Kafka设计解析（四）- Kafka Consumer设计解析

原创文章，转载请务必将下面这段话置于文章开头处。（已授权InfoQ中文站发布）
本文转发自技术世界，原文链接　http://www.jasongj.com/2015/08/09/KafkaColumn4

摘要

本文主要介绍了Kafka High Level Consumer，Consumer Group，Consumer Rebalance，Low Level Consumer实现的语义，以及适用场景。以及未来版本中对High Level Consumer的重新设计–使用Consumer Coordinator解决Split Brain和Herd等问题。

1 High Level Consumer

很多时候，客户程序只是希望从Kafka读取数据，不太关心消息offset的处理。同时也希望提供一些语义，例如同一条消息只被某一个Consumer消费（单播）或被所有Consumer消费（广播）。因此，Kafka Hight Level Consumer提供了一个从Kafka消费数据的高层抽象，从而屏蔽掉其中的细节并提供丰富的语义。

给用户提供消费数据的高层抽象，屏蔽其中的细节，提供丰富的语义

2 Consumer Group

High Level Consumer将从某个Partition读取的最后一条消息的offset存于Zookeeper中(Kafka从0.8.2版本开始同时支持将offset存于Zookeeper中与将offset存于专用的Kafka Topic中)。这个offset基于客户程序提供给Kafka的名字来保存，这个名字被称为Consumer Group。Consumer Group是整个Kafka集群全局的，而非某个Topic的。每一个High Level Consumer实例都属于一个Consumer Group，若不指定则属于默认的Group。
　　Zookeeper中Consumer相关节点如下图所示

Consumer Zookeeper Structure
　　
　　很多传统的Message Queue都会在消息被消费完后将消息删除，一方面避免重复消费，另一方面可以保证Queue的长度比较短，提高效率。而如上文所述，Kafka并不删除已消费的消息，为了实现传统Message Queue消息只被消费一次的语义，Kafka保证每条消息在同一个Consumer Group里只会被某一个Consumer消费。与传统Message Queue不同的是，Kafka还允许不同Consumer Group同时消费同一条消息，这一特性可以为消息的多元化处理提供支持。

kafka有别去传统的Message Queue，消费后不删除，允许被不同的Consumer Group同时消费(多元化处理)

kafka consumer group

　　
　　实际上，Kafka的设计理念之一就是同时提供离线处理和实时处理。根据这一特性，可以使用Storm这种实时流处理系统对消息进行实时在线处理，同时使用Hadoop这种批处理系统进行离线处理，还可以同时将数据实时备份到另一个数据中心，只需要保证这三个操作所使用的Consumer在不同的Consumer Group即可。下图展示了Kafka在LinkedIn的一种简化部署模型。

离线处理(Hadoop) 实时处理(Storm)

kafka sample deployment in linkedin

　　
　　为了更清晰展示Kafka Consumer Group的特性，笔者进行了一项测试。创建一个Topic (名为topic1)，再创建一个属于group1的Consumer实例，并创建三个属于group2的Consumer实例，然后通过Producer向topic1发送Key分别为1，2，3的消息。结果发现属于group1的Consumer收到了所有的这三条消息，同时group2中的3个Consumer分别收到了Key为1，2，3的消息，如下图所示。

kafka consumer group

　　注：上图中每个黑色区域代表一个Consumer实例，每个实例只创建一个MessageStream。实际上，本实验将Consumer应用程序打成jar包，并在4个不同的命令行终端中传入不同的参数运行。

3 High Level Consumer Rebalance

关键词：Consumer Group Consumer Partition

（本节所讲述Rebalance相关内容均基于Kafka High Level Consumer）
　　Kafka保证同一Consumer Group中只有一个Consumer会消费某条消息，实际上，Kafka保证的是稳定状态下每一个Consumer实例只会消费某一个或多个特定Partition的数据，而某个Partition的数据只会被某一个特定的Consumer实例所消费。也就是说Kafka对消息的分配是以Partition为单位分配的，而非以每一条消息作为分配单元。这样设计的劣势是无法保证同一个Consumer Group里的Consumer均匀消费数据，优势是每个Consumer不用都跟大量的Broker通信，减少通信开销，同时也降低了分配难度，实现也更简单。另外，因为同一个Partition里的数据是有序的，这种设计可以保证每个Partition里的数据可以被有序消费。
　　如果某Consumer Group中Consumer（每个Consumer只创建1个MessageStream）数量少于Partition数量，则至少有一个Consumer会消费多个Partition的数据，如果Consumer的数量与Partition数量相同，则正好一个Consumer消费一个Partition的数据。而如果Consumer的数量多于Partition的数量时，会有部分Consumer无法消费该Topic下任何一条消息。

Consumer Group	比较	Topic	分配结果
Consumer	少于	Partition	至少有一个Consumer会消费多个Partition的数据
Consumer	相同	Partition	正好一个Consumer消费一个Partition的数据
Consumer	多于	Partition	部分Consumer无法消费该Topic下任何一条消息

实例：

如下例所示，如果topic1有0，1，2共三个Partition，当group1只有一个Consumer(名为consumer1)时，该 Consumer可消费这3个Partition的所有数据。

　　 kafka rebalance 3 partition 1 consumer
　　增加一个Consumer(consumer2)后，其中一个Consumer（consumer1）可消费2个Partition的数据（Partition 0和Partition 1），另外一个Consumer(consumer2)可消费另外一个Partition（Partition 2）的数据。
　　 kafka rebalance 3 partitin 2 consumer
　　再增加一个Consumer(consumer3)后，每个Consumer可消费一个Partition的数据。consumer1消费partition0，consumer2消费partition1，consumer3消费partition2。
　　 kafka rebalance 3 partition 3 consumer
　　再增加一个Consumer（consumer4）后，其中3个Consumer可分别消费一个Partition的数据，另外一个Consumer（consumer4）不能消费topic1的任何数据。
　　 kafka rebalance 3 partition 4 consumer

　　此时关闭consumer1，其余3个Consumer可分别消费一个Partition的数据。

　　 kafka rebalance 3 partition 3 consumer
　　接着关闭consumer2，consumer3可消费2个Partition，consumer4可消费1个Partition。
　　 kafka rebalance 3 partition 2 consumer
　　再关闭consumer3，仅存的consumer4可同时消费topic1的3个Partition。
　　 kafka rebalance 3 partition 1 consumer

Consumer Rebalance的算法如下：

• 将目标Topic下的所有Partirtion排序，存于PTPT
• 对某Consumer Group下所有Consumer排序，存于CG于CG，第ii个Consumer记为CiCi
• N=size(PT)/size(CG)N=size(PT)/size(CG)，向上取整
• 解除CiCi对原来分配的Partition的消费权（i从0开始）
• 将第i∗Ni∗N到（i+1）∗N−1（i+1）∗N−1个Partition分配给CiCi

目前，最新版（0.8.2.1）Kafka的Consumer Rebalance的控制策略是由每一个Consumer通过在Zookeeper上注册Watch完成的。每个Consumer被创建时会触发Consumer Group的Rebalance，具体启动流程如下：

• High Level Consumer启动时将其ID注册到其Consumer Group下，在Zookeeper上的路径为/consumers/[consumer group]/ids/[consumer id]
• 在/consumers/[consumer group]/ids上注册Watch
• 在/brokers/ids上注册Watch
• 如果Consumer通过Topic Filter创建消息流，则它会同时在/brokers/topics上也创建Watch
• 强制自己在其Consumer Group内启动Rebalance流程

在这种策略下，每一个Consumer或者Broker的增加或者减少都会触发Consumer Rebalance。因为每个Consumer只负责调整自己所消费的Partition，为了保证整个Consumer Group的一致性，当一个Consumer触发了Rebalance时，该Consumer Group内的其它所有其它Consumer也应该同时触发Rebalance。

该方式有如下缺陷：

• Herd effect
  任何Broker或者Consumer的增减都会触发所有的Consumer的Rebalance
• Split Brain
  每个Consumer分别单独通过Zookeeper判断哪些Broker和Consumer 宕机了，那么不同Consumer在同一时刻从Zookeeper“看”到的View就可能不一样，这是由Zookeeper的特性决定的，这就会造成不正确的Reblance尝试。
• 调整结果不可控
  所有的Consumer都并不知道其它Consumer的Rebalance是否成功，这可能会导致Kafka工作在一个不正确的状态。

根据Kafka社区wiki，Kafka作者正在考虑在还未发布的0.9.x版本中使用中心协调器(Coordinator)。大体思想是为所有Consumer Group的子集选举出一个Broker作为Coordinator，由它Watch Zookeeper，从而判断是否有Partition或者Consumer的增减，然后生成Rebalance命令，并检查是否这些Rebalance在所有相关的Consumer中被执行成功，如果不成功则重试，若成功则认为此次Rebalance成功（这个过程跟Replication Controller非常类似）。具体方案将在后文中详细阐述。

Low Level Consumer

使用Low Level Consumer (Simple Consumer)的主要原因是，用户希望比Consumer Group更好的控制数据的消费。比如：

• 同一条消息读多次
• 只读取某个Topic的部分Partition
• 管理事务，从而确保每条消息被处理一次，且仅被处理一次

与Consumer Group相比，Low Level Consumer要求用户做大量的额外工作。

• 必须在应用程序中跟踪offset，从而确定下一条应该消费哪条消息
• 应用程序需要通过程序获知每个Partition的Leader是谁
• 必须处理Leader的变化

使用Low Level Consumer的一般流程如下

• 查找到一个“活着”的Broker，并且找出每个Partition的Leader
• 找出每个Partition的Follower
• 定义好请求，该请求应该能描述应用程序需要哪些数据
• Fetch数据
• 识别Leader的变化，并对之作出必要的响应

Consumer重新设计

设计方向

1 简化消费者客户端
2 中心Coordinator
3 允许手工管理offset
4 Rebalance后触发用户指定的回调
5 非阻塞式Consumer API :Consumer  Consumer状态机
6 故障检测机制  Coordinator  Coordinator状态机  Coordinator Failover

Kafka系列文章

Kafka设计解析（一）- Kafka简介及架构介绍
Kafka设计解析（二）- Kafka High Availability （上）
Kafka设计解析（三）- Kafka High Availability （下）
Kafka设计解析（四）- Kafka Consumer设计解析
Kafka设计解析（五）- Kafka性能测试方法及Benchmark报告
Kafka设计解析（六）- Kafka高性能架构之道
Kafka设计解析（七）- Kafka Stream