kafka核心原理及数据积压问题

1 kafka的分片和副本机制

何为分片? 分片有什么用呢?

分片: 分片是对topic的一种划分操作, 通过分片 kafka可以实现对消息数据分布式的存储
	作用: 
		1- 提供读写效率
		2- 解决单台节点存储容量有限的问题
	
	注意: 分片数量与集群的节点数量是没有关系的 分片数量可以构建多个

何为副本? 副本有什么用呢?

副本: 副本是针对的每一个topic下每一个分片, 可以将分片的数据通过副本方式存储多份
	作用: 提高数据可靠性, 避免数据的丢失
	
	注意:  副本的数量最多和节点的数量是相等的, 一般副本为1~3个  副本越多会导致数据大量的冗余存储, 同时影响写入的效率

2 kafka的消息存储和查询机制

2.1 存储机制

1- 在每个分片中, 数据都是以分文件的形式来存储的

2- 每个文件的片段都是由二个核心文件构成的, 一个是log文件 一个是index文件
	log文件: 存储的真实消息数据
	index文件: 是log文件的索引文件, 用于加快查询log消息
	文件名: 表示当前这个文件片段是从那个消息偏移量开始存储数据 一个消息偏移量表示一条消息
3- 消息默认是达到168小时后 就会被kafka自动删除, kafka在删除的时候, 校验log文件的最后修改时间,因为kafka仅仅是临时存储


相关的配置:  
	log.retention.hours=168  (168小时  7天)
	log.segment.bytes=1073741824  (1GB)

index文件中存储了什么?

在index文件中, 主要是存储每个消息的偏移量在log文件中对应的物理偏移量
例如共计有五条消息数据:  hello kafka  wo hen hao  1  2  3
hello kafkawo hen hao123

index文件:   消息偏移量     物理偏移量
                 0              11
				 1              21
				 2              22
				 3              23
				 4              24

2.2 查询机制

查询流程:

1- 确定消息在那个片段中: 第二个 
2- 查询index文件, 这个偏移量数据在log文件的那个偏移量上
3- 查询log文件 按照顺序查找方案, 遍历对应位置, 将对应范围内数据获取到即可

磁盘查询策略: 顺序查找 和 随机查找 那个效率快呢? 一定是顺序查询

3. kafka如何保证消息不丢失

3.1 生产者如何保证数据不丢失

ack机制:

方案: 当生产者生产数据到broker端后, broker应该给予确认响应(ACK):ACK确认机制,有三种策略, 分别为 0  1  -1(ALL):
0: 生产者只管将数据生产到broker端, 不等待(不接收)broker反馈的ack信息

1: 生产者将数据生产到broker端, 需要等待(接收)broker上对应topic的对应分片的主副本接收到消息后, 即认为消息发生成功

-1(ALL): 生产者将数据生产到broker端, 需要等待(接收)broker上对应topic的对应分片的所有的副本都接收到消息后, 即认为消息发生成功

安全级别;  -1 >1 > 0

效率级别:  0 > 1> -1   

生产中, 使用那种方案呢? 根据数据的重要程度以及速率来选择对应的级别     
一般来说,             
	重要程度越高, 安全级别越高             
	速率越快, 优先保证效率,两者平衡

相关的问题:

相关问题点?  
1- 目前生产者发送一条数据到broker, broker给予一个响应, 如果broker迟迟没有给予响应, 怎么办? 

答:  先等待, 然后在重试, 最后在报错策略, 先等待一段的时间,当超时后, 然后触发重试策略, 进行重试操作, 当重试后依然没有响应, 最后程序报错, 无法发送

2- 生产者发送一条消息, broker就要给予一次响应, 那么这样是否会大量的占用带宽呢? 如何解决呢?

答: 肯定会影响带宽,可以引入缓存池,生产者先将数据生产到缓存池中,当池子中达到一批数据大小后, 开启一个新的线程触发执行, 将数据生产到broker端, 此时broker只需要对这一批数据给予一个响应即可(异步发送)

3- 采用一批一批发送, 如果broker又没有给予响应, 但是呢, 此时缓存池子中数据已经满了,如何解决呢?

答: 程序员可以选择直接清空缓冲池或者不清空 如果数据是可重复读,直接报错清空即可, 后续重新读即可, 如果数据是不可重复读, 可以提前设置方案, 自己将每一个消息先找一个容器保存依赖, 自己维护这份数据, 当发送成功, 删除一部分, 如果出错, 重启后, 从这个容器重新读取, 消费即可,如果选择不清空, 那么就是一直等待即可

相关参数:

相关的参数信息说明: 
1- buffer.memory: 设置缓存池子大小      
	默认值: 33554432(字节) = 32M
	
2- retries:  重试次数       
	默认值: 2147483647       
	最终重试策略一般以超时相关配置设置

3- batch.size: 表示一批数据大小       
	默认值:  16384(字节) = 16kb

4- linger.ms: 每一批次间隔时间       
	默认值:  0(毫秒) 

5- delivery.timeout.ms: 总超时时间       
	默认值:  120000(毫秒) = 120s
	
6- request.timeout.ms: 每一次请求超时时间       
	默认值:  30000(毫秒) = 30s
	
如何设置: 在构建kafkaProducer设置即可

通过代码如何实现同步的发送模式和异步的发送方案:

同步方式:

from kafka import KafkaProducer
from kafka.errors import KafkaError

if __name__ == '__main__':
    print("演示python的kafka API: 生产者的同步发送模式")

    # 1- 创建kafkaProducer对象
    producer = KafkaProducer(
        bootstrap_servers=['node1:9092','node2:9092','node3:9092'],
        acks=-1
    )

    # 2- 执行生产操作  同步方案
    future = producer.send('test01','我爱我的祖国'.encode('UTF-8'))  # 默认是异步的

    try:
        record_metadata = future.get() # 同步发送模式, 当发送失败(已经重试完成)后
        # 如果发送成功的
        print(record_metadata.topic)
        print(record_metadata.partition)
        print(record_metadata.offset)
    except KafkaError:
        print(KafkaError)
    finally:
        producer.close()

异步方式:

import time

from kafka import KafkaProducer
from kafka.errors import KafkaError

if __name__ == '__main__':
    print("演示python的kafka API: 生产者的异步发送模式")

    # 1- 创建kafkaProducer对象
    producer = KafkaProducer(
        bootstrap_servers=['node1:9092', 'node2:9092', 'node3:9092'],
        acks=-1,
        linger_ms=5000
    )

    # 2 执行发送数据: 异步方式
    # 异步无返回值方案
    #producer.send('test01', '昨天是建军节... 东部战区启动了...'.encode('UTF-8'))  # 默认就是异步方式
    #producer.flush()

    # 异步有返回值方案
    future = producer.send('test01', '昨天是建军节... 东部战区启动了...'.encode('UTF-8'))  # 默认就是异步方式

    # 表示当底层每一批数据发送成功后, 都会调用此函数:  add_callback
    def on_send_success(record_metadata):
        print(record_metadata.topic)
        print(record_metadata.partition)
        print(record_metadata.offset)

    # 表示当底层发送一批数据失败了, 就会调度此函数: add_errback
    def on_send_error(excp):
        print(excp)


    future.add_callback(on_send_success).add_errback(on_send_error)


    # 为了演示效果, 不使用flush 而是采用休眠的方式
    #time.sleep(1000000)
    
    

3.2 broker端如何保证数据不丢失

broker可以将每个分片副本设置为多个, 提高数据的可靠性同时还需要生产端将ack设置为-1

3.3 消费端如何保证数据不丢失

流程:

1- 消费者首先会连接kafka集群, 从kafka集群准备获取消息数据

2- kafka集群接收到信息后, 首先会根据group_id 查询上一次消费到了那个消息的偏移量

3- 如果没有找到消息偏移量, 默认从当前位置开始消费,之前消息就默认不处理不关心

4- 如果找到了上一次的消费位置,那么就从记录的消费偏移量位置继续消费数据即可

5- 消费者消费完数据后, 会把消费后偏移量信息提交给broker

消费者偏移量信息保存:

 请问消费者消费的偏移量信息是记录在哪里的呢? 

在kafka0.8x版本之前, 这个信息是记录在zookeeper集群上在0.8x以后的版本中, 将信息从zookeeper中迁移到broker上, 通过一个topic来记录即可: __consumer_offsets

此topic有50个分片1个副本

通过这种机制 可以保证数据不丢失, 但是可能存在重复消费的问题

如何提交偏移量信息呢? 手动 | 自动

• 手动方案:
  • 除非对偏移量信息需要进行严格把控, 建议自己维护偏移量信息, 进行处理即可

from kafka import KafkaConsumer

if __name__ == '__main__':

    # 1- 创建 消费者的实例对象
    consumer = KafkaConsumer(
        'test01',
        bootstrap_servers=['node1:9092','node2:9092','node3:9092'],
        group_id='g_01',
        enable_auto_commit=False
    )


    # 2- 获取消息数据
    for msg in consumer:
        topic = msg.topic
        partition = msg.partition
        offset = msg.offset
        key = msg.key
        value = msg.value.decode('UTF-8')

        print(f'topic为:{topic}, 分片为:{partition},偏移量为:{offset},消息key为:{key}, 消息value:{value}')

        # 手动提交偏移量信息: 当选择手动的时候, 千万丢失以下操作, 否则会导致大量的重复处理
        #consumer.commit() # 同步提交
        consumer.commit_async() # 异步提交 (推荐)

• 演示自动方案:

from kafka import KafkaConsumer

if __name__ == '__main__':

    # 1- 创建 消费者的实例对象
    consumer = KafkaConsumer(
        'test01',
        bootstrap_servers=['node1:9092','node2:9092','node3:9092'],
        group_id='g_01',
        enable_auto_commit=True,  # 是否自动提交偏移量信息
        auto_commit_interval_ms=1 # 每搁多次时间, 提交一次偏移量信息
    )


    # 2- 获取消息数据
    for msg in consumer:
        topic = msg.topic
        partition = msg.partition
        offset = msg.offset
        key = msg.key
        value = msg.value.decode('UTF-8')

        print(f'topic为:{topic}, 分片为:{partition},偏移量为:{offset},消息key为:{key}, 消息value:{value}')

介绍一个其他的参数:

auto_offset_reset:  此参数表示当一个新的消费者, 默认从那个偏移量开始读取数据
	earliest: 最早的  从第一个偏移量开始读取消息数据
	latest: 最新的   只读取从当前时刻最新的数据

4. kafka中生产者的数据分发策略

何为生产者的数据分发机制呢?

	当生产者进行生产数据到broker上后, 这条数据只能落在对应topic的某一个分片的副本上, 那么最终落入到哪一个分区呢?这就是分发机制

分发策略有哪些？

1- 随机策略(python API 存在的)
2- 轮询策略(粘性分区策略) (JAVA API存在的)
3- 指定分发策略
4- hash取模策略
5- 自定义分区策略

---

• 1- 随机策略:

def send(self, topic, value=None, key=None, headers=None, partition=None, timestamp_ms=None):

当在发送数据的时候, 如果只传递了topic 和 value, 那么此时就是采用随机策略

在kafka中, 专门提供了一个默认的分发类:  DefaultPartitioner
此类中有一个方法, 绝对了分发到那个分区上:
    def __call__(cls, key, all_partitions, available):
        """
        Get the partition corresponding to key
        :param key: partitioning key
        :param all_partitions: list of all partitions sorted by partition ID
        :param available: list of available partitions in no particular order
        :return: one of the values from all_partitions or available
        """
        if key is None:
        	# 当 key为null的时候, 先判断可用分区中是否有节点, 如果有随机返回一个, 否则从所有的分区中随机返回一个
            if available:
                return random.choice(available)
            return random.choice(all_partitions)

        idx = murmur2(key)
        idx &= 0x7fffffff
        idx %= len(all_partitions)
        return all_partitions[idx]

• 2- 指定分发策略

def send(self, topic, value=None, key=None, headers=None, partition=None, timestamp_ms=None):

当在发送数据的时候, 如果指定了partition参数, 表示的采用的指定分区的方案, 分区的标号是从0开始

主要此时跟DefaultPartitioner没有任何的关系

• 3- hash取模策略

def send(self, topic, value=None, key=None, headers=None, partition=None, timestamp_ms=None):

当在发送数据的时候, 如果传递了topic 和 value以及key的时候, 那么此时就是采用hash取模策略

在kafka中, 专门提供了一个默认的分发类:  DefaultPartitioner
此类中有一个方法, 绝对了分发到那个分区上:
    def __call__(cls, key, all_partitions, available):
        """
        Get the partition corresponding to key
        :param key: partitioning key
        :param all_partitions: list of all partitions sorted by partition ID
        :param available: list of available partitions in no particular order
        :return: one of the values from all_partitions or available
        """
        if key is None:
        	# 当 key为null的时候, 先判断可用分区中是否有节点, 如果有随机返回一个, 否则从所有的分区中随机返回一个
            if available:
                return random.choice(available)
            return random.choice(all_partitions)
		
		# 当key不为null的时候, 表示发送数据的时候, 存在key, 此时采用hash取模策略murmur2()
        idx = murmur2(key)
        idx &= 0x7fffffff
        idx %= len(all_partitions)
        return all_partitions[idx]

• 4- 自定义分区策略: 参考DefaultPartitioner 他怎么写你就怎么写

第一步: 创建一个自定义分区类 Mypartition
from __future__ import absolute_import

from kafka.vendor import six


class Mypartition(object):
	# 第二步: 创建一个方法:  __call__ 传入几个参数: 参数1为key值 参数2 表示所有分区  参数3 可用的分区
	@classmethod
    def __call__(cls, key, all_partitions, available):
    	# 第三步: 自定义实现分区策略
    	
    	# 第四步: 通过return返回相对应分区
    	return all_partitions[i] 或者  return available[i]
  
 
第五步: 将整个分区配置到生产者中:  
producer = KafkaProducer(
        bootstrap_servers=['node1:9092','node2:9092','node3:9092'],
        acks=-1,
        partitioner=MyPartition()
)

额外的点:

轮询分发和粘性分区策略: JAVA
	轮询策略: 在kafka的老的版本中存在的一种策略方案(2.4版本以下), 当生成数据时候, 只有value没有key的时候, 采用轮询
		优点: 可以保证每个分区拿到的数据量基本都是一样的, 因为一个一个轮着进行发送
		弊端: 如果采用异步的方式, 意味着数据采用一批一批的方案, 当一批数据到达broker, 由于采用轮询策略, 会将这一批数据拆分为多个批次(与分片数量等同), 分别写入到不同的分片中, 影响效率(重分批以及产生多个ack响应)
	
	粘性分区策略:  在kafka的新的版本中, 存在的一种策略方案(2.4版本及以上), 当生成数据时候, 只有value没有key的时候,采用粘性分区
		优点: 在发送数据的时候, 首先会先随机的选择一个分区, 然后尽可能黏上这个分区, 将后续的数据全部发送给这一个分区上 此操作在异步发送中, 效率比较高, 可以保证一批数据都在一个分区上(无需要在分批, 一次响应即可)
		弊端: 如果生成批次非常块, 有可能导致大量的数据都发给了同一个分区上

5. kafka的消费者负载均衡机制

消费者的负载均衡的机制规定:        
	1- 在一个消费者组内, 消费者的数量最多和所监听的topic的分片数量是相等的, 一旦有多余的消费者, 那么必然会出现某些消费者处于闲置的状态       
	2- 在一个消费者组内, topic的一个分片的数据,只能被一个消费者所消费, 不允许出现一个分片被多个消费者所消费的情况,但是一个消费者可以消费多个分片的数据

如何实现点对点的消息模型 和 发布订阅的消息模型

点对点:  把监听这个topic的消费者全部都放置在同一个消费者组内容, 这样一个消息必然只能被组内一个消费者所接收到

发布订阅: 将各个消费者放置到不同的组内即可

6- 数据积压问题

通过命令查询是否存在积压的:

./kafka-consumer-groups.sh --bootstrap-server node1:9092,node2:9092,node3:9092 --group gg_1 --describe