kafka系列之(3)——Coordinator与offset管理和Consumer Rebalance

1、Consumer与Consumer Group

consumer group是kafka提供的可扩展且具有容错性的消费者机制。组内可以有多个消费者或消费者实例(consumer instance),它们共享一个公共的ID,即group ID。组内的所有消费者协调在一起来消费订阅主题(subscribed topics)的所有分区(partition)。
consumer group下可以有一个或多个consumer instance,consumer instance可以是一个进程,也可以是一个线程
group.id是一个字符串,唯一标识一个consumer group
consumer group下订阅的topic下的每个分区只能分配给某个group下的一个consumer(当然该分区还可以被分配给其他group)


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2、Coordinator介绍

Coordinator一般指的是运行在broker上的group Coordinator,用于管理Consumer Group中各个成员,每个KafkaServer都有一个GroupCoordinator实例,管理多个消费者组,主要用于offset位移管理和Consumer Rebalance。

Coordinator存储的信息

对于每个Consumer Group,Coordinator会存储以下信息:

  1. 对每个存在的topic,可以有多个消费组group订阅同一个topic(对应消息系统中的广播)
  2. 对每个Consumer Group,元数据如下:
    订阅的topics列表
    Consumer Group配置信息,包括session timeout等
    组中每个Consumer的元数据。包括主机名,consumer id
    每个正在消费的topic partition的当前offsets
    Partition的ownership元数据,包括consumer消费的partitions映射关系

如何确定consumer group的coordinator

consumer group如何确定自己的coordinator是谁呢? 简单来说分为两步:

  1. 确定consumer group位移信息写入__consumers_offsets这个topic的哪个分区。具体计算公式:
    __consumers_offsets partition# = Math.abs(groupId.hashCode() % groupMetadataTopicPartitionCount) 注意:groupMetadataTopicPartitionCount由offsets.topic.num.partitions指定,默认是50个分区。
  2. 该分区leader所在的broker就是被选定的coordinator

Coordinator工作过程

3、offset位移管理

消费者在消费的过程中需要记录自己消费了多少数据,即消费位置信息。在Kafka中这个位置信息有个专门的术语:位移(offset)。
(1)、很多消息引擎都把这部分信息保存在服务器端(broker端)。这样做的好处当然是实现简单,但会有三个主要的问题:
1. broker从此变成有状态的,会影响伸缩性;
2. 需要引入应答机制(acknowledgement)来确认消费成功。
3. 由于要保存很多consumer的offset信息,必然引入复杂的数据结构,造成资源浪费。
而Kafka选择了不同的方式:每个consumer group管理自己的位移信息,那么只需要简单的一个整数表示位置就够了;同时可以引入checkpoint机制定期持久化,简化了应答机制的实现。
(2)、Kafka默认是定期帮你自动提交位移的(enable.auto.commit = true),你当然可以选择手动提交位移实现自己控制。
(3)、另外kafka会定期把group消费情况保存起来,做成一个offset map,如下图所示:


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上图中表明了test-group这个组当前的消费情况。

offset管理

老版本的位移是提交到zookeeper中的,目录结构是:/consumers//offsets//,但是zookeeper其实并不适合进行大批量的读写操作,尤其是写操作。

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因此kafka提供了另一种解决方案:增加 __consumeroffsets topic,将offset信息写入这个topic,摆脱对zookeeper的依赖(指保存offset这件事情)。__consumer_offsets中的消息保存了每个consumer group某一时刻提交的offset信息。依然以上图中的consumer group为例,格式大概如下:
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__consumers_offsets topic配置了compact策略,使得它总是能够保存最新的位移信息,既控制了该topic总体的日志容量,也能实现保存最新offset的目的。compact的具体原理请参见:Log Compaction
至于每个group保存到__consumers_offsets的哪个分区,如何查看的问题请参见这篇文章:Kafka 如何读取offset topic内容 (__consumer_offsets)

位移管理的过程

offset提交消息会根据消费组的key(消费组名称)进行分区. 对于一个给定的消费组,它的所有消息都会发送到唯一的broker(即Coordinator)
Coordinator上负责管理offset的组件是Offset manager。负责存储,抓取,和维护消费者的offsets. 每个broker都有一个offset manager实例. 有两种具体的实现:
ZookeeperOffsetManager: 调用zookeeper来存储和接收offset(老版本的位移管理)。
DefaultOffsetManager: 提供消费者offsets内置的offset管理。
通过在config/server.properties中的offset.storage参数选择。
DefaultOffsetManager
除了将offset作为logs保存到磁盘上,DefaultOffsetManager维护了一张能快速服务于offset抓取请求的consumer offsets表。这个表作为缓存,包含的含仅仅是”offsets topic”的partitions中属于leader partition对应的条目(存储的是offset)。
对于DefaultOffsetManager还有两个其他属性: “offsets.topic.replication.factor和”offsets.topic.num.partitions”,默认值都是1。这两个属性会用来自动地创建”offsets topic”。
offset manager接口的概要:

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Offset Commit提交过程:
消费端
一条offset提交消息会作为生产请求.当消费者启动时,会为”offsets topic”创建一个消费者. 下面是内置的生产者的一些属性:
可以使用异步.但是使用同步可以避免延迟的生产请求(因为是批量消息),并且我们需要立即知道offset消息是否被broker成功接收
|request.required.acks|-1|确保所有的replicas和leader是同步的,并且能看到所有的offset消息
|key.serializer.class|StringEncoder|key和payload都是strings
注意我们没有对提交的offset消息进行压缩,因为每条消息本身大小是很小的,如果压缩了反而适得其反.
目前key和offset的值通过纯文本方式传递. 我们可以转换为更加紧凑的二进制协议,而不是把
Long类型的offset和Int类型的partition作为字符串. 当然在不断演进时还要考虑版本和格式协议.
broker端
broker把接收到的offset提交信息当做一个正常的生产请求,对offset请求的处理和正常的生产者请求处理方式是一样的.
一旦将数据追加到leader的本地日志中,并且所有的replicas都赶上leader.leader检查生产请求是”offsets topic”,
(因为broker端的处理逻辑针对offset请求和普通生产请求是一样的,如果是offset请求,还需要有不同的处理分支)
它就会要求offset manager添加这个offset(对于延迟的生产请求,更新操作会在延迟的生产请求被完成的时候).
因为设置了acks=-1,只有当这些offsets成功地复制到ISR中的所有brokers,才会被提交给offset manager.
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Offset Fetch获取过程:
消费端
消费者启动时,会首先创建到任意一个存活的brokers的通道.因此消费者会发送它所有”OffsetFetchRequest”
到这个随机选中的broker. 如果出现错误,这个通道就会被关闭,并重新创建一个随机的通道.
broker端
一个Offset抓取请求包含了多个topic-partitions. 接收请求的broker可能有也可能没有请求的partitions的offset信息.
因此接收请求的brokers也会和其他broker通信. 一个通道连接池会用来转发请求给partition的leader broker.
下面是一个broker在接收到一个offset抓取请求后的步骤:
接收请求的broker首先决定”offset topic”的哪个partition负责这个请求
从broker的leader cache中找出对应partition的leader(会在controller的每次metadata更新请求中更新缓存)
如果接收请求的broker就是leader,它会从自己的offset manager中读取出offset,并添加到响应中
如果offset不存在,返回UnknownTopicOrPartitionCode
如果broker正在加载offsets table,返回OffsetLoadingCode.消费者受到这个状态码会在之后重试
如果接收请求的broker不是指定topic-partition的leader,它会将OffsetFetchRequest转发给这个partition的当前leader
如果”offsets topic”这个时候不存在,它会尝试自动创建,在创建成果后,会返回offset=-1
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3、Consumer Reblance

什么是rebalance?
rebalance本质上是一种协议,规定了一个consumer group下的所有consumer如何达成一致来分配订阅topic的每个分区。比如某个group下有20个consumer,它订阅了一个具有100个分区的topic。正常情况下,Kafka平均会为每个consumer分配5个分区。这个分配的过程就叫rebalance。Kafka新版本consumer默认提供了两种分配策略:range和round-robin。
rebalance的触发条件有三种:
组成员发生变更(新consumer加入组、已有consumer主动离开组或已有consumer崩溃了——这两者的区别后面会谈到)
订阅主题数发生变更——这当然是可能的,如果你使用了正则表达式的方式进行订阅,那么新建匹配正则表达式的topic就会触发rebalance
订阅主题的分区数发生变更

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Rebalance Generation
JVM GC的分代收集就是这个词(严格来说是generational),我这里把它翻译成“届”好了,它表示了rebalance之后的一届成员,主要是用于保护consumer group,隔离无效offset提交的。比如上一届的consumer成员是无法提交位移到新一届的consumer group中。我们有时候可以看到ILLEGAL_GENERATION的错误,就是kafka在抱怨这件事情。每次group进行rebalance之后,generation号都会加1,表示group进入到了一个新的版本,如下图所示: Generation 1时group有3个成员,随后成员2退出组,coordinator触发rebalance,consumer group进入Generation 2,之后成员4加入,再次触发rebalance,group进入Generation 3.
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协议(protocol)
rebalance本质上是一组协议。group与coordinator共同使用它来完成group的rebalance。目前kafka提供了5个协议来处理与consumer group coordination相关的问题:
Heartbeat请求:consumer需要定期给coordinator发送心跳来表明自己还活着
LeaveGroup请求:主动告诉coordinator我要离开consumer group
SyncGroup请求:group leader把分配方案告诉组内所有成员
JoinGroup请求:成员请求加入组
DescribeGroup请求:显示组的所有信息,包括成员信息,协议名称,分配方案,订阅信息等。通常该请求是给管理员使用
Coordinator在rebalance的时候主要用到了前面4种请求。
liveness
consumer如何向coordinator证明自己还活着? 通过定时向coordinator发送Heartbeat请求。如果超过了设定的超时时间,那么coordinator就认为这个consumer已经挂了。一旦coordinator认为某个consumer挂了,那么它就会开启新一轮rebalance,并且在当前其他consumer的心跳response中添加“REBALANCE_IN_PROGRESS”,告诉其他consumer:不好意思各位,你们重新申请加入组吧!
Rebalance过程
rebalance的前提是coordinator已经确定了。
总体而言,rebalance分为2步:Join和Sync
1 Join, 顾名思义就是加入组。这一步中,所有成员都向coordinator发送JoinGroup请求,请求入组。一旦所有成员都发送了JoinGroup请求,coordinator会从中选择一个consumer担任leader的角色,并把组成员信息以及订阅信息发给leader——注意leader和coordinator不是一个概念。leader负责消费分配方案的制定。
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2 Sync,这一步leader开始分配消费方案,即哪个consumer负责消费哪些topic的哪些partition。一旦完成分配,leader会将这个方案封装进SyncGroup请求中发给coordinator,非leader也会发SyncGroup请求,只是内容为空。coordinator接收到分配方案之后会把方案塞进SyncGroup的response中发给各个consumer。这样组内的所有成员就都知道自己应该消费哪些分区了。
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注意!! consumer group的分区分配方案是在客户端执行的!Kafka将这个权利下放给客户端主要是因为这样做可以有更好的灵活性。比如这种机制下我可以实现类似于Hadoop那样的机架感知(rack-aware)分配方案,即为consumer挑选同一个机架下的分区数据,减少网络传输的开销。Kafka默认为你提供了两种分配策略:range和round-robin。由于这不是本文的重点,这里就不再详细展开了,你只需要记住你可以覆盖consumer的参数:partition.assignment.strategy来实现自己分配策略就好了。
consumer group状态机
和很多kafka组件一样,group也做了个状态机来表明组状态的流转。coordinator根据这个状态机会对consumer group做不同的处理,如下图所示
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简单说明下图中的各个状态:
Dead:组内已经没有任何成员的最终状态,组的元数据也已经被coordinator移除了。这种状态响应各种请求都是一个response: UNKNOWN_MEMBER_ID
Empty:组内无成员,但是位移信息还没有过期。这种状态只能响应JoinGroup请求
PreparingRebalance:组准备开启新的rebalance,等待成员加入
AwaitingSync:正在等待leader consumer将分配方案传给各个成员
Stable:rebalance完成!可以开始消费了
rebalance场景剖析
1 新成员加入组(member join)
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2 组成员崩溃(member failure)
组成员崩溃和组成员主动离开是两个不同的场景。因为在崩溃时成员并不会主动地告知coordinator此事,coordinator有可能需要一个完整的session.timeout周期(心跳周期)才能检测到这种崩溃,这必然会造成consumer的滞后。可以说离开组是主动地发起rebalance;而崩溃则是被动地发起rebalance。如图:
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3 组成员主动离组(member leave group)
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4 提交位移(member commit offset)

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refer
http://www.cnblogs.com/huxi2b/p/6223228.html
http://zqhxuyuan.github.io/2016/02/18/Kafka-Consumer-Offset-Manager/
http://www.cnblogs.com/byrhuangqiang/p/6384986.html

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