Kafka设计原理详解

架构图：

Kafka核心总控制器Controller

在Kafka集群中会有一个或者多个broker，其中有一个broker会被选举为控制器（Kafka Controller），它负责管理整个集群中所有分区和副本的状态。

• 当某个分区的leader副本出现故障时，由控制器负责为该分区选举新的leader副本。
• 当检测到某个分区的ISR（已同步的副本）集合发生变化时，由控制器负责通知所有broker更新其元数据信息。
• 当使用kafka-topics.sh脚本为某个topic增加分区数量时，同样还是由控制器负责让新分区被其他节点感知到。

总结：Controller是Broker的Leader，通过Controller来决定Partition的Leader。

Controller选举机制

在kafka集群启动的时候，会自动选举一台broker作为controller来管理整个集群，选举的过程是集群中每个broker都会尝试在zookeeper上创建一个/controller临时节点，zookeeper会保证有且仅有一个broker能创建成功，这个broker就会成为集群的总控器controller。
当这个controller角色的broker宕机了，此时zookeeper临时节点会消失，集群里其他broker会一直监听这个临时节点，发现临时节点消失了，就竞争再次创建临时节点，就是我们上面说的选举机制，zookeeper又会保证有一个broker成为新的controller。
具备控制器身份的broker需要比其他普通的broker多一份职责，具体细节如下：

1. 监听broker相关的变化。为zookeeper中的/brokers/ids/节点添加BrokerChangeListener，用来处理broker增减的变化。
2. 监听topic相关的变化。为zookeeper中的/brokers/topics节点添加TopicChangeListener，用来处理topic增减的变化；为zookeeper中的/admin/delete_topics节点添加TopicDeletionListener，用来处理删除topic的动作。
3. 从zookeeper中读取获取当前所有与topic、partition以及broker有关的信息并进行相应的管理。对于所有topic所对应的zookeeper中的/brokers/topics/[topic]节点添加PartitionModificationsListener，用来监听topic中的分区分配变化。
4. 更新集群的元数据信息，同步到其他普通的broker节点中。

Partition副本选举Leader机制

controller感知到分区leader所在的broker挂了（controller监听了很多zk节点可以感知到broker存活），controller会从ISR列表（参数unclean.leader.election.enable=false的前提下）里挑第一个broker作为leader（第一个broker最先放进ISR列表，可能是同步数据最多的副本），如果参数unclean.leader.election.enable=true，代表在ISR列表里所有副本都挂了的时候可以在ISR列表以外的副本中选leader，这种设置，可以提高可用性，但是选出的新leader有可能数据少很多。
副本进入ISR列表有两个条件：

1. 副本节点不能产生网络分区，必须能与zookeeper保持会话以及跟leader副本网络连通。
2. 副本能复制leader上的所有写操作，并且不能落后太多。（与leader副本同步滞后的副本，是由replica.lag.time.max.ms配置决定的，超过这个时间都没有跟leader同步过的一次的副本会被移出ISR列表）。

消费者Rebalance机制

rebalance就是说如果消费组里的消费者数量有变化或消费的分区数有变化，kafka会重新分配消费者消费分区的关系。比如consumer group中某个消费者挂了，此时会自动把分配给他的分区交给其他的消费者，如果他又重启了，那么又会把一些分区重新交还给他。
注意：rebalance只针对subscribe这种不指定分区消费的情况，如果通过assign这种消费方式指定了分区，kafka不会进行rebanlance。
如下情况可能会触发消费者rebalance：

1. 消费组里的consumer增加或减少了
2. 动态给topic增加了分区
3. 消费组订阅了更多的topic

rebalance过程中，消费者无法从kafka消费消息，这对kafka的TPS会有影响，如果kafka集群内节点较多，比如数百个，那重平衡可能会耗时极多，所以应尽量避免在系统高峰期的重平衡发生。

Rebalance分区分配策略

主要有三种rebalance的策略：range、round-robin、sticky。
kafka提供了消费者客户端参数partition.assignment.strategy来设置消费者与订阅主题之间的分区分配策略。默认情况为range分配策略。
假设一个主题有10个分区（0-9），现在有三个consumer消费：

• range策略

按照分区序号排序，假设n＝分区数／消费者数量=3，m＝分区数%消费者数量=1，那么前m个消费者每个分配n+1个分区，后面的（消费者数量－m ）个消费者每个分配n个分区。
比如分区0_{3给一个consumer，分区4}6给一个consumer，分区7~9给一个consumer。

• round-robin策略

轮询分配，比如分区0、3、6、9给一个consumer，分区1、4、7给一个consumer，分区2、5、8给一个consumer。

• sticky策略

初始时分配策略与round-robin类似，但是在rebalance的时候，需要保证如下两个原则。
1）分区的分配要尽可能均匀 。
2）分区的分配尽可能与上次分配的保持相同。
当两者发生冲突时，第一个目标优先于第二个目标 。这样可以最大程度维持原来的分区分配的策略。
比如对于第一种range情况的分配，如果第三个consumer挂了，那么重新用sticky策略分配的结果如下：
consumer1除了原有的0~3，会再分配一个7。
consumer2除了原有的4~6，会再分配8和9。

Rebalance过程

当有消费者加入消费组时，消费者、消费组及组协调器之间会经历以下几个阶段。

• 第一阶段：选择组协调器

组协调器GroupCoordinator：每个consumer group都会选择一个broker作为自己的组协调器coordinator，负责监控这个消费组里的所有消费者的心跳，以及判断是否宕机，然后开启消费者rebalance。
consumer group中的每个consumer启动时会向kafka集群中的某个节点发送FindCoordinatorRequest请求来查找对应的组协调器GroupCoordinator，并跟其建立网络连接。
组协调器选择方式：consumer消费的offset要提交到__consumer_offsets的哪个分区，这个分区leader对应的broker就是这个consumer group的coordinator。

• 第二阶段：加入消费组JOIN GROUP

在成功找到消费组所对应的GroupCoordinator之后就进入加入消费组的阶段，在此阶段的消费者会向 GroupCoordinator发送JoinGroupRequest请求，并处理响应。然后GroupCoordinator从一个consumer group中选择第一个加入group的consumer作为leader（消费组协调器），把consumer group情况发送给这个leader，接着这个leader会负责制定分区方案。

• 第三阶段（ SYNC GROUP)

consumer leader通过给GroupCoordinator发送SyncGroupRequest，接着GroupCoordinator就把分区方案下发给各个consumer，他们会根据指定分区的leader broker进行网络连接以及消息消费。

Producer发布消息机制剖析

写入方式

producer采用push模式将消息发布到broker，每条消息都被append到patition中，属于顺序写磁盘（顺序写磁盘效率比随机写内存要高，保障kafka吞吐率）。

消息路由

producer发送消息到broker时，会根据分区算法选择将其存储到哪一个partition。其路由机制为：

1. 指定了patition，则直接使用。
2. 未指定patition但指定key，通过对key的value进行hash选出一个patition。
3. patition和key都未指定，使用轮询选出一个patition。

写入流程

1. producer先从zookeeper的/brokers/.../state节点找到该partition的leader。
2. producer将消息发送给该leader。
3. leader将消息写入本地log。
4. followers从leader pull消息，写入本地log后向leader发送ACK。
5. leader收到所有ISR中的replica的ACK后，增加HW（high watermark，最后commit的offset）并向 producer发送ACK。

持久化ack的几种模式

• acks=0

表示producer不需要等待任何broker确认收到消息的回复，就可以继续发送下一条消息。性能最高，但是最容易丢消息。

• acks=1

至少要等待leader已经成功将数据写入本地log，但是不需要等待所有follower是否成功写入。就可以继续发送下一条消息。这种情况下，如果follower没有成功备份数据，而此时leader又挂掉，则消息会丢失。

• acks=-1或all

需要等待min.insync.replicas（默认为1，推荐配置大于等于2）这个参数配置的副本个数都成功写入日志，这种策略会保证只要有一个备份存活就不会丢失数据。这是最强的数据保证。一般除非是金融级别，或跟钱打交道的场景才会使用这种配置。

HW与LEO详解

HW俗称高水位，HighWatermark的缩写，取一个partition对应的ISR中最小的LEO（log-end-offset）作为HW（即已同步的副本中最小的offset），consumer最多只能消费到HW所在的位置。另外每个replica都有HW，leader和follower各自负责更新自己的HW的状态。对于leader新写入的消息，consumer不能立刻消费，leader会等待该消息被所有ISR中的replicas同步后更新HW，此时消息才能被consumer消费。这样就保证了如果leader所在的broker失效，该消息仍然可以从新选举的leader中获取。对于来自内部broker的读取请求，没有HW的限制。

下图详细的说明了当producer生产消息至broker后，ISR以及HW和LEO的流转过程：

由此可见，Kafka的复制机制既不是完全的同步复制，也不是单纯的异步复制。事实上，同步复制要求所有能工作的follower都复制完，这条消息才会被commit，这种复制方式极大的影响了吞吐率。而异步复制方式下，follower异步的从leader复制数据，数据只要被leader写入log就被认为已经commit，这种情况下如果follower都还没有复制完，落后于leader时，突然leader宕机，则会丢失数据。而Kafka的这种使用ISR的方式则很好的均衡了确保数据不丢失以及吞吐率。
再回顾下消息发送端对发出消息持久化机制参数acks的设置，我们结合HW和LEO来看下acks=1的情况：

日志分段存储

Kafka一个分区的消息数据对应存储在一个文件夹下，以topic名称+分区号命名，消息在分区内是分段（segment）存储，每个段的消息都存储在不一样的log文件里，这种特性方便old segment file快速被删除，kafka规定了一个段位的log文件最大为1G，做这个限制目的是为了方便把log文件加载到内存去操作。

# 部分消息的offset索引文件，kafka每次往分区发4K（可配置）消息就会记录一条当前消息的offset到index文件
# 如果要定位消息的offset会先在这个文件里快速定位，再去log文件里找具体消息
00000000000000000000.index
# 消息存储文件，主要存offset和消息体
00000000000000000000.log
# 消息的发送时间索引文件，kafka每次往分区发4K（可配置）消息就会记录一条当前消息的发送时间戳与对应的offset到timeindex文件
# 如果需要按照时间来定位消息的offset，会先在这个文件里查找
00000000000000000000.timeindex

00000000000005367851.index
00000000000005367851.log
00000000000005367851.timeindex

00000000000009936472.index
00000000000009936472.log
00000000000009936472.timeindex

这个9936472之类的数字，就是代表了这个日志段文件里包含的起始Offset，也就说明这个分区里至少都写入了接近1000万条数据了。
Kafka Broker有一个参数log.segment.bytes，限定了每个日志段文件的大小，最大就是1GB。每个日志默认保留7天。
一个日志段文件满了，就自动开一个新的日志段文件来写入，避免单个文件过大，影响文件的读写性能，这个过程叫做log rolling，正在被写入的那个日志段文件，叫做active log segment。

Kafka在ZooKeeper节点数据

如果在配置文件中设置了节点根目录/kafka，则下图的/对应的就是/kafka。