Kafka-消息队列知识要点

KafKa

1.0 简介

1.0.1 消息队列

消息队列是一种用来储存消息的队列（先进先出）。消息队列，就是将需要传输的数据存放在队列中，实现管道作用。消息队列不是一个永久性的储存，是作为临时存储存在的（设定一个期限：设置消息在MQ中保存10天）。

1.0.2 消息中间键（消息队列的组件）

消息中间件就是用来储存消息的软件（组件），连接各个系统。

1.0.3 消息队列的应用场景

1.0.3.1 异步处理

1.0.3.2 系统解耦

1.0.3.3 流量削峰

1.0.3.4 日志处理

大型电商网站（淘宝、京东、国美、苏宁…）、App（抖音、美团、滴滴等）等需要分析用户行为，要根据用户的访问行为来发现用户的喜好以及活跃情况，需要在页面上收集大量的用户访问信息。

使用消息队列，作为临时存储，或者一种通信管道。

1.0.4 消息队列的模型

1.0.4.1 生产者、消费者模式

Java服务器端开发的交互模型：

生产者、消费者模型:

• 生产者可以生产消息到消息队列中，消费者可以把消息队列中的中的数据取出。
• 消费者和生产者之间是解耦的

1.0.5 消息队列的两种模式

1.0.5.1 点对点模式

消息发送者发送消息到队列中，然后消息接收者从消息队列中取出并消费消息。消息被消费以后，消息队列中不在存储，所以消息接受者不可能消费到已经被消费的消息

• 每个消息只有一个接收者（一旦被消费，消息就不在消息队列中）
• 发送者和接收者之间没有依赖性，发送者发送消息之后，不管有没有接收者在允许，动不会影响到发送者下次发送消息。
• 接收者在成功接收消息之后需向队列应答成功，以便消息队列删除当前接收消息

1.0.5.2 发布订阅模式

• 每个消息可以有多个订阅者
• 发步骤和订阅者之间有在时间上的依赖。针对某个主题的订阅者，必须创建一个订阅者之后，才能消费发布者的消息
• 为了消费信息，订阅者需要提前订阅该角色主题，并保存在线运行

1.1.1 Kafka 介绍

kafka是一个分布式流平台。

• 发布和订阅流数据流，类似于消费队列或者式企业消息传递系统
• 以容错的持久化存储数据流
• 处理数据流(流处理)

1.1.1.1 应用场景

• 建立实时的数据管道，以可靠地在系统或应用程序之间获取数据
• 构建实时流应用程序，以转换或者响应数据流

2 kafka 基础操作

2.1 创建topic

创建一个topic（主题）。Kafka中所有的消息都是保存在主题中，要生产消息到Kafka，必须要一个确定的主题。

# 创建test 主题
bin/kafka-topics -create --bootstrap-server node1 --topic test
# 产看当前Kafka中的主题
bin/kafka-topics --list --bootstrap-server node1:9092

2.2 生产消息到Kafka

使用Kafka内置的测试程序，生产一些消息到Kafka的test主题中。

bin/kafka-console-producer.sh --broker-list node1:9092 --topic test

2.3 从kafka消费信息

使用下面的命令来消费 test 主题中的消息

bin/kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server node1:9092 --topic test --from-beginning

3. Kafka 架构

3.0 基本架构

3.1 重要概念

3.1.1 Broker

• 一个kafka的集群通常由多个broker组成，这样才能实现负载均衡、以及容错
• broker是无状态的，它们通过Zookeeper来维护集群
• 一个kafka的broker每秒可以处理数十万读写，每个broker都可以处理TB消息而不影响性能

3.1.2 Zookpeer

• ZK用来管理和协调broker，并且存储了Kafka的元数据（例如：有多少topic、partition、consumer）
• ZK服务主要用于通知生产者和消费者Kafka集群中有新的broker加入、或者Kafka集群中出现故障的broker。

3.1.3 producer（生产者）

• 生产者负责将数据推送给broker的topic

3.1.4 consumer（消费者）

• 消费者从broker的topic中拉取数数据，并自己进行处理

3.1.5 consumer group(消费者组)

• consumer group 是kafka提供可扩展且具有容错性的消费者机制
• 一个消费者组可以包含多个消费者
• 一个消费者组由一个唯一ID（group id）
• 组内的消费者一起消费主题的所有分区数据

3.1.6 partitions(分区)

• 在Kafka集群中，主题被分为多个分区
• 在同一个分区中数据是有序的
• 为了增加吞吐性

3.1.7 副本（Replicas）

• 副本可以确保某个服务器出现故障时，确保数据依然可用
• 在Kafka中，一般都会设置副本的个数>1

3.1.8 主题（Topic）

• 主题时一个逻辑概念，用于生产者发布数据，消费者拿去数据
• 主题必须有表示符，而且是唯一的，kafka中可以有任意数量的主题，没有数量上的限制
• 在主题的消息是由结构的，一般一个主题包含某一类的消息
• 一旦生产者发送到主题中，这些消息就不能被更改（跟新）

3.1.8 偏移量（offset）

• offset 记录着下一条将要发送到consumer的消息序号
• 默认将offset储存在ZooKeeper中
• 在分区中，消息是由顺序的方式储存，每个在分区的消费者都有一个递增的id。就是偏移量
• 偏移量在分区中才有意义。在分区之间，offset是没有任何意义的4.0 Kafka的架构

3.2 Kafka 工作流程及文件存储机制

3.2.1 Kafka 工作流程

Kafka中消息是以topic进行分类的，生产者生产消息，消费者消费消息，都是面向topic的。

topic是逻辑上的概念，而partition是物理上的概念每个partition对应一个log文件，该log文件中储存的就是producer生产的数据。Producer生产的数据会被不断的追加到该log文件末端，且每条数据都有自己的offest。消费者组中的每个消费者，都会实时记录自己消费到了那个offset，以便出错恢复时，从上次的位置继续消费。

生产者生产的消息会不断的追加到log文件末尾，大文件顺序读写的时候比较快，然而为防止log文件过大导致定位效率低下，Kafla采取了分片和索引机制，当文件很大的时候（根据配置文件的设置，默认为1gb，开始分割。默认log文件一星期清除一次），将每个partition分为多个segment。每个segment对应2个文件**.index（时间索引和位置索引）和一个log文件，该文件的命名规则为topic名称+分区序号

“.index”文件存储大量的索引信息，“.log”文件存储大量的数据，索引文件中的元数据指向对应数据文件中message的物理偏移地址。

3.2.2 生产者(Kafka的数据也是K-V对)

3.2.2.1 分区策略

• 1）分区原因：

  （1）方便在集群中扩展，每个partition可以通过调整以适应所在的机器，而一个topic又可以有多个Partition组成，因此整个集群就可以适应任意大小的数据了；

  （2）可以提高并发，因为可以以Partition为单位读写

• 2）分区原则（k-v由生产者指定的）

  将producer发送的数据封装成一个producerRecord对象

  • 指明 partition 的情况下，直接将指明的值直接作为 partition 值；
  • 没有指明 partition 值但有 key 的情况下，将 key 的hash 值与topic 的 partition数进行取余得到 partition 值；
  • 既没有 partition 值又没有 key 值的情况下，第一次调用时随机生成一个整数（后面每次调用在这个整数上自增），将这个值与topic 可用的partition 总数取余得到 partition 值，也就是常说的 round-robin 算法。

3.2.2.2 数据可靠性保证

为保证product发送的数据，能可靠的发送到指定的topic，topic的每日个人partition收到producer发送的数据后，都需要向producer发送ack（acknowledgement确认收到），如果product收到ack，就会进行下一轮的发送，否则重新发送数据。

1）副本数据同步策略（全部同步完成，才发送ack)

方案	优点	缺点
半数以上完成同步，就发送ack	延迟低	选举新的leader时，容忍n台节点的故障，需要2n+1个副本
全部完成同步，才发送ack	选举新的leader时，容忍n台节点的故障，需要n+1个副本	延迟高

Kafka选择了第二种方案，原因如下：

（1）同样为了容忍n台节点的故障，第一种方案需要2n+1个副本，而第二种方案只需要n+1个副本，而Kafka的每个分区都有大量的数据，第一种方案会造成大量数据的冗余。

（2）虽然第二种方案的网络延迟会比较高，但网络延迟对Kafka的影响较小

2）ISR

采用第二种方案之后，设想以下情景：leader收到数据，所有follower都开始同步数据，但有一个follower，因为某种故障，迟迟不能与leader进行同步，那leader就要一直等下去，直到它完成同步，才能发送ack。这个问题怎么解决呢？

Leader维护了一个动态的in-sync replica set (ISR)，意为和leader保持同步的follower集合。当ISR中的follower完成数据的同步之后，leader就会给producer发送ack。如果follower长时间未向leader同步数据，则该follower将被踢出ISR，该时间阈值由replica.lag.time.max.ms参数设定。Leader发生故障之后，就会从ISR中选举新的leader。

3）ack应答机制

对于某些不太重要的数据，对数据的可靠性要求不是很高，能够容忍数据的少量丢失，所以没必要等ISR中的follower全部接收成功。

所以Kafka为用户提供了三种可靠性级别，用户根据对可靠性和延迟的要求进行权衡，选择以下的配置。

acks参数配置：

acks：

0：producer不等待broker的ack，这一操作提供了一个最低的延迟，broker一接收到还没有写入磁盘就已经返回，当broker故障时有可能**丢失数据**；

1：producer等待broker的ack，partition的leader落盘成功后返回ack，如果在follower同步成功之前leader故障，那么将会丢失数据；

-1（all）：producer等待broker的ack，partition的leader和follower全部落盘成功后才返回ack。但是如果在follower同步完成后，broker发送ack之前，leader发生故障，那么会造成数据重复。

4）故障处理细节

（1）follower故障

​ fllower发生故障后被临时踢出ISR,待该follower恢复后，follower会读取本地磁盘记录的上次的HW，并将log文件高于HW的部分截取掉，从HW开始向leader进行同步。等该floower的LEO大于Partition的HW，及follower追上leader之后，就可以重复加入ISR。

（2）Leader故障

leader发生故障后，会从ISR中选取出一个新的leader，之后，为保证多个副本之间的数据一致性，其余的follower会将各自log高于HW的部分截掉，然后从新的leader同步数据

3.2.2.3 数据可靠性保证

在生产者生产消息是，如果出现retry时，有可能会一条消息发送了多次，如果Kafla不具备幂等性的，就有可能在partition中保存多条一摸一样的消息

1）幂等性原理

为了实现生产者的幂等性，Kafka引入了 Producer ID（PID）和 Sequence Number的概念。

• PID：每个Producer在初始化时，都会分配一个唯一的PID，这个PID对用户来说，是透明的。
• Sequence Number：针对每个生产者（对应PID）发送到指定主题分区的消息都对应一个从0开始递增的Sequence Number。

要启用幂等性，只需要将Producer的参数中enable.idompotence设置为true即可。Kafka的幂等性实现其实就是将原来下游需要做的去重放在了数据上游。开启幂等性的Producer在初始化的时候会被分配一个PID，发往同一Partition的消息会附带Sequence Number。而Broker端会对做缓存，当具有相同主键的消息提交时，Broker只会持久化一条。

幂等性无法保证跨分区会话。

3.2.3 消费者

3.2.3.1 消费模式

push（推）模式很难适应消费速率不同的消费者，因为消息发送速率是由broker决定的。它的目标是尽可能以最快速度传递消息，但是这样很容易造成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。而pull模式则可以根据consumer的消费能力以适当的速率消费消息。

pull模式不足之处是，如果kafka没有数据，消费者可能会陷入循环中，一直返回空数据。针对这一点，Kafka的消费者在消费数据时会传入一个时长参数timeout，如果当前没有数据可供消费，consumer会等待一段时间之后再返回，这段时长即为timeout。

3.2.3.2 分区分配策略

一个consumer group 中有多个comsumer，一个topic有多个partition。

Kafka有分配策略:roundrobin,range,Stricky（rebalance时启用）。（cousumer数量比partition少的时候）

1)roundrobin(轮询)

将消费组内所有消费者以及消费者所订阅的所有topic的partition按照字典序排序（topic和分区的hashcode进行排序），然后通过轮询方式逐个将分区以此分配给每个消费者。

2)range范围分配策略是Kafka默认的分配策略，它可以确保每个消费者消费的分区数量是均衡的。

3)Stricky粘性分配

从Kafka 0.11.x开始，引入此类分配策略,为了：分区分配尽可能均匀；在发生rebalance的时候，分区的分配尽可能与上一次分配保持相同。

没有发生rebalance时，Striky粘性分配策略和RoundRobin分配策略类似:

上面如果consumer2崩溃了，此时需要进行rebalance。如果是Range分配和轮询分配都会重新进行分配，

consumer0和consumer1原来消费的分区大多发生了改变。采用粘性分配策略。

Striky粘性分配策略，保留rebalance之前的分配结果。这样，只是将原先consumer2负责的两个分区再均匀分配给consumer0、consumer1，这样可以明显减少系统资源的浪费。

3.2.3.3 offset的维护

由于consumer在消费过程中有可能出现断电宕机的故障，consumer恢复后，需要从故障前的位置继续消费，所以counsumer需要实时记录自己消费到了那一个offset，以便故障恢复后继续消费。

0.9 版之前，consumer默认将offset保存在zookeeper中，0.9版本之后，consumer默认将offset保存在kafka哟个内置的topic中，该topic为__comsumer_offsets。

3.2.4 Kafka 高效读写数据

3.2.2.1 顺序写磁盘

kafkad的product生产数据，需要写入log中，写的过程是一直追加文件到文件末端，为顺序写，其中省去了大量的寻址时间

3.2.2.2 应用Pagecache（页面缓存）

Kafka数据持久化是直接持久化到Pagecache，先将读写缓存在内存中，然后组装成顺序读写写（操作系统提供）

• I/O Scheduler 会将连续的小块写组装成大块的物理写从而提高性能
• I/O Scheduler 会尝试将一些写操作重新按顺序排好，从而减少磁盘头的移动时间
• 充分利用所有空闲内存（非 JVM 内存）。如果使用应用层 Cache（即 JVM 堆内存），会增加 GC 负担
• 读操作可直接在 Page Cache 内进行。如果消费和生产速度相当，甚至不需要通过物理磁盘（直接通过 Page Cache）交换数据
• 如果进程重启，JVM 内的 Cache 会失效，但 Page Cache 仍然可用

持久化到Pagecache上可能会造成宕机丢失数据的情况，但这可以被Kafka的Replication机制解决

3.2.2.3 零拷贝技术

所有的缓存只发生了页面缓存，没有发生其他的拷贝。 操作系统提供的机制

3.2.5 Zookeeper 在kafka中的作用

Kakfa集群中有一个broker会被选举成为Controller（谁快，谁线在zookeeper中建立节点），负责管理集群broker的上下线，所有的topic的分区副本分片和leader选举过程。Controller的管理工作都是依赖于Zookeeper的

3.2.6 Kakfa事务

。Kafka事务指的是生产者生产消息以及消费者提交offset的操作可以在一个原子操作中，要么都成功，要么都失败。尤其是在生产者、消费者并存时，事务的保障尤其重要。（consumer-transform-producer模式）

3.2.6.1 Producer 事务

为了实现跨分区会话的事务，需要引入一个全局的唯一的Transaction ID，并将Producer获得PID和Transaction ID绑定。这样当Producer重启后就可以通过正在进行的Transaction ID获取原来的PID

为了管理Transaction，Kafka引入了一个新的组件Transaction Coordinator。Producer就是通过和Transaction Coordinator交互获得Transaction ID对应的任务状态。Transaction Coordinator还负责将事务所有写入Kafka的一个内部Topic，这样即使整个服务重启，由于事务状态得到保存，进行中的事务状态可以得到恢复，从而继续进行。

3.2.6.2 Consumer 事务

server对consumer没有控制能力，consumer通常不考虑。如果控制消费行为得用户自己实现业务逻辑

事务机制主要是从Producer方面考虑，对于Consumer而言，事务的保证就会相对较弱，尤其时无法保证Commit的信息被精确消费。这是由于Consumer可以通过offset访问任意信息，而且不同的Segment File生命周期不同，同一事务的消息可能会出现重启后被删除的情况。

如果想完成Consumer端的精准一次性消费，那么需要kafka消费端将消费过程和提交offset过程做原子绑定。此时我们需要将kafka的offset保存到支持事务的自定义介质中（比如mysql）。这部分知识会在后续项目部分涉及。

4 Kafka API

4.1 Producer API

Kafka的Producer发送消息采用的是异步发送的方式。在消息发送的过程中，涉及到了两个线程——main线程和Sender线程(守护线程)，以及一个线程共享变量——RecordAccumulator。main线程将消息发送给RecordAccumulator，Sender线程不断从RecordAccumulator中拉取消息发送到Kafka broker。

参数：

batch.size：只有数据积累到batch.size之后，sender才会发送数据。

linger.ms：如果数据迟迟未达到batch.size，sender等待linger.time之后就会发送数据。

public class KafkaProducerTest {
     
    /**
     * todo-测试Kafka生产者
     * 1. 创建用于连接Kafka的Properties配置
     * 2. 创建一个生产者对象KafkaProducer，并且kafka配置信息
     * 3. 调用send发送1-100消息到指定Topic test，并获取返回值Future，该对象封装了返回值
     * 4. 再调用一个Future.get()方法等待响应
     * 5. 关闭生产者
     */
    @Test
    public void testKafkaProduct() throws ExecutionException, InterruptedException {
     
        //1. 创建用于连接Kafka的Properties配置
        Properties props = new Properties();
        props.setProperty("bootstrap.servers", "192.168.88.161:9092");
        props.setProperty("ack","all");
        props.setProperty("key.serializer","org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
        props.setProperty("value.serializer","org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
        // 2.创建一个生产者对象KafkaProducer，并且kafka配置信息
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(props);
        // 调用send发送1-100消息到指定Topic test，并获取返回值Future，该对象封装了返回值
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
     
            // TODO　方式一使用同步等待的方式生产数据
            //String topic, K key, V value
            //ProducerRecord producerRecord = new ProducerRecord<>("test", null, i + "");
            //Future future = kafkaProducer.send(producerRecord);
            // 调用getFuture的get方法等待响应
            //future.get();
            // System.out.println("第"+i+"条消息写入成功");
            // TODO 方式二 使用异步回调的方式发送消息
            ProducerRecord<String, String> producerRecord = new ProducerRecord<>("test", null, i + "");
            kafkaProducer.send(producerRecord, new Callback() {
     
                @Override
                public void onCompletion(RecordMetadata metadata, Exception exception) {
     
                    // 判断消息是否成功
                    // 在发送消息出现异常的时候，能够即使打印出异常信息
                    // 消息成功式，打印topic、分区id、offset
                    if (exception ==null){
     
                        // 发送成功
                        String topic = metadata.topic();
                        int partition = metadata.partition();
                        long offset = metadata.offset();
                        System.out.println("topic:"+topic+"   partition:"+partition+"  offset:"+offset);
                    }else {
     
                        // 发送出现错误
                        System.out.println("出现异常");
                        // 打印异常消息
                        System.out.println(exception.getMessage());
                        // 打印调用栈
                        System.out.println(Arrays.toString(exception.getStackTrace()));
                    }

                }
            });

        }
        kafkaProducer.close();
    }
}

4.2 Consumer API

public class KafkaConsumerTest {
     
    @Test
    public void testKafkaConsumer() throws InterruptedException {
     
        Properties props = new Properties();
        props.setProperty("bootstrap.servers", "node1:9092");
        //消费者组
        props.setProperty("group.id", "test");
        //自动提交offset
        props.setProperty("enable.auto.commit", "true");
        //offset提交间隔时间
        props.setProperty("auto.commit.interval.ms", "1000");
        //反序列化key的值
        props.setProperty("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        //反序列化value的值
        props.setProperty("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");

        // 创建消费者
        KafkaConsumer<String, String> kafkaConsumer = new KafkaConsumer<>(props);
        // 订阅要消费的主题
        kafkaConsumer.subscribe(Arrays.asList("test"));
        while (true) {
     
            
            // 消费者一次拉取一批数据
            ConsumerRecords<String, String> consumerRecords = kafkaConsumer.poll(Duration.ofSeconds(5));
            //如果没有拉取到数据，就停30m
            if (consumerRecords.count()==0){
     
                Thread.sleep(30);
            }
            for (ConsumerRecord<String, String> consumerRecord : consumerRecords) {
     
                // 主题
                String topic = consumerRecord.topic();
                // offset：这条消息处于kafka分区中那个位置
                long offset = consumerRecord.offset();
                // key/value
                String key = consumerRecord.key();
                String value = consumerRecord.value();
                System.out.println("topic = " + topic + " ,offset = " + offset + " ,key = " + key + " ,value = " + value);
            }
        }
    }
}

onsumerRecord : consumerRecords) {
     
                // 主题
                String topic = consumerRecord.topic();
                // offset：这条消息处于kafka分区中那个位置
                long offset = consumerRecord.offset();
                // key/value
                String key = consumerRecord.key();
                String value = consumerRecord.value();
                System.out.println("topic = " + topic + " ,offset = " + offset + " ,key = " + key + " ,value = " + value);
            }
        }
    }
}