Apache Kafka核心组件和流程-协调器（消费者和组协调器）-设计-原理（入门教程轻松学）
本入门教程，涵盖Kafka核心内容，通过实例和大量图表，帮助学习者理解，任何问题欢迎留言。
目录：
- kafka简介
- kafka安装和使用
- kafka核心概念
- kafka核心组件和流程--控制器
- kafka核心组件和流程--协调器
- kafka核心组件和流程--日志管理器
- kafka核心组件和流程--副本管理器
- kafka编程实战
上一节介绍了kafka工作的核心组件--控制器。本节将介绍消费者密切相关的组件--协调器。它负责消费者的出入组工作。大家可以回想一下kafka核心概念中关于吃苹果的场景，如果我邀请了100个人过来吃苹果，如果没有人告诉每个吃苹果的人哪个是他的盘子，那岂不是要乱了套？协调器做的就是这个工作。当然还有更多。
2 协调器
顾名思义，协调器负责协调工作。本节所讲的协调器，是用来协调消费者工作分配的。简单点说，就是消费者启动后，到可以正常消费前，这个阶段的初始化工作。消费者能够正常运转起来，全有赖于协调器。
主要的协调器有如下两个：
1、消费者协调器（ConsumerCoordinator）
2、组协调器（GroupCoordinator）
此外还有任务管理协调器（WorkCoordinator），用作kafka connect的works管理，本教程不做讲解。
kafka引入协调器有其历史过程，原来consumer信息依赖于zookeeper存储，当代理或消费者发生变化时，引发消费者平衡，此时消费者之间是互不透明的，每个消费者和zookeeper单独通信，容易造成羊群效应和脑裂问题。
为了解决这些问题，kafka引入了协调器。服务端引入组协调器（GroupCoordinator），消费者端引入消费者协调器（ConsumerCoordinator）。每个broker启动的时候，都会创建GroupCoordinator实例，管理部分消费组（集群负载均衡）和组下每个消费者消费的偏移量（offset）。每个consumer实例化时，同时实例化一个ConsumerCoordinator对象，负责同一个消费组下各个消费者和服务端组协调器之前的通信。如下图：
2.1 消费者协调器
消费者协调器，可以看作是消费者做操作的代理类（其实并不是），消费者很多操作通过消费者协调器进行处理。
消费者协调器主要负责如下工作：
1、更新消费者缓存的MetaData
2、向组协调器申请加入组
3、消费者加入组后的相应处理
4、请求离开消费组
5、向组协调器提交偏移量
6、通过心跳，保持组协调器的连接感知。
7、被组协调器选为leader的消费者的协调器，负责消费者分区分配。分配结果发送给组协调器。
8、非leader的消费者，通过消费者协调器和组协调器同步分配结果。
消费者协调器主要依赖的组件和说明见下图：
可以看到这些组件和消费者协调器担负的工作是可以对照上的。
2.2 组协调器
组协调器负责处理消费者协调器发过来的各种请求。它主要提供如下功能：
- 在与之连接的消费者中选举出消费者leader
- 下发leader消费者返回的消费者分区分配结果给所有的消费者
- 管理消费者的消费偏移量提交，保存在kafka的内部主题中
- 和消费者心跳保持，知道哪些消费者已经死掉，组中存活的消费者是哪些。
组协调器在broker启动的时候实例化，每个组协调器负责一部分消费组的管理。它主要依赖的组件见下图：
这些组件也是和组协调器的功能能够对应上的。具体内容不在详述。
2.3 消费者入组过程
下图展示了消费者启动选取leader、入组的过程。
消费者入组的过程，很好的展示了消费者协调器和组协调器之间是如何配合工作的。leader consumer会承担分区分配的工作，这样kafka集群的压力会小很多。同组的consumer通过组协调器保持同步。消费者和分区的对应关系持久化在kafka内部主题。
2.4 消费偏移量管理
消费者消费时，会在本地维护消费到的位置（offset），就是偏移量，这样下次消费才知道从哪里开始消费。如果整个环境没有变化，这样做就足够了。但一旦消费者平衡操作或者分区变化后，消费者不再对应原来的分区，而每个消费者的offset也没有同步到服务器，这样就无法接着前任的工作继续进行了。
因此只有把消费偏移量定期发送到服务器，由GroupCoordinator集中式管理，分区重分配后，各个消费者从GroupCoordinator读取自己对应分区的offset，在新的分区上继续前任的工作。
下图展示了不提交offset到服务端的问题：
开始时，consumer 0消费partition 0 和1，后来由于新的consumer 2入组，分区重新进行了分配。consumer 0不再消费partition2，而由consumer 2来消费partition 2，但由于consumer之间是不能通讯的，所有consumer2并不知道从哪里开始自己的消费。
因此consumer需要定期提交自己消费的offset到服务端，这样在重分区操作后，每个consumer都能在服务端查到分配给自己的partition所消费到的offset，继续消费。
由于kafka有高可用和横向扩展的特性，当有新的分区出现或者新的消费入组后，需要重新分配消费者对应的分区，所以如果偏移量提交的有问题，会重复消费或者丢消息。偏移量提交的时机和方式要格外注意！！
下面两种情况分别会造成重复消费和丢消息：
- 如果提交的偏移量小于消费者最后一次消费的偏移量，那么再均衡后，两个offset之间的消息就会被重复消费
- 如果提交的偏移量大于消费者最后一次消费的偏移量，那么再均衡后，两个offset之间的消息就会丢失
以上两种情况是如何产生的呢？我们继续往下看。
2.4.1 偏移量有两种提交方式
1、自动提交偏移量
设置 enable.auto.commit为true，设定好周期，默认5s。消费者每次调用轮询消息的poll() 方法时，会检查是否超过了5s没有提交偏移量，如果是，提交上一次轮询返回的偏移量。
这样做很方便，但是会带来重复消费的问题。假如最近一次偏移量提交3s后，触发了再均衡，服务器端存储的还是上次提交的偏移量，那么再均衡结束后，新的消费者会从最后一次提交的偏移量开始拉取消息，此3s内消费的消息会被重复消费。
2、手动提交偏移量
设置 enable.auto.commit为false。程序中手动调用commitSync()提交偏移量，此时提交的是poll方法返回的最新的偏移量。
我们来看下面两个提交时机：
- 如果poll完马上调用commitSync(),那么一旦处理到中间某条消息的时候异常，由于偏移量已经提交，那么出问题的消息位置到提交偏移量之间的消息就会丢失。
- 如果处理完所有消息后才调用commitSync()。有可能在处理到一半的时候发生再均衡，此时偏移量还未提交，那么再均衡后，会从上次提交的位置开始消费，造成重复消费。
比较起来，重复消费要比丢消息好一些，所以我们程序应采用第二种方式，同时消费逻辑中，要能够检查重复消费。
commitSync()是同步提交偏移量，主程序会一直阻塞，偏移量提交成功后才往下运行。这样会限制程序的吞吐量。如果降低提交频次，又很容易发生重复消费。
这里我们可以使用commitAsync()异步提交偏移量。只管提交，而不会等待broker返回提交结果
commitSync只要没有发生不可恢复错误，会进行重试，直到成功。而commitAsync不会进行重试，失败就是失败了。commitAsync不重试，是因为重试提交时，可能已经有其它更大偏移量已经提交成功了，如果此时重试提交成功，那么更小的偏移量会覆盖大的偏移量。那么如果此时发生再均衡，新的消费者将会重复消费消息。
commitAsync也支持回调，由于上述原因，回调中最好不要因为失败而重试提交。而是应该记录错误，以便后续分析和补偿。
2.4.2 偏移量提交的最佳实践
关于偏移量的提交方式和时机，上文已经有了大量的讲解。但看完后好像还不知道应该怎么提交偏移量才是最合适的。是不是觉得无论怎么提交，都无法避免重复消费？没错，事实就是这样，我们只能采用合理的方式，最大可能的去降低发生此类问题的概率。此外做好补偿处理。
一般来说，偶尔的提交失败，不去重试，是没有问题的。因为一般是因为临时的问题而失败，后续的提交总会成功。如果我们在关闭消费者或者再均衡前，确保所有的消费者都能成功提交一次偏移量，也可以保证再均衡后，消费者能接着消费数据。
因此我们采用同步和异步混合的方式提交偏移量。
- 正常消费消息时，消费结束提交偏移量，采用异步方式
- 如果程序报错，finally中，提交偏移量，采用同步方式，确保提交成功
- 再均衡前的回调方法中，提交偏移量，采用同步方式，确保提交成功
这样既保证了吞吐量，也保证了提交偏移量的安全性。另外由于再均衡前提交偏移量，降低了重复消费可能。
kafka还提供了提交特定偏移量的方法。我们可以指定分区和offset进行提交。分区和offset的值可以从消息对象中取得。
另外，如果担心一次取回数据量太大，可能处理到一半的时候出现再均衡，导致偏移量没有提交，重复消费。那么可以每n条提交一次。
而当n=1时，也就是处理一条数据就提交一次，会把重复消费的可能降到最低。同时由于增加了和服务端的通讯，效率大大降低。
其实即使这样，也是可能重复消费的，试想如下场景：
- 消费者拉取到数据后，开始逻辑处理
- 处理第一条offset=2，成功了，提交offset=3
- 开始处理offset=3的消息，处理完成后，但提交offset=4前，此消费者突然意外挂掉了，所以也没能进入异常处理。偏移量没能成功提交。
- 消费者进行了再均衡，新的消费者接手此分区进行消费，取到的offset还是上一次提交的3，那么将会重复消费offset=3的消息。
所以我们应平衡重复消费发生的概率和程序的效率，来设置提交的时机。同时程序逻辑一定做好重复消费的检查工作！
2.5 回顾
本节从协调器讲起，首先介绍了消费者协调器和组协调器，以及他们是如何配合工作的。从消费偏移量的管理展开，详细介绍了偏移量的提交，及提交的最佳实践。本节没有涉及代码部分，所有知识点相关的代码将在最后一章中统一给出。现在的要求只是理解知识点。
下一步：开始《kafka核心组件和流程--日志管理器》的学习