Kafka核心原理第二弹——更新中

架构原理

一、高吞吐机制：Batch打包、缓冲区、acks

1. Kafka Producer怎么把消息发送给Broker集群的？

需要指定把消息发送到哪个topic去

首先需要选择一个topic的分区，默认是轮询来负载均衡，但是如果指定了一个分区key，那么根据这个key的hash值来分发到指定的分区，这样可以让相同的key分发到同一个分区里去，还可以自定义partitioner来实现分区策略

producer.send(msg); // 用类似这样的方式去发送消息，就会把消息给你均匀的分布到各个分区上去
producer.send(key, msg); // 订单id，或者是用户id，他会根据这个key的hash值去分发到某个分区上去，他可以保证相同的key会路由分发到同一个分区上去

知道要发送到哪个分区之后，还得找到这个分区的leader副本所在的机器，然后跟那个机器上的Broker通过Socket建立连接来进行通信，发送Kafka自定义协议格式的请求过去，把消息就带过去了

如果找到了partition的leader所在的broker之后，就可以通过socket跟那台broker建立连接，接着发送消息过去

Producer（生产者客户端），起码要知道两个元数据，每个topic有几个分区，每个分区的leader是在哪台broker上，会自己从broker上拉取kafka集群的元数据，缓存在自己client本地客户端上

kafka使用者的层面来考虑一下，我如果要把数据写入kafka集群，应该如何来做，怎么把数据写入kafka集群，以及他背后的一些原理还有使用过程中需要设置的一些参数，到底应该怎么来弄

2. 用一张图告诉你Producer发送消息的内部实现原理

每次发送消息都必须先把数据封装成一个ProducerRecord对象，里面包含了要发送的topic，具体在哪个分区，分区key，消息内容，timestamp时间戳，然后这个对象交给序列化器，变成自定义协议格式的数据

接着把数据交给partitioner分区器，对这个数据选择合适的分区，默认就轮询所有分区，或者根据key来hash路由到某个分区，这个topic的分区信息，都是在客户端会有缓存的，当然会提前跟broker去获取

接着这个数据会被发送到producer内部的一块缓冲区里

然后producer内部有一个Sender线程，会从缓冲区里提取消息封装成一个一个的batch，然后每个batch发送给分区的leader副本所在的broker

3. 基于Java API写一个Kafka Producer发送消息的代码示例

package com.zhss.demo.kafka;

import java.util.Properties;

import org.apache.kafka.clients.producer.Callback;
import org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import org.apache.kafka.clients.producer.RecordMetadata;

public class ProducerDemo {
	
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		Properties props = new Properties();

		// 这里可以配置几台broker即可，他会自动从broker去拉取元数据进行缓存
		props.put("bootstrap.servers", "hadoop03:9092,hadoop04:9092,hadoop05:9092");  
		// 这个就是负责把发送的key从字符串序列化为字节数组
		props.put("key.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
		// 这个就是负责把你发送的实际的message从字符串序列化为字节数组
		props.put("value.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
		props.put("acks", "-1");
		props.put("retries", 3);
		props.put("batch.size", 323840);
		props.put("linger.ms", 10);
		props.put("buffer.memory", 33554432);
		props.put("max.block.ms", 3000);
		
		// 创建一个Producer实例：线程资源，跟各个broker建立socket连接资源
		KafkaProducer<String, String> producer = new KafkaProducer<String, String>(props);

		ProducerRecord<String, String> record = new ProducerRecord<>(
				"test-topic", "test-key", "test-value");
		
		// 这是异步发送的模式
		producer.send(record, new Callback() {

			@Override
			public void onCompletion(RecordMetadata metadata, Exception exception) {
				if(exception == null) {
					// 消息发送成功
					System.out.println("消息发送成功");  
				} else {
					// 消息发送失败，需要重新发送
				}
			}

		});

		Thread.sleep(10 * 1000); 
		
		// 这是同步发送的模式
//		producer.send(record).get(); 
		// 你要一直等待人家后续一系列的步骤都做完，发送消息之后
		// 有了消息的回应返回给你，你这个方法才会退出来

		producer.close();
	}
	
}

4. 发送消息给Broker时遇到的各种异常该如何处理？

之前我们看到不管是异步还是同步，都可能让你处理异常，常见的异常如下：

LeaderNotAvailableException：这个就是如果某台机器挂了，此时leader副本不可用，会导致你写入失败，要等待其他follower副本切换为leader副本之后，才能继续写入，此时可以重试发送即可

如果说你平时重启kafka的broker进程，肯定会导致leader切换，一定会导致你写入报错，是LeaderNotAvailableException

NotControllerException：这个也是同理，如果说Controller所在Broker挂了，那么此时会有问题，需要等待Controller重新选举，此时也是一样就是重试即可

NetworkException：网络异常，重试即可

我们之前配置了一个参数，retries，他会自动重试的，但是如果重试几次之后还是不行，就会提供Exception给我们来处理了

5. 发送消息的缓冲区应该如何优化来提升发送的吞吐量？

buffer.memory：设置发送消息的缓冲区，默认值是33554432，就是32MB

如果发送消息出去的速度小于写入消息进去的速度，就会导致缓冲区写满，此时生产消息就会阻塞住，所以说这里就应该多做一些压测，尽可能保证说这块缓冲区不会被写满导致生产行为被阻塞住

compression.type，默认是none，不压缩，但是也可以使用lz4压缩，效率还是不错的，压缩之后可以减小数据量，提升吞吐量，但是会加大producer端的cpu开销

6. 消息批量发送的核心参数batch.size是如何优化吞吐量？

batch.size，设置meigebatch的大小，如果batch太小，会导致频繁网络请求，吞吐量下降；如果batch太大，会导致一条消息需要等待很久才能被发送出去，而且会让内存缓冲区有很大压力，过多数据缓冲在内存里

默认值是：16384，就是16kb，也就是一个batch满了16kb就发送出去，一般在实际生产环境，这个batch的值可以增大一些来提升吞吐量，可以自己压测一下

还有一个参数，linger.ms，这个值默认是0，意思就是消息必须立即被发送，但是这是不对的，一般设置一个100毫秒之类的，这样的话就是说，这个消息被发送出去后进入一个batch，如果100毫秒内，这个batch满了16kb，自然就会发送出去

但是如果100毫秒内，batch没满，那么也必须把消息发送出去了，不能让消息的发送延迟时间太长，也避免给内存造成过大的一个压力

7. 如何根据业务场景对消息大小以及请求超时进行合理的设置？

max.request.size：这个参数用来控制发送出去的消息的大小，默认是1048576字节，也就1mb，这个一般太小了，很多消息可能都会超过1mb的大小，所以需要自己优化调整，把他设置更大一些

你发送出去的一条大数据，超大的JSON串，超过1MB，就不让你发了

request.timeout.ms：这个就是说发送一个请求出去之后，他有一个超时的时间限制，默认是30秒，如果30秒都收不到响应，那么就会认为异常，会抛出一个TimeoutException来让我们进行处理

8. 基于Kafka内核架构原理深入分析acks参数到底是干嘛的

acks参数，其实是控制发送出去的消息的持久化机制的

如果acks=0，那么producer根本不管写入broker的消息到底成功没有，发送一条消息出去，立马就可以发送下一条消息，这是吞吐量最高的方式，但是可能消息都丢失了，你也不知道的，但是说实话，你如果真是那种实时数据流分析的业务和场景，就是仅仅分析一些数据报表，丢几条数据影响不大的

会让你的发送吞吐量会提升很多，你发送弄一个batch出，不需要等待人家leader写成功，直接就可以发送下一个batch了，吞吐量很大的，哪怕是偶尔丢一点点数据，实时报表，折线图，饼图

acks=all，或者acks=-1：这个leader写入成功以后，必须等待其他ISR中的副本都写入成功，才可以返回响应说这条消息写入成功了，此时你会收到一个回调通知

min.insync.replicas = 2，ISR里必须有2个副本，一个leader和一个follower，最最起码的一个，不能只有一个leader存活，连一个follower都没有了

acks = -1，每次写成功一定是leader和follower都成功才可以算做成功，leader挂了，follower上是一定有这条数据，不会丢失

retries = Integer.MAX_VALUE，无限重试，如果上述两个条件不满足，写入一直失败，就会无限次重试，保证说数据必须成功的发送给两个副本，如果做不到，就不停的重试，除非是面向金融级的场景，面向企业大客户，或者是广告计费，跟钱的计算相关的场景下，才会通过严格配置保证数据绝对不丢失

acks=1：只要leader写入成功，就认为消息成功了，默认给这个其实就比较合适的，还是可能会导致数据丢失的，如果刚写入leader，leader就挂了，此时数据必然丢了，其他的follower没收到数据副本，变成leader

9. 针对瞬间异常的消息重试参数有哪些需要考虑的点

有的时候一些leader切换之类的问题，需要进行重试，设置retries即可，而且还可以跟消息不丢失结合起来，但是消息重试会导致重复发送的问题，比如说网络抖动一下导致他以为没成功，就重试了，其实人家都成功了

所以消息重试导致的消费重复，需要你在下游consumer做幂等性处理，但是kafka已经支持了一次且仅一次的消息语义

另外一个，消息重试是可能导致消息的乱序的，因为可能排在你后面的消息都发送出去了，你现在收到回调失败了才在重试，此时消息就会乱序，所以可以使用“max.in.flight.requests.per.connection”参数设置为1，这样可以保证producer同一时间只能发送一条消息

两次重试的间隔默认是100毫秒，用“retry.backoff.ms”来进行设置

一般来说，某台broker重启导致的leader切换，是最常见的异常，所以尽可能把重试次数和间隔，设置的可以cover住新leader切换过来

10. Kafka Producer高阶用法（一）：自定义分区

public class HotDataPartitioner implements Partitioner {

private Random random;

@Override
public void configure(Map<String, ?> configs) {
random = new Random();
}

@Override
public int partition(String topic, Object keyObj, byte[] keyBytes, Object value, byte[] valueBytes, Cluster cluster) {
String key = (String)keyObj;
List<PartitionInfo> partitionInfoList = cluster.availablePartitionsForTopic(topic);
int partitionCount = partitionInfoList.size();
int hotDataPartition = partitionCount - 1;
return !key.contains(“hot_data”) ? random.nextInt(partitionCount - 1) : hotDataPartition;
}

}

props.put(“partitioner.class”, “com.zhss.HotDataPartitioner”);

测试发送

bin/kafka-run-class.sh kafka.tools.GetOffsetShell --broker-list localhost:9092 --topic test-topic

11. Kafka Producer高阶用法（二）：自定义序列化

12. Kafka Producer高阶用法（三）：自定义拦截器

二、Kafka Consumer选举与Rebalance实现原理

1. 一张图画清Kafka基于Consumer Group的消费者组的模型

每个consumer都要属于一个consumer.group，就是一个消费组，topic的一个分区只会分配给一个消费组下的一个consumer来处理，每个consumer可能会分配多个分区，也有可能某个consumer没有分配到任何分区

分区内的数据是保证顺序性的

group.id = “membership-consumer-group”

如果你希望实现一个广播的效果，你的每台机器都要消费到所有的数据，每台机器启动的时候，group.id可以是一个随机生成的UUID也可以，你只要让不同的机器的KafkaConsumer的group.id是不一样的

如果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，这个就是所谓的消费者rebalance的过程

2. 消费者offset的记录方式以及基于内部topic的提交模式

每个consumer内存里数据结构保存对每个topic的每个分区的消费offset，定期会提交offset，老版本是写入zk，但是那样高并发请求zk是不合理的架构设计，zk是做分布式系统的协调的，轻量级的元数据存储，不能负责高并发读写，作为数据存储

所以后来就是提交offset发送给内部topic：__consumer_offsets，提交过去的时候，key是group.id+topic+分区号，value就是当前offset的值，每隔一段时间，kafka内部会对这个topic进行compact

也就是每个group.id+topic+分区号就保留最新的那条数据即可

而且因为这个__consumer_offsets可能会接收高并发的请求，所以默认分区50个，这样如果你的kafka部署了一个大的集群，比如有50台机器，就可以用50台机器来抗offset提交的请求压力，就好很多

3. 基于Java API写一个Kafka Consumer消费消息的代码示例

String topicName = “test-topic”;
String groupId = “test-group”;

Properties props = new Properties();
props.put(“bootstrap.servers”, “localhost:9092”);
props.put(“group.id”, “groupId”);
props.put(“enable.auto.commit”, “true”);
props.put(“auto.commit.ineterval.ms”, “1000”);
// 每次重启都是从最早的offset开始读取，不是接着上一次
props.put(“auto.offset.reset”, “earliest”); 
props.put(“key.deserializer”, “org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer”);
props.put(“value.deserializer”, “org.apache.kafka.common.serialization.SttringDeserializer”);

KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<String, String>(props);
consumer.subscribe(Arrays.asList(topicName));

try {
while(true) {
ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000); // 超时时间
for(ConsumerRecord<String, String> record : records) {
System.out.println(record.offset() + “, ” + record.key() + “, ” + record.value());
}
}
} catch(Exception e) {

}

4. Kafka感知消费者故障是通过哪三个参数来实现的？

heartbeat.interval.ms：consumer心跳时间，必须得保持心跳才能知道consumer是否故障了，然后如果故障之后，就会通过心跳下发rebalance的指令给其他的consumer通知他们进行rebalance的操作

session.timeout.ms：kafka多长时间感知不到一个consumer就认为他故障了，默认是10秒

max.poll.interval.ms：如果在两次poll操作之间，超过了这个时间，那么就会认为这个consume处理能力太弱了，会被踢出消费组，分区分配给别人去消费，一遍来说结合你自己的业务处理的性能来设置就可以了

5. 对消息进行消费时有哪几个参数需要注意以及设置呢？

fetch.max.bytes：获取一条消息最大的字节数，一般建议设置大一些

max.poll.records：一次poll返回消息的最大条数，默认是500条

connection.max.idle.ms：consumer跟broker的socket连接如果空闲超过了一定的时间，此时就会自动回收连接，但是下次消费就要重新建立socket连接，这个建议设置为-1，不要去回收

6. 消费者offset相关的参数设置会对运行产生什么样的影响？

auto.offset.reset：这个参数的意思是，如果下次重启，发现要消费的offset不在分区的范围内，就会重头开始消费；但是如果正常情况下会接着上次的offset继续消费的

enable.auto.commit：这个就是开启自动提交位移

7. Group Coordinator是什么以及主要负责什么？

每个consumer group都会选择一个broker作为自己的coordinator，他是负责监控这个消费组里的各个消费者的心跳，以及判断是否宕机，然后开启rebalance的，那么这个如何选择呢？

就是根据group.id来进行选择，他有内部的一个选择机制，会给你挑选一个对应的Broker，总会把你的各个消费组均匀分配给各个Broker作为coordinator来进行管理的

他负责的事情只要就是rebalance，说白了你的consumer group中的每个consumer刚刚启动就会跟选举出来的这个consumer group对应的coordinator所在的broker进行通信，然后由coordinator分配分区给你的这个consumer来进行消费

coordinator会尽可能均匀的分配分区给各个consumer来消费

8. 为消费者选择Coordinator的算法是如何实现的？

首先对groupId进行hash，接着对__consumer_offsets的分区数量取模，默认是50，可以通过offsets.topic.num.partitions来设置，找到你的这个consumer group的offset要提交到__consumer_offsets的哪个分区

比如说：groupId，“membership-consumer-group” -> hash值（数字）-> 对50取模 -> 就知道这个consumer group下的所有的消费者提交offset的时候是往哪个分区去提交offset，大家可以找到__consumer_offsets的一个分区

__consumer_offset的分区的副本数量默认来说1，只有一个leader

然后对这个分区找到对应的leader所在的broker，这个broker就是这个consumer group的coordinator了，接着就会维护一个Socket连接跟这个Broker进行通信

9. Coordinator和Consume Leader如何协作制定分区方案？

每个consumer都发送JoinGroup请求到Coordinator，然后Coordinator从一个consumer group中选择一个consumer作为leader，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，通过SyncGroup发给Coordinator

接着Coordinator就把分区方案下发给各个consumer，他们会从指定的分区的leader broker开始进行socket连接以及消费消息

10. rebalance的三种策略分别有哪些优劣势？

这里有三种rebalance的策略：range、round-robin、sticky

0~8

order-topic-0
order-topic-1
order-topic-2

range策略就是按照partiton的序号范围，比如partitioin0_{2给一个consumer，partition3}5给一个consumer，partition6~8给一个consumer，默认就是这个策略；

round-robin策略，就是轮询分配，比如partiton0、3、6给一个consumer，partition1、4、7给一个consumer，partition2、5、8给一个consumer

但是上述的问题就在于说，可能在rebalance的时候会导致分区被频繁的重新分配，比如说挂了一个consumer，然后就会导致partition0_{4分配给第一个consumer，partition5}8分配给第二个consumer

这样的话，原本是第二个consumer消费的partition3~4就给了第一个consumer，实际上来说未必就很好

最新的一个sticky策略，就是说尽可能保证在rebalance的时候，让原本属于这个consumer的分区还是属于他们，然后把多余的分区再均匀分配过去，这样尽可能维持原来的分区分配的策略

consumer1：0~2 + 6~7
consumer2：3~5 + 8

11. Consumer内部单线程处理一切事务的核心设计思想

其实就是在一个while循环里不停的去调用poll()方法，其实是我们自己的一个线程，就是我们自己的这个线程就是唯一的KafkaConsumer的工作线程，新版本的kafka api，简化，减少了线程数量

Consumer自己内部就一个后台线程，定时发送心跳给broker；但是其实负责进行拉取消息、缓存消息、在内存里更新offset、每隔一段时间提交offset、执行rebalance这些任务的就一个线程，其实就是我们调用Consumer.poll()方法的那个线程

就一个线程调用进去，会负责把所有的事情都干了

为什么叫做poll呢？因为就是你可以监听N多个Topic的消息，此时会跟集群里很多Kafka Broker维护一个Socket连接，然后每一次线程调用poll()，就会监听多个socket是否有消息传递过来

可能一个consumer会消费很多个partition，每个partition其实都是leader可能在不同的broker上，那么如果consumer要拉取多个partition的数据，就需要跟多个broker进行通信，维护socket

每个socket就会跟一个broker进行通信

每个Consumer内部会维护多个Socket，负责跟多个Broker进行通信，我们就一个工作线程每次调用poll()的时候，他其实会监听多个socket跟broker的通信，是否有新的数据可以去拉取

12. 消费过程中的各种offset之间的关系是什么？

上一次提交offset，当前offset（还未提交），高水位offset，LEO

内存里记录这么几个东西：上一次提交offset，当前消费到的offset，你不断的在消费消息，不停的在拉取新的消息，不停的更新当前消费的offset，HW offset，你拉取的时候，是只能看到HW他前面的数据

LEO，leader partition已经更新到了一个offset了，但是HW在前面，你只能拉取到HW的数据，HW后面的数据，意味着不是所有的follower都写入进去了，所以不能去读取的

13. 自动提交offset的语义以及导致消息丢失和重复消费的问题

默认是自动提交

auto.commit.inetrval.ms：5000，默认是5秒提交一次

如果你提交了消费到的offset之后，人家kafka broker就可以感知到了，比如你消费到了offset = 56987，下次你的consumer再次重启的时候，就会自动从kafka broker感知到说自己上一次消费到的offset = 56987

这次重启之后，就继续从offset = 56987这个位置继续往后去消费就可以了

他的语义是一旦消息给你poll到了之后，这些消息就认为处理完了，后续就可以提交了，所以这里有两种问题：

第一，消息丢失，如果你刚poll到消息，然后还没来得及处理，结果人家已经提交你的offset了，此时你如果consumer宕机，再次重启，数据丢失，因为上一次消费的那批数据其实你没处理，结果人家认为你处理了

poll到了一批数据，offset = 65510~65532，人家刚好就是到了时间提交了offset，offset = 65532这个地方已经提交给了kafka broker，接着你准备对这批数据进行消费，但是不巧的是，你刚要消费就直接宕机了

其实你消费到的数据是没处理的，但是消费offset已经提交给kafka了，下次你重启的时候，offset = 65533这个位置开始消费的，之前的一批数据就丢失了

第二，重复消费，如果你poll到消息，都处理完毕了，此时还没来得及提交offset，你的consumer就宕机了，再次重启会重新消费到这一批消息，再次处理一遍，那么就是有消息重复消费的问题

poll到了一批数据，offset = 65510~65532，你很快的处理完了，都写入数据库了，结果还没来得及提交offset就宕机了，上一次提交的offset = 65509，重启，他会再次让你消费offset = 65510~65532，一样的数据再次重复消费了一遍，写入数据库

重启kafka consumer，修改了他的代码

14. 如何实现Consumer Group的状态机流转机制？

刚开始Consumer Group状态是：Empty

接着如果部分consumer发送了JoinGroup请求，会进入：PreparingRebalance的状态，等待一段时间其他成员加入，这个时间现在默认就是max.poll.interval.ms来指定的，所以这个时间间隔一般可以稍微大一点

接着如果所有成员都加入组了，就会进入AwaitingSync状态，这个时候就不能允许任何一个consumer提交offset了，因为马上要rebalance了，进行重新分配了，这个时候就会选择一个leader consumer，由他来制定分区方案

然后leader consumer制定好了分区方案，SyncGroup请求发送给coordinator，他再下发方案给所有的consumer成员，此时进入stable状态，都可以正常基于poll来消费了

所以如果说在stable状态下，有consumer进入组或者离开崩溃了，那么都会重新进入PreparingRebalance状态，重新看看当前组里有谁，如果剩下的组员都在，那么就进入AwaitingSync状态

leader consumer重新制定方案，然后再下发

15. 最新设计的rebalance分代机制可以有什么作用？

大家设想一个场景，在rebalance的时候，可能你本来消费了partition3的数据，结果有些数据消费了还没提交offset，结果此时rebalance，把partition3分配给了另外一个cnosumer了，此时你如果提交partition3的数据的offset，能行吗？

必然不行，所以每次rebalance会触发一次consumer group generation，分代，每次分代会加1，然后你提交上一个分代的offset是不行的，那个partiton可能已经不属于你了，大家全部按照新的partiton分配方案重新消费数据

consumer group generation = 1
consumer group generation = 2

16. Consumer端的自定义反序列化器是什么？

17. 自行指定每个Consumer要消费哪些分区有用吗？

List partitions = consumer.partitionsFor(“order-topic”);

new TopicPartition(partitionInfo.topic(), partitionInfo.partition());

consumer.assign(partitions); //指定每个consumer要消费哪些分区，你就不是依靠consumer的自动的分区分配方案来做了

18. 老版本的high-level consumer的实现原理是什么？

producer和consumer api原理，都是新版本的kafka api

老版本的kafka consumer api分成两种，high-level和low-level，都是基于zk实现的，只不过前者有consumer group的概念，后者没有

high-level的api，比如说consumer启动就是在zk里写一个临时节点，但是如果自己宕机了，那么zk临时节点就没了，别人就会发现，然后就会开启rebalance

然后在消费的时候，可以指定多个线程取消费一个topic，比如说你和这个consumer分配到了5个分区，那么你可以指定最多5个线程，每个线程消费一个分区的数据，但是新版本的就一个线程负责消费所有分区

在提交offset，就是向zk写入对某个分区现在消费到了哪个offset了，默认60秒才提交一次

新版本的api就不基于zk来实现了呢，zk主要是做轻量级的分布式协调，元数据存储，并不适合高并发大量连接的场景，cnosumer可能有成百上千个，成千上万个，zk来做的，连接的压力，高并发的读写

broker内部基于zk来进行协调

19. 老版本的low-level consumer的实现原理是什么？

老版本的low-level消费者，是可以自己控制offset的，实现很底层的一些控制，但是需要自己去提交offset，还要自己找到某个分区对应的leader broker，跟他进行连接获取消息，如果leader变化了，也得自己处理，非常的麻烦

比如说storm-kafka这个插件，在storm消费kafka数据的时候，就是使用的low-level api，自己获取offset，提交写入zk中自己指定的znode中，但是在未来基本上老版本的会越来越少使用

三、Kafka的时间轮延时调度机制与架构原理总结

1. Producer的缓冲区内部数据结构是什么样子的？

producer会创建一个accumulator缓冲区，他里面是一个HashMap数据结构，每个分区都会对应一个batch队列，因为你打包成出来的batch，那必须是这个batch都是发往同一个分区的，这样才能发送一个batch到这个分区的leader broker

{
“order-topic-0” -> [batch1, batch2],
“order-topic-1” -> [batch3]
}

batch.size

每个batch包含三个东西，一个是compressor，这是负责追加写入batch的组件；第二个是batch缓冲区，就是写入数据的地方；第三个是thunks，就是每个消息都有一个回调Callback匿名内部类的对象，对应batch里每个消息的回调函数

每次写入一条数据都对应一个Callback回调函数的

2. 消息缓冲区满的时候是阻塞住还是抛出异常？

max.block.ms，其实就是说如果写缓冲区满了，此时是阻塞住一段时间，然后什么时候抛异常，默认是60000，也就是60秒

3. 负责IO请求的Sender线程是如何基于缓冲区发送数据的？

Sender线程会不停的轮询缓冲区内的HashMap，看batch是否满了，或者是看linger.ms时间是不是到了，然后就得发送数据去，发送的时候会根据各个batch的目标leader broker来进行分组

因为可能不同的batch是对应不同的分区，但是不同的分区的Leader是在一个broker上的，，接着会进一步封装为，每个broker一次就是一个请求，但是这里可能包含很多个batch，接着就是将分组好的batch发送给leader broker，并且处理response，来反过来调用每个batch的callback函数

发送出去的Request会被放入InFlighRequests里面去保存，Map，这里就代表了发送出去的请求，但是还没接收到响应的

4. 同时可以接受有几个发送到Broker的请求没收到响应？

Map => 给这个broker发送了哪些请求过去了？

max.in.flight.requests.per.connection：5

这个参数默认值是5，默认情况下，每个Broker最多只能有5个请求是发送出去但是还没接收到响应的，所以这种情况下是有可能导致顺序错乱的，大家一定要搞清楚这一点，先发送的请求可能后续要重发

5. Kafka自定义的基于TCP的二进制协议深入探秘一番（一）

kafka自定义了一组二进制的协议，现在一共是包含了43种协议类型，每种协议都有对应的请求和响应，Request和Response，其实说白了，如果大家现在看咱们的那个自研分布式存储系统的课，里面用到了gRPC

你大概可以认为就是定义了43种接口，每个接口就是一种协议，然后每个接口都有自己对应的Request和Response，就这个意思

每个协议的Request都有相同的请求头（RequestHeader），也有不同的请求体（RequestBody），请求头包含了：api_key、api_version、correlation_id、client_id，这里的api_key就类似于“PRODUCE”、“FETCH”，你可以认为是接口的名字吧

“PRODUCE”就是发送消息的接口，“FETCH”就是拉取消息的接口，就这个意思

api_version，就是这个API的版本号

correlation_id，就是类似客户端生成的一次请求的唯一标志位，唯一标识一次请求

client_id，就是客户端的id

每个协议的Response也有相同的响应头，就是一个correlation_id，就是对某个请求的响应

6. Kafka自定义的基于TCP的二进制协议深入探秘一番（二）

比如说发送消息，就是ProduceRequest和ProduceResponse，代表“PRODUCE”这个接口的请求和响应，api_key=0，其实就是“PRODUCE”接口的代表

他的RequestBody，包含了：transactional_id，acks，timeout，topic_data（topic，data（partition，record_set）），acks就是客户端自己指定的acks参数，这个会指示leader和follower副本的写入方式，timeout就是超时时间，默认就是30秒，request.timeout.ms

然后就是要写入哪个topic，哪个分区，以及对应数据集合，里面是多个batch

ProduceResponse，ResponseBody，包含了responses（topic，partition_responses（partition，error_code，base_offset，log_append_time，log_start_offset）），throttle_time_ms，简单来说就是当前响应是对哪个topic写入的响应

包含了每个topic的各个分区的响应，每个partition的写入响应，包括error_code错误码，base_offset是消息集合的起始offset，log_append_time是写入broker端的时间，log_start_offset是分区的起始offset

其实各种接口大体上来说就是如此，所以现在大家就知道了，协议就是一种规定，你发送过来的请求是什么格式的，他可能有请求头还有请求体，分别包含哪些字段，按什么格式放数据，响应也是一样的

然后大家就可以按一样的协议来发送请求和接收响应

7. 盘点一下在Broker内部有哪些不同场景下会有延时任务？

比如说acks=-1，那么必须等待leader和follower都写完才能返回响应，而且有一个超时时间，默认是30秒，也就是request.timeout.ms，那么在写入一条数据到leader磁盘之后，就必须有一个延时任务，到期时间是30秒

延时任务会被放到DelayedOperationPurgatory，延时操作管理器中

这个延时任务如果因为所有follower都写入副本到本地磁盘了，那么就会被自动触发苏醒，那么就可以返回响应结果给客户端了，否则的话，这个延时任务自己指定了最多是30秒到期，如果到了超时时间都没等到，那么就直接超时返回异常了

还有一种是延时拉取任务，也就是说follower往leader拉取消息的时候，如果发现是空的，那么此时会创建一个延时拉取任务，然后延时时间到了之后，就会再次读取一次消息，如果过程中leader写入了消息那么也会自动执行这个拉取任务

8. Kafka的时间轮延时调度机制（一）：O(1)时间复杂度

Kafka内部有很多延时任务，没有基于JDK Timer来实现，那个插入和删除任务的时间复杂度是O(nlogn)，而是基于了自己写的时间轮来实现的，时间复杂度是O(1)，其实Netty、ZooKeeper、Quartz很多中间件都会实现时间轮

延时任务是很多很多的，大量的发送消息以及拉取消息，都会涉及到延时任务，任务数量很多，如果基于传统的JDK Timer把大量的延时任务频繁的插入和删除，时间复杂度是O(nlogn)性能比较低的

时间轮的机制，延时任务插入和删除，O(1)

简单来说，一个时间轮（TimerWheel）就是一个数组实现的存放定时任务的环形队列，数组每个元素都是一个定时任务列表（TimerTaskList），这个TimerTaskList是一个环形双向链表，链表里的每个元素都是定时任务（TimerTask）

时间轮是有很多个时间格的，一个时间格就是时间轮的时间跨度tickMs，wheelSize就是时间格的数量，时间轮的总时间跨度就是tickMs * wheelSize（interval），然后还有一个表盘指针（currentTime），就是时间轮当前所处的时间

currentTime指向的时间格就是到期，需要执行里面的定时任务

比如说tickMs = 1ms，wheelSize = 20，那么时间轮跨度（inetrval）就是20ms，刚开始currentTime = 0，这个时候如果有一个延时2ms之后执行的任务插入进来，就会基于数组的index直接定位到时间轮底层数组的第三个元素

因为tickMs = 1ms，所以第一个元素代表的是0ms，第二个元素代表的是1ms的地方，第三个元素代表的就是2ms的地方，直接基于数组来定位就是O(1)是吧，然后到数组之后把这个任务插入其中的双向链表，这个时间复杂度也是O(1)

所以这个插入定时任务的时间复杂度就是O(1)

然后currentTime会随着时间不断的推移，1ms之后会指向第二个时间格，2ms之后会指向第三个时间格，这个时候就会执行第三个时间格里刚才插入进来要在2ms之后执行的那个任务了

这个时候如果插入进来一个8ms之后要执行的任务，那么就会放到第11个时间格上去，相比于currentTime刚好是8ms之后，对吧，就是个意思，然后如果是插入一个19ms之后执行的呢？那就会放在第二个时间格

每个插入进来的任务，他都会依据当前的currentTime来放，最后正好要让currentTime转动这么多时间之后，正好可以执行那个时间格里的任务

9. Kafka的时间轮延时调度机制（二）：多层级时间轮

接着上一讲的内容，那如果这个时候来一个350毫秒之后执行的定时任务呢？已经超出当前这个时间轮的范围了，那么就放到上层时间轮，上层时间轮的tickMs就是下层时间轮的interval，也就是20ms

wheelSize是固定的，都是20，那么上层时间轮的inetrval周期就是400ms，如果再上一层的时间轮他的tickMs是400ms，那么interval周期就是8000ms，也就是8s，再上一层时间轮的tickMs是8s，interval就是160s，也就是好几分钟了，以此类推即可

反正有很多层级的时间轮，一个时间轮不够，就往上开辟一个新的时间轮出来，每个时间轮的tickMs是下级时间轮的interval，而且currentTime就跟时钟的指针一样是不停的转动的，你只要根据定时周期把他放入对应的轮子即可

每个轮子插入的时候根据currentTime，放到对应时间之后的时间格即可

比如定时350ms后执行的任务，就可以放到interval位400ms的时间轮内，currentTime自然会转动到那个时间格来执行他

10. Kafka的时间轮延时调度机制（三）：时间轮层级的下滑

接着上一讲的内容，那如果这个时候来一个350毫秒之后执行的定时任务呢？已经超出当前这个时间轮的范围了，那么就放到上层时间轮，上层时间轮的tickMs就是下层时间轮的interval，也就是20ms

wheelSize是固定的，都是20，那么上层时间轮的inetrval周期就是400ms，如果再上一层的时间轮他的tickMs是400ms，那么interval周期就是8000ms，也就是8s，再上一层时间轮的tickMs是8s，interval就是160s，也就是好几分钟了，以此类推即可

反正有很多层级的时间轮，一个时间轮不够，就往上开辟一个新的时间轮出来，每个时间轮的tickMs是下级时间轮的interval，而且currentTime就跟时钟的指针一样是不停的转动的，你只要根据定时周期把他放入对应的轮子即可

每个轮子插入的时候根据currentTime，放到对应时间之后的时间格即可

比如定时350ms后执行的任务，就可以放到interval位400ms的时间轮内，currentTime自然会转动到那个时间格来执行他

11. Kafka的时间轮延时调度机制（四）：基于DelayQueue推动

基于数组和双向链表来O(1)时间度可以插入任务

但是推进时间轮怎么做呢？搞一个线程不停的空循环判断是否进入下一个时间格吗？那样很浪费CPU资源，所以采取的是DelayQueue

每个时间轮里的TimerTaskList作为这个时间格的任务列表，都会插入DelayQueue中，设置一个延时出队时间，DelayQueue会自动把过期时间最短的排在队头，然后专门有一个线程来从DelayQueue里获取到期任务列表

某个时间格对应的TimerTaskList到期之后，就会被线程获取到，这种方式就可以实现时间轮推进的效果，推进时间轮基于DelayQueue，时间复杂度也是O(1)，因为只要从队头获取即可