消息队列实现原理（以kafka为例）

一. 概述：

消息队列中间件是分布式系统中重要的组件，主要解决应用耦合，异步消息，流量削锋等问题。实现高性能、高可用、可伸缩和最终一致性架构。使用较多的消息队列有Kafka、ActiveMQ、RabbitMQ、ZeroMQ、MetaMQ、RocketMQ。
消息队列在实际应用中常用的使用场景：异步处理，应用解耦，流量削锋和消息通讯四个场景。
1、异步处理：用户注册后，需要发注册邮件和注册短信。
2、应用解耦：用户下单后，订单系统需要通知库存系统。
3、流量削锋：秒杀活动，一般会因为流量过大，导致流量暴增，应用挂掉。为解决这个问题，一般需要在应用前端加入消息队列。可以控制活动的人数，可以缓解短时间内高流量压垮应用。
4、日志采集：日志采集端将日志写入kafka队里，开启多个线程消费日志队列，做进一步处理。

二. kafka原理

Kafka 是一款分布式流处理框架，用于实时构建流处理应用。它有一个核心 的功能广为人知，即作为企业级的消息引擎被广泛使用。Kafka是一种高吞吐量的分布式发布订阅消息系统，它可以处理消费者规模的网站中的所有动作流数据，具有高性能、持久化、多副本备份、横向扩展能力。下图是kafka的架构图：

1 基本术语

Producer：Producer即生产者，消息的产生者，是消息的入口。
Consumer：消费者，即消息的消费方，是消息的出口。
Consumer Group：我们可以将多个消费组组成一个消费者组，在kafka的设计中同一个分区的数据只能被消费者组中的某一个消费者消费。同一个消费者组的消费者可以消费同一个topic的不同分区的数据，这也是为了提高kafka的吞吐量！
Message：每一条发送的消息主体。

kafka cluster（集群）：
Broker：Broker是kafka实例，每个服务器上有一个或多个kafka的实例，我们姑且认为每个broker对应一台服务器。每个kafka集群内的broker都有一个不重复的编号，如图中的broker-0、broker-1等……
Topic：消息的主题，可以理解为消息的分类，kafka的数据就保存在topic。在每个broker上都可以创建多个topic。
Partition：Topic的分区，每个topic可以有多个分区，分区的作用是做负载均衡，提高kafka的吞吐量。同一个topic在不同的分区的数据是不重复的，partition的表现形式就是一个一个的文件夹！
Replication：每一个分区都有多个副本，副本的作用是做备胎。当主分区（Leader）故障的时候会选择一个备胎（Follower）上位，成为Leader。在kafka中默认副本的最大数量是10个，且副本的数量不能大于Broker的数量，follower和leader绝对是在不同的机器，同一机器对同一个分区也只可能存放一个副本（包括自己）。
Zookeeper：kafka集群依赖zookeeper来保存集群的的元信息，来保证系统的可用性。比如检测broker是否存活等作用。

2、Leader 选举

在介绍 Leader 选举之前，让我们先来了解一下 ISR（in-sync replicas）列表。每个分区的 leader 会维护一个 ISR 列表，ISR 列表里面就是 follower 副本的 Borker 编号，只有跟得上 Leader 的 follower 副本才能加入到 ISR 里面，这个是通过 replica.lag.time.max.ms 参数配置的。只有 ISR 里的成员才有被选为 leader 的可能。
Leader 挂掉了，Kafka 会从 ISR 列表中选择第一个 follower 作为新的 Leader，因为这个分区拥有最新的已经 committed 的消息。通过这个可以保证已经 committed 的消息的数据可靠性。

3、kafka如何保证数据一致性？

这里介绍的数据一致性主要是说不论是老的 Leader 还是新选举的 Leader（原来的follower），Consumer 都能读到一样的数据。那么 Kafka 是如何实现的呢？

假设分区的副本为3，其中副本0是 Leader，副本1和副本2是 follower，并且在 ISR 列表里面。虽然副本0已经写入了 Message4，但是 Consumer 只能读取到 Message2。因为所有的 ISR 都同步了 Message2，只有 High Water Mark 以上的消息才支持 Consumer 读取，而 High Water Mark 取决于 ISR 列表里面偏移量最小的分区，对应于上图的副本2，这个很类似于木桶原理。

这样做的原因是还没有被足够多副本复制的消息被认为是“不安全”的，如果 Leader 发生崩溃，另一个副本成为新 Leader，那么这些消息很可能丢失了。如果我们允许消费者读取这些消息，可能就会破坏一致性。试想，一个消费者从当前 Leader（副本0） 读取并处理了 Message4，这个时候 Leader 挂掉了，选举了副本1为新的 Leader，这时候另一个消费者再去从新的 Leader 读取消息，发现这个消息其实并不存在，这就导致了数据不一致性问题。

当然，引入了 High Water Mark 机制，会导致 Broker 间的消息复制因为某些原因变慢，那么消息到达消费者的时间也会随之变长（因为我们会先等待消息复制完毕）。延迟时间可以通过参数 replica.lag.time.max.ms 参数配置，它指定了副本在复制消息时可被允许的最大延迟时间。

上面说到一致性原理，那么在kafka如何将leader的数据同步到follow的呢？
Follower异步地从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leader挂掉，会丢失数据，kafka使用ISR的方式很好的均衡了确保数据不丢失以及吞吐率。Follower可以批量的从Leader复制数据，而且Leader充分利用磁盘顺序读以及send file(zero copy)机制，这样极大的提高复制性能，内部批量写磁盘，大幅减少了Follower与Leader的消息量差。

4、Kafka中是怎么体现消息顺序性的？

kafka每个partition中的消息在写入时都是有序的，消费时，每个partition只能被每一个group中的一个消费者消费，保证了消费时也是有序的。
整个topic不保证有序。如果为了保证topic整个有序，那么将partition调整为1。