源码分析之Kafka Consumer消费消息的过程

说明

本文基于Apache Kafka 2.5.1（2020.09.10拉取最新代码）

Consumer如何使用？

阅读源码前的首先要做到熟悉相关组件的概念、基本使用。而最靠谱的资料就是官方文档。

建议阅读官方文档（https://kafka.apache.org/documentation/）后，自己练习、使用kafka之后再开始阅读源码。

KafkaConsumer的JavaDoc（参见https://kafka.apache.org/10/javadoc/?org/apache/kafka/clients/consumer/KafkaConsumer.html）本身就给出了不少有用信息，下面仅列出一些关键点：

• Cross-Version Compatibility
  客户端支持0.10.0以及以上版本，如果调用不支持的特性，会抛出UnsupportedVersionException

• Offsets and Consumer Position
  position: 有待读取的下一条记录的偏移量
  commited position: 已被保存、归档的最后一条记录的偏移量，可以用于恢复数据。

• Consumer Groups and Topic Subscriptions

  • 一个partition内的消息只会投递给group中的一个consumer
  • 以下场景将触发group rebalance
    • 一个consumer挂掉
    • 新加入一个consumer
    • 新的partition加入一个topic
    • 一个新的topic匹配已有的订阅正则(subscribed regx)
  • ConsumerRebalanceListener 可以监听rebalance

• Detecting Consumer Faillures

  • 调用poll(long)方法时consumer会自动加入到group中，consumer会发心跳给服务器端，超时时间session.timeout.ms
  • consumer可能遇到活锁：锁检测机制 session.timeout.ms
  • poll方法相关配置：
    • max.poll.interval.ms
    • max.poll.records

KafkaConsumer源码中给出的代码示例

//代码1：
Properties props = new Properties();
props.put("bootstrap.servers", "localhost:9092");
props.put("group.id", "test");
props.put("enable.auto.commit", "true");
props.put("auto.commit.interval.ms", "1000");
props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);
consumer.subscribe(Arrays.asList("foo", "bar"));
while (true) {
   
    ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);
    for (ConsumerRecord<String, String> record : records)
        System.out.printf("offset = %d, key = %s, value = %s%n", record.offset(), record.key(), record.value());
}

上述示例主要流程

1. 设置配置信息，包括broker地址，consumer group id, 自动提交消费的位置，序列化配置
2. 创建KafkaConsumer对象
3. 订阅2个topic: foo, bar
4. 循环拉取并打印

以下将重点解读KafkaConsumer消费流程中的3个问题：

1. 订阅主题的过程是如何实现的？
2. consumer如何与coordinator协商，确定消费哪些partition?
3. 拉取消息的过程是如何实现的？

订阅主题的过程是如何实现的？

仍以上面代码示例为例，跟踪源码中的subscribe方法，最终会看到KafkaConsumer中的如下代码：

//代码2：
@Override
public void subscribe(Collection<String> topics, ConsumerRebalanceListener listener) {
   
    acquireAndEnsureOpen();
    try {
   
        maybeThrowInvalidGroupIdException();
        if (topics == null)
            throw new IllegalArgumentException("Topic collection to subscribe to cannot be null");
        if (topics.isEmpty()) {
   
            // treat subscribing to empty topic list as the same as unsubscribing
            this.unsubscribe();
        } else {
   
            for (String topic : topics) {
   
                if (topic == null || topic.trim().isEmpty())
                    throw new IllegalArgumentException("Topic collection to subscribe to cannot contain null or empty topic");
            }

            throwIfNoAssignorsConfigured();
            fetcher.clearBufferedDataForUnassignedTopics(topics);
            log.info("Subscribed to topic(s): {}", Utils.join(topics, ", "));
            if (this.subscriptions.subscribe(new HashSet<>(topics), listener))
            	//元数据更新
                metadata.requestUpdateForNewTopics();
        }
    } finally {
   
        release();
    }
}

基本流程如下：

1. 加轻量级锁（通过CAS方式加锁）
2. 参数校验
   1. 注意：如果传入topic集合为空，则直接走unsubscribe的逻辑
3. 重置订阅状态subscriptions，更新元数据metadata中的topic信息
   1. 订阅状态维护：订阅的 topic 和 patition 的消费位置等状态信息
   2. 元数据metada维护：Kafka 集群元数据的一个子集，包括集群的 Broker 节点、Topic 和 Partition 在节点上分布，Coordinator 给 Consumer 分配的 Partition 信息。

经典思路：主动检测不支持的情况并抛出异常，避免系统产生不可预期的行为

KafkaConsumer的Javadoc明确声明了，consumer不是线程安全的，被并发调用时会出现不可预期的结果。为了避免这种情况发生，Kafka 做了主动的检测并抛出异常，而不是放任系统产生不可预期的情况。

Kafka“主动检测不支持的情况并抛出异常，避免系统产生不可预期的行为”这种模式，对于增强的系统的健壮性是一种非常有效的做法。如果你的系统不支持用户的某种操作，正确的做法是，检测不支持的操作，直接拒绝用户操作，并给出明确的错误提示，而不应该只是在文档中写上“不要这样做”，却放任用户错误的操作，产生一些不可预期的、奇怪的错误结果。

引自：极客时间：消息队列高手课 李玥

具体代码就是上面的代码2中的acquireAndEnsureOpen()，该方法的代码实现如下：

/**
     * Acquire the light lock and ensure that the consumer hasn't been closed.
     * @throws IllegalStateException If the consumer has been closed
     */
private void acquireAndEnsureOpen() {