kafka笔记

Kafka：数据管道、流分析、数据集成和关键任务应用。存储、计算、分析、集成

消息队列 场景

缓存/消峰：数据量过大时，消息队列缓存数据，服务端缓慢读取

解耦：数据源、目的地不同，符合接口约束即可

异步通信：无所谓的工作，由其他从kafka中读取完成

模式

• 点对点：一对一，消费者读取后删除
• 发布订阅模式（设计模式）：多对多，消费者相互独立，消费后不删除，其他消费者可以读到数据。多个topic主题

基础架构

• 海量数据，为提高吞吐量分区，一个topic分为多个partition。一个分区的数据只能由一个消费者来消费
• 为提高可用性，为每个partition增加若干副本，partition为leader，副本为follower，生产和消费只针对leader，leader挂掉后follower推举产生新的leader
• 分区信息， leader和follower信息由zk存储，新版本可以不使用zk存储
• Consumer Group（CG）：消费者组，由多个consumer组成。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，即消费者组是逻辑上的一个订阅者。

发送原理

序列化器：客户指定，java自带的过重
分区器：分区器在内存中，大小32m，实际上为一个缓存队列，包含多个双端队列。一个分区一个队列，将数据发送到对应的队列中（一个数据发往多个队列）。分区器中还包含一个内存池，每一批次数据从内存池取内存插入队列，发送成功后删除数据，内存释放回内存池
sender：从分区器中读取数据发到kafka，队列中累积16k数据为一组读取发送。如果未达到16k，在达到linger.ms时间也读取发送。每个分区一个队列，读取对应分区队列的数据发送到对应分区（leader和follower）。如果分区未应答，可继续发送，最多可发送五组数据，如果仍未应答则不再发送。分区应答，回复成功，则清除sender发送的数据以及分区器队列中的数据，失败则重试（次数不限）。
异步发送：将外部数据发送到分区器中（同步发送，等上一批数据已发送到kafka集群中再继续发送）

异步发送

// 1.创建kafka生产者的配置对象
Properties properties = new Properties();

// 2.给kafka配置对象添加配置信息
properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "hadoop102:9092");
// key,value序列化（必须）：key.serializer，value.serializerproperties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG,
StringSerializer.class.getName());
properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG,StringSerializer.class.getName());

// 3.创建kafka生产者对象
KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<String, String>(properties);

// 4.调用send方法,发送消息
for (int i = 0; i <5; i++) {
	//添加回调
	kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first", "atguigu" + i),new Callback(){
		//该方法在Producer收到ack时调用，为异步调用
		@Override
		public void onCompletion(RecordMetadata metadata, Exception exception) {
			if (exception == null) {
				//没有异常,输出信息到控制台
				System.out.println("主题：" +
				metadata.topic()+ "->"  + "分区：" +metadata.partition());
			} else {
				//出现异常打印
				exception.printStackTrace();
			}
		}
	});
	//延迟一会会看到数据发往不同分区
	Thread.sleep(2);
}

// 5.关闭资源
kafkaProducer.close();

同步发送

// 1.创建kafka生产者的配置对象
Properties properties = new Properties();

// 2.给kafka配置对象添加配置信息
properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "hadoop102:9092");
// key,value序列化（必须）：key.serializer，value.serializerproperties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG,
StringSerializer.class.getName());
properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG,StringSerializer.class.getName());

// 3.创建kafka生产者对象
KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<String, String>(properties);

// 4.调用send方法,发送消息
for (int i = 0; i <5; i++) {
	//异步发送默认
//            kafkaProducer.send(newProducerRecord<>("first","kafka" + i));
	//同步发送
	kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first","kafka" + i)).get();
}

// 5.关闭资源
kafkaProducer.close();

分区

• 便于合理使用存储资源，数据存储在多台Broker上。合理控制分区的任务，可以实现负载均衡的效果。
• 提高并行度，生产者可以以分区为单位发送数据；消费者可以以分区为单位进行消费数据。

有指定分区，按指定分区，没有制定分区按key，没有制定分区没有key，随机一个一直使用直到已满或已完成，再随机一个（必须和上一个随机的不同）

可自定义分区器：实现Partitioner接口

生产者提高吞吐量：

batch.size：批次大小，默认16k
linger.ms：等待时间，修改为5-100ms
compression.type：压缩snappy
RecordAccumulator：缓冲区大小，修改为64m

数据可靠性

ack应答

• 0：生产者发送过来的数据，不需要等数据落盘应答。效率最高。如果服务端挂掉则数据丢失（此时数据在内存中，或未收到），不安全
• 1：生产者发送过来的数据，Leader收到数据后应答。应答后，leader数据还未与follower同步就挂掉，则数据丢失
• -1（all）：生产者发送过来的数据，Leader+follower（ISR队列）收齐数据后应答。数据可靠，若一个follower挂掉则无法收齐。
  ISR队列：和Leader保持同步的Leader+follower，follower一段时间内未与leader同步数据或通信则认为follower挂掉，踢出ISR队列。
  若分区副本数为1，或ISR应答最小副本数量=1，当follower挂了，则与ack=1情况相同
  数据完全可靠条件：ack=-1+分区副本数>=2+ISR应答最小副本数量>=2
  数据重复（ack=-1）
  leader+部分follower获得数据，未收齐时leader挂掉，没有回复ack，则重新选举leader，重发数据，follower可能获得一个已获得的数据。

数据重复

最多收一次：ack=0
最少收一次：ack=-1
精确一次：

幂等性

幂等性就是指Producer不论向Broker发送多少次重复数据，Broker端都只会持久化一条，保证了不重复。
精确一次（ExactlyOnce）=幂等性+至少一次（ack=-1+分区副本数>=2+ISR最小副本数量>=2）。
重复数据的判断标准：具有相同主键的消息提交时，Broker只会持久化一条。
其中PID是生产者id，kafka每重启一次，产生一个新的id；Partition表示分区号；SequenceNumber是单调自增的。
所以幂等性只能保证的是在单分区单会话内不重复。
如果重复，不会在磁盘中落盘，在内存中删掉

事务

数据有序

保证单分区内有序
可以完成多分区内有序：多个分区统一读取，排序，效率低。不如只用一个topic

数据乱序

生产者最多可接受kafka五个数据包没有应答
eg：①②正常发送，③失败，④正常，③重发

方案：
（1）未开启幂等性
max.in.flight.requests.per.connection需要设置为1。
（2）开启幂等性
max.in.flight.requests.per.connection需要设置小于等于5。
原因说明：因为在kafka1.x以后，启用幂等后，kafka服务端会缓存producer发来的最近5个request的元数据，故无论如何，都可以保证最近5个request的数据都是有序的。

①②有序，正常落盘，应到③，实际收到④，则内存中缓存④，直到收到③

broker工作流程

offset存于kafka 的topic中
broker启动向zk注册，zk存储broker、leader相关信息
zk选举leader 按照AR中的顺序，要求ISR中存活的
follower主动拉取数据，与leader同步

数据以log形式存放，实际分为多个segment，为segment建立索引，便于查找

follower故障

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。

消费者能见到的最大的offset = HW-1

leader故障

从ISR中选出一个新的Leader
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文件高于HW的部分截掉，然后从新的Leader同步数据。
只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。

数据查找

分区数据以log形式存储，log分片为segment，对segment建索引
数据在末尾插入到log中
index为稀疏索引，4kb数据一条索引

index文件名中有offset
根据文件名，判断使用哪个index文件
index文件名中的offset+index存储的相对offset 选择适当的log文件
根据log文件查找位置

文件清除

delete：以segment中最后文件的时间为时间戳，计算过期时间
数据过大，超出最大范围，则删除最早的segment
compact压缩：
同一个key只留最新的value，其余删掉

高效读写

• 分布式
• 稀疏索引，快速定位
• 顺序写磁盘
• 页缓存+零拷贝：不对数据进行处理，不走应用层，所以零拷贝（linux提供），效率更高。数据到kafka存储于页缓存，然后存于内存/落盘
• 16kb一个包，传输次数减少

消费者流程

消费者消费的offset，存于kafka集群，topic相关位置。如果存在zk，会导致客户端和zk频繁通信

一个消费者可以消费多个分区
一份分区只能由消费者组内的一个消费者消费
组内每个消费者负责消费不同分区

消费者组初始化

根据groupid 选择分区，所有消费者与分区的coordinator通信，coordinator选择一个消费者做leader，将相关信息反馈给消费者leader，leader制定合适的消费计划把方案发给coordinator，coordinator发给所有消费者。如果消费者挂掉或者消费时间过长，则将其消费工作Rebalance，分配给其他消费者

消费一次，1k-50m数据/一定时间内的数据为一条，一次五百条

分区分配策略

range：一个topic的全部分区按分区号排序，平均分给所有消费者，除不尽的给最前面的几个消费者。
数据倾斜：最前面的几个消费者获取更多数据，如果多个topic，则前面几个消费者总能获得更多数据，压力大
RoundRobin：所有Topic所有的partition按照hashcode排序，轮询分配partition给到各个消费者。
Sticky：全部分区乱序，其他约等于range

自动提交offset

每隔五秒，自动提交
重复消费：已消费，未提交，消费者挂了，则重启后，从旧offset处消费

手动提交

同步/异步提交：消费数据&提交offset
漏消费：已消费，offset已提交，数据未落盘，消费者挂了，则数据丢失。重启后从offset位置向后消费

避免数据重复/丢失：生产端，消费者应支持事务

指定位置消费

指定offset：消费者中设置offset
指定时间：时间转为offset

数据积压（消费者提高吞吐量）

增加分区和消费者
消费者拉取数据50m，500条，修改参数