如何确定Kafka的分区数、key和consumer线程数

在Kafak中国社区的qq群中，这个问题被提及的比例是相当高的，这也是Kafka用户最常碰到的问题之一。本文结合Kafka源码试图对该问题相关的因素进行探讨。希望对大家有所帮助。

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怎么确定分区数？

    “我应该选择几个分区？”——如果你在Kafka中国社区的群里，这样的问题你会经常碰到的。不过有些遗憾的是，我们似乎并没有很权威的答案能够解答这样的问题。其实这也不奇怪，毕竟这样的问题通常都是没有固定答案的。Kafka官网上标榜自己是"high-throughput distributed messaging system"，即一个高吞吐量的分布式消息引擎。那么怎么达到高吞吐量呢？Kafka在底层摒弃了Java堆缓存机制，采用了操作系统级别的页缓存，同时将随机写操作改为顺序写，再结合Zero-Copy的特性极大地改善了IO性能。但是，这只是一个方面，毕竟单机优化的能力是有上限的。如何通过水平扩展甚至是线性扩展来进一步提升吞吐量呢？ Kafka就是使用了分区(partition)，通过将topic的消息打散到多个分区并分布保存在不同的broker上实现了消息处理(不管是producer还是consumer)的高吞吐量。

    Kafka的生产者和消费者都可以多线程地并行操作，而每个线程处理的是一个分区的数据。因此分区实际上是调优Kafka并行度的最小单元。对于producer而言，它实际上是用多个线程并发地向不同分区所在的broker发起Socket连接同时给这些分区发送消息；而consumer呢，同一个消费组内的所有consumer线程都被指定topic的某一个分区进行消费(具体如何确定consumer线程数目我们后面会详细说明)。所以说，如果一个topic分区越多，理论上整个集群所能达到的吞吐量就越大。

    但分区是否越多越好呢？显然也不是，因为每个分区都有自己的开销：

一、客户端/服务器端需要使用的内存就越多

    先说说客户端的情况。Kafka 0.8.2之后推出了Java版的全新的producer，这个producer有个参数batch.size，默认是16KB。它会为每个分区缓存消息，一旦满了就打包将消息批量发出。看上去这是个能够提升性能的设计。不过很显然，因为这个参数是分区级别的，如果分区数越多，这部分缓存所需的内存占用也会更多。假设你有10000个分区，按照默认设置，这部分缓存需要占用约157MB的内存。而consumer端呢？我们抛开获取数据所需的内存不说，只说线程的开销。如果还是假设有10000个分区，同时consumer线程数要匹配分区数(大部分情况下是最佳的消费吞吐量配置)的话，那么在consumer client就要创建10000个线程，也需要创建大约10000个Socket去获取分区数据。这里面的线程切换的开销本身已经不容小觑了。

    服务器端的开销也不小，如果阅读Kafka源码的话可以发现，服务器端的很多组件都在内存中维护了分区级别的缓存，比如controller，FetcherManager等，因此分区数越多，这种缓存的成本越久越大。

二、文件句柄的开销

    每个分区在底层文件系统都有属于自己的一个目录。该目录下通常会有两个文件： base_offset.log和base_offset.index。Kafak的controller和ReplicaManager会为每个broker都保存这两个文件句柄(file handler)。很明显，如果分区数越多，所需要保持打开状态的文件句柄数也就越多，最终可能会突破你的ulimit -n的限制。

三、降低高可用性

    Kafka通过副本(replica)机制来保证高可用。具体做法就是为每个分区保存若干个副本(replica_factor指定副本数)。每个副本保存在不同的broker上。期中的一个副本充当leader 副本，负责处理producer和consumer请求。其他副本充当follower角色，由Kafka controller负责保证与leader的同步。如果leader所在的broker挂掉了，contorller会检测到然后在zookeeper的帮助下重选出新的leader——这中间会有短暂的不可用时间窗口，虽然大部分情况下可能只是几毫秒级别。但如果你有10000个分区，10个broker，也就是说平均每个broker上有1000个分区。此时这个broker挂掉了，那么zookeeper和controller需要立即对这1000个分区进行leader选举。比起很少的分区leader选举而言，这必然要花更长的时间，并且通常不是线性累加的。如果这个broker还同时是controller情况就更糟了。

　　说了这么多“废话”，很多人肯定已经不耐烦了。那你说到底要怎么确定分区数呢？答案就是：视情况而定。基本上你还是需要通过一系列实验和测试来确定。当然测试的依据应该是吞吐量。虽然LinkedIn这篇文章做了Kafka的基准测试，但它的结果其实对你意义不大，因为不同的硬件、软件、负载情况测试出来的结果必然不一样。我经常碰到的问题类似于，官网说每秒能到10MB，为什么我的producer每秒才1MB？ —— 且不说硬件条件，最后发现他使用的消息体有1KB，而官网的基准测试是用100B测出来的，因此根本没有可比性。不过你依然可以遵循一定的步骤来尝试确定分区数：创建一个只有1个分区的topic，然后测试这个topic的producer吞吐量和consumer吞吐量。假设它们的值分别是Tp和Tc，单位可以是MB/s。然后假设总的目标吞吐量是Tt，那么分区数 =  Tt / max(Tp, Tc)

    Tp表示producer的吞吐量。测试producer通常是很容易的，因为它的逻辑非常简单，就是直接发送消息到Kafka就好了。Tc表示consumer的吞吐量。测试Tc通常与应用的关系更大， 因为Tc的值取决于你拿到消息之后执行什么操作，因此Tc的测试通常也要麻烦一些。

    另外，Kafka并不能真正地做到线性扩展(其实任何系统都不能)，所以你在规划你的分区数的时候最好多规划一下，这样未来扩展时候也更加方便。

 

消息-分区的分配

默认情况下，Kafka根据传递消息的key来进行分区的分配，即hash(key) % numPartitions，如下图所示:

def partition(key: Any, numPartitions: Int): Int = {
    Utils.abs(key.hashCode) % numPartitions
}

　　这就保证了相同key的消息一定会被路由到相同的分区。如果你没有指定key，那么Kafka是如何确定这条消息去往哪个分区的呢？

if(key == null) {  // 如果没有指定key
        val id = sendPartitionPerTopicCache.get(topic)  // 先看看Kafka有没有缓存的现成的分区Id
        id match {
          case Some(partitionId) =>  
            partitionId  // 如果有的话直接使用这个分区Id就好了
          case None => // 如果没有的话，
            val availablePartitions = topicPartitionList.filter(_.leaderBrokerIdOpt.isDefined)  //找出所有可用分区的leader所在的broker
            if (availablePartitions.isEmpty)
              throw new LeaderNotAvailableException("No leader for any partition in topic " + topic)
            val index = Utils.abs(Random.nextInt) % availablePartitions.size  // 从中随机挑一个
            val partitionId = availablePartitions(index).partitionId
            sendPartitionPerTopicCache.put(topic, partitionId) // 更新缓存以备下一次直接使用
            partitionId
        }
      }

　　可以看出，Kafka几乎就是随机找一个分区发送无key的消息，然后把这个分区号加入到缓存中以备后面直接使用——当然了，Kafka本身也会清空该缓存（默认每10分钟或每次请求topic元数据时）

如何设定consumer线程数

    我个人的观点，如果你的分区数是N，那么最好线程数也保持为N，这样通常能够达到最大的吞吐量。超过N的配置只是浪费系统资源，因为多出的线程不会被分配到任何分区。让我们来看看具体Kafka是如何分配的。

    topic下的一个分区只能被同一个consumer group下的一个consumer线程来消费，但反之并不成立，即一个consumer线程可以消费多个分区的数据，比如Kafka提供的ConsoleConsumer，默认就只是一个线程来消费所有分区的数据。——其实ConsoleConsumer可以使用通配符的功能实现同时消费多个topic数据，但这和本文无关。

    再讨论分配策略之前，先说说KafkaStream——它是consumer的关键类，提供了遍历方法用于consumer程序调用实现数据的消费。其底层维护了一个阻塞队列，所以在没有新消息到来时，consumer是处于阻塞状态的，表现出来的状态就是consumer程序一直在等待新消息的到来。——你当然可以配置成带超时的consumer，具体参看参数consumer.timeout.ms的用法。

    下面说说Kafka提供的两种分配策略： range和roundrobin，由参数partition.assignment.strategy指定，默认是range策略。本文只讨论range策略。所谓的range其实就是按照阶段平均分配。举个例子就明白了，假设你有10个分区，P0 ~ P9，consumer线程数是3， C0 ~ C2，那么每个线程都分配哪些分区呢？

 

C0 消费分区 0, 1, 2, 3

C1 消费分区 4, 5, 6

C2 消费分区 7, 8, 9

  

具体算法就是：

val nPartsPerConsumer = curPartitions.size / curConsumers.size // 每个consumer至少保证消费的分区数
val nConsumersWithExtraPart = curPartitions.size % curConsumers.size // 还剩下多少个分区需要单独分配给开头的线程们
...
for (consumerThreadId <- consumerThreadIdSet) {   // 对于每一个consumer线程
        val myConsumerPosition = curConsumers.indexOf(consumerThreadId)  //算出该线程在所有线程中的位置，介于[0, n-1]
        assert(myConsumerPosition >= 0)
// startPart 就是这个线程要消费的起始分区数
        val startPart = nPartsPerConsumer * myConsumerPosition + myConsumerPosition.min(nConsumersWithExtraPart)
// nParts 就是这个线程总共要消费多少个分区
        val nParts = nPartsPerConsumer + (if (myConsumerPosition + 1 > nConsumersWithExtraPart) 0 else 1)
...
}

针对于这个例子，nPartsPerConsumer就是10/3=3，nConsumersWithExtraPart为10%3=1，说明每个线程至少保证3个分区，还剩下1个分区需要单独分配给开头的若干个线程。这就是为什么C0消费4个分区，后面的2个线程每个消费3个分区，具体过程详见下面的Debug截图信息：

  ctx.myTopicThreadIds

nPartsPerConsumer = 10 / 3  = 3

nConsumersWithExtraPart = 10 % 3 = 1

第一次：

myConsumerPosition = 1

startPart = 1 * 3 + min(1, 1) = 4 ---也就是从分区4开始读

nParts = 3 + (if (1 + 1 > 1) 0 else 1) = 3 读取3个分区， 即4,5,6

第二次：

myConsumerPosition = 0

startPart = 3 * 0 + min(1, 0) =0  --- 从分区0开始读

nParts = 3 + (if (0 + 1 > 1) 0 else 1) = 4 读取4个分区，即0,1,2,3

第三次：

myConsumerPosition = 2

startPart = 3 * 2 + min(2, 1) = 7 --- 从分区7开始读

nParts = 3 + if (2 + 1 > 1) 0 else 1) = 3 读取3个分区，即7, 8, 9

至此10个分区都已经分配完毕

 

说到这里，经常有个需求就是我想让某个consumer线程消费指定的分区而不消费其他的分区。坦率来说，目前Kafka并没有提供自定义分配策略。做到这点很难，但仔细想一想，也许我们期望Kafka做的事情太多了，毕竟它只是个消息引擎，在Kafka中加入消息消费的逻辑也许并不是Kafka该做的事情。