是消费者读取消息的依据。

分区和分组

分区即一个Topic设置了多个partition（默认是1个），分区有如下的优势：

• 支持分布式
• 支持负载并发请求
• 支持容灾备份
• 保证分区内的消费顺序

分组即把相关联的消费者放在一个组内（kafka对每个消费者会分配一个默认分组，如果不指定的话），分组有如下优势：

• 组内多个消费者可以并发处理（提高消费效率的方式）
• 消费者管理更加灵活

接着，在po一张分区和分组的关系图。

从图中可以看到的关系如下：

• Topic下的消息会分发给所有的订阅组
• 组内的消费者会各自消费不同的分区（且在分区和组内消费者数不变的情况下，关系是固定的）
• 一个消费者可以消费一或多个分区
• 一个分区只能被同一个组内的一个消费者消费

这个是设计相对合理的分区和消费者数量，组内消费者数 = 分区数 * N。如果分区数和消费者数设置不合理，则会有消费者永远拿不到数据。
所以，分区、分组是kafka支持高并发处理的基础。

队列还是分发

跟其它消息队列一样，kafka的消息模式也支持队列和分发订阅两种方式。
队列模式也称生产消费者模式，特点是同一个消息同时只能被一个消费者消费。其逻辑结构可以简单的通过下面的示意图来说明。

分发订阅模式的特点是同一个消息同时可以被所有的消费者消费。（类似于广播的形式）其逻辑结构的简单示意如下：

kafka中默认会把同一个消息分发给所有的订阅组（Consumer Group），即分发订阅模式。
如果想要实现队列模式，则把所有的消费者存放在一个Consumer Group内，且该Topic只有这一个组有订阅。kafka不同消费模式的示意如下：

消费方式

消息的消费方式是很多初用者会忽略的，因为简单场景下选择任意一种都是可以正常工作的，而到了生成环境可能就会出问题了。
kafka的消费方式有三种：

• At most once（消息最多被消费一次）
• At least once（消息最少被消费一次）
• Exactly once（消息刚好被消费一次）

前两者所有版本的kafka都支持，可以通过是否自动提交offset来控制。
默认kafka是会自动提交offset的，即属于第一种方式。如果设置为手动提交offset则属于第二种方式。

另外如果需要刚好一次的消费语义，则需要0.11以上的kafka版本。
如果你的版本不是0.11之后的，则可以通过At least once配合下游应用的幂等机制来实现。

API

https://kafka-python.readthedocs.io/en/master/usage.html

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