Kafka 源码解析之日志管理

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日志的基本概念

在 Kafka 的官方文档中，最开始介绍 Kafka 的一句话是：

Kafka is a distributed, partitioned, replicated commit log service. （0.10.0 之前）

Apache Kafka is a distributed streaming platform. （0.10.0 及之后）

可以说在 KafkaStream 之前，Kafka 最开始的应用场景就是日志场景或 mq 场景，更多的扮演着一个存储系统，这是 Kafka 立家之本。

Kafka 是一个分布式的（distributed）、可分区的（partitioned）、支持多副本（replicated）的日志提交系统，分布式这个概念很好理解，Kafka 本身就是一个分布式系统，那另外两个概念什么意思呢？

• 可分区的：一个 topic 是可以设置多个分区的，可分区解决了单 topic 线性扩展的问题（也解决了负载均衡的问题）；
• 支持多副本的：使得 topic 可以做到更多容错性，牺牲性能与空间去换取更高的可靠性。

一个 Topic 基本结果如下：

image.png

图中的 topic 由三个 partition 组成，topic 在创建开始，每个 partition 在写入时，其 offset 值是从0开始逐渐增加。topic 的 partition 是可以分配到 Kafka 集群的任何节点上，在实际存储时，每个 partition 是按 segment 文件去存储的（segment 的大小是在 server 端配置的，这就是日志的分段），如下图所示：

image.png

注：上图是 0.8.2.1 版的 segment 的结构，0.10.2.0 版每个 segment 还会有一个对应的 timestrap 文件。

再简单介绍一下 topic 的副本的概念，kafka 中为了保证一定可靠性，一般会为设置多个副本，假设一个 topic 设置了三个副本：

• 每个 partition 都会有三个副本，这个三个副本需要分配在不同的 broker 上，在同一台 broker 上的话，就没有什么意义了；
• 这个三个副本中，会有选举出来了一个 leader，另外两个就是 follower，topic 的读写都是在 leader 上进行的，follower 从 leader 同步 partition 的数据。

follower 不支持读的原因，个人感觉是对于流式系统而言，如果允许 follower 也可以读的话，数据一致性、可见性将会很难保证，对最初 Kafka 的设计将会带来很大的复杂性。

日志管理

Kafka 的日志管理（LogManager）主要的作用是负责日志的创建、检索、清理，日志相关的读写操作实际上是由日志实例对象（Log）来处理的。

KafkaServer 启动 LogManager 线程

LogManager 线程是在节点的 Kafka 服务启动时启动的，相关代码如下：

//kafka.server.KafkaServer
def startup() {
  try {
    info("starting")
    /* start log manager */
    //note: 启动日志管理线程
    logManager = createLogManager(zkUtils.zkClient, brokerState)
    logManager.startup()
    }
  catch {
    case e: Throwable =>
    fatal("Fatal error during KafkaServer startup. Prepare to shutdown", e)
    isStartingUp.set(false)
    shutdown()
    throw e
  }
}

private def createLogManager(zkClient: ZkClient, brokerState: BrokerState): LogManager = {
  val defaultProps = KafkaServer.copyKafkaConfigToLog(config)
  val defaultLogConfig = LogConfig(defaultProps)

  val configs = AdminUtils.fetchAllTopicConfigs(zkUtils).map { case (topic, configs) =>
    topic -> LogConfig.fromProps(defaultProps, configs)
  }
  // read the log configurations from zookeeper
  val cleanerConfig = CleanerConfig(numThreads = config.logCleanerThreads, //note: 日志清理线程数,默认是1
                                    dedupeBufferSize = config.logCleanerDedupeBufferSize, //note: 日志清理使用的总内容,默认128MB
                                    dedupeBufferLoadFactor = config.logCleanerDedupeBufferLoadFactor, //note:  buffer load factor
                                    ioBufferSize = config.logCleanerIoBufferSize, //note:
                                    maxMessageSize = config.messageMaxBytes, //note:
                                    maxIoBytesPerSecond = config.logCleanerIoMaxBytesPerSecond, //note:
                                    backOffMs = config.logCleanerBackoffMs, //note: 没有日志清理时的 sleep 时间,默认 15s
                                    enableCleaner = config.logCleanerEnable) //note: 是否允许对 compact 日志进行清理
  new LogManager(logDirs = config.logDirs.map(new File(_)).toArray, //note: 日志目录列表
                 topicConfigs = configs,
                 defaultConfig = defaultLogConfig,
                 cleanerConfig = cleanerConfig,
                 ioThreads = config.numRecoveryThreadsPerDataDir,//note: 每个日志目录在开始时用日志恢复以及关闭时日志flush的线程数,默认1
                 flushCheckMs = config.logFlushSchedulerIntervalMs,
                 flushCheckpointMs = config.logFlushOffsetCheckpointIntervalMs, //note: 更新 check-point 的频率,默认是60s
                 retentionCheckMs = config.logCleanupIntervalMs, //note: log-cleaner 检查 topic 是否需要删除的频率,默认是5min
                 scheduler = kafkaScheduler,
                 brokerState = brokerState,
                 time = time)
}

LogManager 初始化
LogManager 在初始化时，首先会检查 server 端配置的日志目录信息，然后会加载日志目录下的所有分区日志，其实现如下

class LogManager(){
  //note: 检查点表示日志已经刷新到磁盘的位置，主要是用于数据恢复
  val RecoveryPointCheckpointFile = "recovery-point-offset-checkpoint" //note: 检查点文件
  
  private val logs = new Pool[TopicPartition, Log]() //note: 分区与日志实例的对应关系

  createAndValidateLogDirs(logDirs) //note: 检查日志目录
  private val dirLocks = lockLogDirs(logDirs)
  //note: 每个数据目录都有一个检查点文件,存储这个数据目录下所有分区的检查点信息
  private val recoveryPointCheckpoints = logDirs.map(dir => (dir, new OffsetCheckpoint(new File(dir, RecoveryPointCheckpointFile)))).toMap
  loadLogs()
  
  //note: 创建指定的数据目录,并做相应的检查:
  //note: 1.确保数据目录中没有重复的数据目录;
  //note: 2.数据不存在的话就创建相应的目录;
  //note: 3.检查每个目录路径是否是可读的。
  private def createAndValidateLogDirs(dirs: Seq[File]) {
    if(dirs.map(_.getCanonicalPath).toSet.size < dirs.size)
      throw new KafkaException("Duplicate log directory found: " + logDirs.mkString(", "))
    for(dir <- dirs) {
      if(!dir.exists) {
        info("Log directory '" + dir.getAbsolutePath + "' not found, creating it.")
        val created = dir.mkdirs()
        if(!created)
          throw new KafkaException("Failed to create data directory " + dir.getAbsolutePath)
      }
      if(!dir.isDirectory || !dir.canRead)
        throw new KafkaException(dir.getAbsolutePath + " is not a readable log directory.")
    }
  }

  //note: 加载所有的日志,而每个日志也会调用 loadSegments() 方法加载所有的分段,过程比较慢,所有每个日志都会创建一个单独的线程
  //note: 日志管理器采用线程池提交任务,标识不用的任务可以同时运行
  private def loadLogs(): Unit = {
    info("Loading logs.")
    val startMs = time.milliseconds
    val threadPools = mutable.ArrayBuffer.empty[ExecutorService]
    val jobs = mutable.Map.empty[File, Seq[Future[_]]]

    for (dir <- this.logDirs) { //note: 处理每一个日志目录
      val pool = Executors.newFixedThreadPool(ioThreads) //note: 默认为 1
      threadPools.append(pool) //note: 每个对应的数据目录都有一个线程池

      val cleanShutdownFile = new File(dir, Log.CleanShutdownFile)

      if (cleanShutdownFile.exists) {
        debug(
          "Found clean shutdown file. " +
          "Skipping recovery for all logs in data directory: " +
          dir.getAbsolutePath)
      } else {
        // log recovery itself is being performed by `Log` class during initialization
        brokerState.newState(RecoveringFromUncleanShutdown)
      }

      var recoveryPoints = Map[TopicPartition, Long]()
      try {
        recoveryPoints = this.recoveryPointCheckpoints(dir).read //note: 读取检查点文件
      } catch {
        case e: Exception =>
          warn("Error occured while reading recovery-point-offset-checkpoint file of directory " + dir, e)
          warn("Resetting the recovery checkpoint to 0")
      }

      val jobsForDir = for {
        dirContent <- Option(dir.listFiles).toList //note: 数据目录下的所有日志目录
        logDir <- dirContent if logDir.isDirectory //note: 日志目录下每个分区目录
      } yield {
        CoreUtils.runnable { //note: 每个分区的目录都对应了一个线程
          debug("Loading log '" + logDir.getName + "'")

          val topicPartition = Log.parseTopicPartitionName(logDir)
          val config = topicConfigs.getOrElse(topicPartition.topic, defaultConfig)
          val logRecoveryPoint = recoveryPoints.getOrElse(topicPartition, 0L)

          val current = new Log(logDir, config, logRecoveryPoint, scheduler, time)//note: 创建 Log 对象后，初始化时会加载所有的 segment
          if (logDir.getName.endsWith(Log.DeleteDirSuffix)) { //note: 该目录被标记为删除
            this.logsToBeDeleted.add(current)
          } else {
            val previous = this.logs.put(topicPartition, current) //note: 创建日志后,加入日志管理的映射表
            if (previous != null) {
              throw new IllegalArgumentException(
                "Duplicate log directories found: %s, %s!".format(
                  current.dir.getAbsolutePath, previous.dir.getAbsolutePath))
            }
          }
        }
      }

      jobs(cleanShutdownFile) = jobsForDir.map(pool.submit).toSeq //note: 提交任务
    }


    try {
      for ((cleanShutdownFile, dirJobs) <- jobs) {
        dirJobs.foreach(_.get)
        cleanShutdownFile.delete()
      }
    } catch {
      case e: ExecutionException => {
        error("There was an error in one of the threads during logs loading: " + e.getCause)
        throw e.getCause
      }
    } finally {
      threadPools.foreach(_.shutdown())
    }

    info(s"Logs loading complete in ${time.milliseconds - startMs} ms.")
  }
}

初始化 LogManger 代码有两个主要方法：

1. createAndValidateLogDirs()：创建指定的数据目录，并做相应的检查： 1.确保数据目录中没有重复的数据目录、2.数据目录不存在的话就创建相应的目录；3. 检查每个目录路径是否是可读的；
2. loadLogs()：加载所有的日志分区，而每个日志也会调用 loadSegments() 方法加载该分区所有的 segment 文件，过程比较慢，所以 LogManager 使用线程池的方式，为每个日志的加载都会创建一个单独的线程。

虽然使用的是线程池提交任务，并发进行 load 分区日志，但这个任务本身是阻塞式的，只有当所有的分区日志加载完成，才能调用 startup() 启动 LogManager 线程。

LogManager 启动

在日志目录的所有分区日志都加载完成后，KafkaServer 调用 startup() 方法启动 LogManager 线程，LogManager 启动后，后台会运行四个定时任务，代码实现如下：

def startup() {
  /* Schedule the cleanup task to delete old logs */
  if(scheduler != null) {
    //note: 定时清理过期的日志 segment,并维护日志的大小
    info("Starting log cleanup with a period of %d ms.".format(retentionCheckMs))
    scheduler.schedule("kafka-log-retention",
                       cleanupLogs,
                       delay = InitialTaskDelayMs,
                       period = retentionCheckMs,
                       TimeUnit.MILLISECONDS)
    //note: 定时刷新还没有写到磁盘上日志
    info("Starting log flusher with a default period of %d ms.".format(flushCheckMs))
    scheduler.schedule("kafka-log-flusher",
                       flushDirtyLogs,
                       delay = InitialTaskDelayMs,
                       period = flushCheckMs,
                       TimeUnit.MILLISECONDS)
    //note: 定时将所有数据目录所有日志的检查点写到检查点文件中
    scheduler.schedule("kafka-recovery-point-checkpoint",
                       checkpointRecoveryPointOffsets,
                       delay = InitialTaskDelayMs,
                       period = flushCheckpointMs,
                       TimeUnit.MILLISECONDS)
    //note: 定时删除标记为 delete 的日志文件
    scheduler.schedule("kafka-delete-logs",
                       deleteLogs,
                       delay = InitialTaskDelayMs,
                       period = defaultConfig.fileDeleteDelayMs,
                       TimeUnit.MILLISECONDS)
  }
  //note: 如果设置为 true， 自动清理 compaction 类型的 topic
  if(cleanerConfig.enableCleaner)
    cleaner.startup()
}

四个后台定时线程的作用：

1. cleanupLogs：定时清理过期的日志 segment，并维护日志的大小（默认5min）；
2. flushDirtyLogs：定时刷新将还没有写到磁盘上日志刷新到磁盘（默认 无限大）；
3. checkpointRecoveryPointOffsets：定时将所有数据目录所有日志的检查点写到检查点文件中（默认 60s）；
4. deleteLogs：定时删除标记为 delete 的日志文件（默认 30s）。

检查点文件
在 LogManager 中有一个非常重要的文件——检查点文件：

1. Kafka 启动时创建 LogManager，读取检查点文件，并把每个分区对应的检查点（checkPoint）作为日志的恢复点（recoveryPoint），最后创建分区对应的日志实例；
2. 消息追加到分区对应的日志，在刷新日志时，将最新的偏移量作为日志的检查点（也即是刷新日志时，会更新检查点位置）；
3. LogManager 会启动一个定时任务，读取所有日志的检查点，并写入全局的检查点文件（定时将检查点的位置更新到检查点文件中）。

//note：通常所有数据目录都会一起执行，不会专门操作某一个数据目录的检查点文件
def checkpointRecoveryPointOffsets() {
  this.logDirs.foreach(checkpointLogsInDir)
}

/**
 * Make a checkpoint for all logs in provided directory.
 */
//note: 对数据目录下的所有日志（即所有分区），将其检查点写入检查点文件
private def checkpointLogsInDir(dir: File): Unit = {
  val recoveryPoints = this.logsByDir.get(dir.toString)
  if (recoveryPoints.isDefined) {
    this.recoveryPointCheckpoints(dir).write(recoveryPoints.get.mapValues(_.recoveryPoint))
  }
}

日志刷新
日志管理器会定时调度 flushDirtyLogs() 方法，定期将页面缓存中的数据真正刷新到磁盘文件中。如果缓存中的数据（在 pagecache 中）在 flush 到磁盘之前，Broker 宕机了，那么会导致数据丢失（多副本减少了这个风险）。

在 Kafka 中有两种策略，将日志刷新到磁盘上：

• 时间策略，（log.flush.interval.ms 中配置调度周期，默认为无限大，即选择大小策略）：
• 大小策略，（log.flush.interval.messages 中配置当未刷新的 msg 数超过这个值后，进行刷新）。

LogManager 刷新日志的实现方法如下：

//note: LogManager 启动时，会启动一个周期性调度任务，调度这个方法，定时刷新日志。
private def flushDirtyLogs() = {
  debug("Checking for dirty logs to flush...")

  for ((topicPartition, log) <- logs) {
    try {
      //note: 每个日志的刷新时间并不相同
      val timeSinceLastFlush = time.milliseconds - log.lastFlushTime
      debug("Checking if flush is needed on " + topicPartition.topic + " flush interval  " + log.config.flushMs +
            " last flushed " + log.lastFlushTime + " time since last flush: " + timeSinceLastFlush)
      if(timeSinceLastFlush >= log.config.flushMs)
        log.flush
    } catch {
      case e: Throwable =>
        error("Error flushing topic " + topicPartition.topic, e)
    }
  }
}

LogManager 这个方法最后的结果还是调用了 log.flush() 进行刷新操作：

/**
 * Flush all log segments
 */
def flush(): Unit = flush(this.logEndOffset)

/**
 * Flush log segments for all offsets up to offset-1
 *
 * @param offset The offset to flush up to (non-inclusive); the new recovery point
 */
def flush(offset: Long) : Unit = {
  if (offset <= this.recoveryPoint)
    return
  debug("Flushing log '" + name + " up to offset " + offset + ", last flushed: " + lastFlushTime + " current time: " +
        time.milliseconds + " unflushed = " + unflushedMessages)
  //note: 刷新检查点到最新偏移量之间的所有日志分段
  for(segment <- logSegments(this.recoveryPoint, offset))
    segment.flush()//note: 刷新数据文件和索引文件（调用操作系统的 fsync）
  lock synchronized {
    if(offset > this.recoveryPoint) {
      this.recoveryPoint = offset
      lastflushedTime.set(time.milliseconds)//note: 更新刷新时间
    }
  }
}

上面的内容实际上只是按 log.flush.interval.ms 设置去 flush 日志到磁盘，那么 log.flush.interval.messages 策略是在什么地方生效的呢？用心想一下，大家应该能猜出来，是在数据追加到 Log 中的时候，这时候会判断没有 flush 的数据大小是否达到阈值，具体实现如下所示：

// 其他部分这里暂时忽略了
def append(records: MemoryRecords, assignOffsets: Boolean = true): LogAppendInfo = {
  // now append to the log
  segment.append(firstOffset = appendInfo.firstOffset,
    largestOffset = appendInfo.lastOffset,
    largestTimestamp = appendInfo.maxTimestamp,
    shallowOffsetOfMaxTimestamp = appendInfo.offsetOfMaxTimestamp,
    records = validRecords)

  // increment the log end offset
  updateLogEndOffset(appendInfo.lastOffset + 1)

  trace("Appended message set to log %s with first offset: %d, next offset: %d, and messages: %s"
    .format(this.name, appendInfo.firstOffset, nextOffsetMetadata.messageOffset, validRecords))

  if (unflushedMessages >= config.flushInterval)
    flush()
}

日志清理

为了保证分区的总大小不超过阈值（log.retention.bytes），日志管理器会定时清理旧的数据。

不过一般情况下，都是通过配置 log.retention.hours 来配置 segment 的保存时间，而不是通过单日志的总大小配置，因为不同的 topic，其 partition 大小相差很大，导致最后的保存时间可能也不一致，不利于管理。

清理旧日志分段方法，主要有两种：

1. 删除：超过时间或大小阈值的旧 segment，直接进行删除；
2. 压缩：不是直接删除日志分段，而是采用合并压缩的方式进行。

这里主要讲述第一种方法，第二种将会后续文章介绍。
先看下 LogManager 中日志清除任务的实现：

/**
 * Delete any eligible logs. Return the number of segments deleted.
 * Only consider logs that are not compacted.
 */
//note: 日志清除任务
def cleanupLogs() {
  debug("Beginning log cleanup...")
  var total = 0
  val startMs = time.milliseconds
  for(log <- allLogs; if !log.config.compact) {
    debug("Garbage collecting '" + log.name + "'")
    total += log.deleteOldSegments() //note: 清理过期的 segment
  }
  debug("Log cleanup completed. " + total + " files deleted in " +
                (time.milliseconds - startMs) / 1000 + " seconds")
}

日志清除任务的实现还是在 Log 的 deleteOldSegments() 中实现的：

/**
  * Delete any log segments that have either expired due to time based retention
  * or because the log size is > retentionSize
  */
def deleteOldSegments(): Int = {
  if (!config.delete) return 0
  deleteRetenionMsBreachedSegments() + deleteRetentionSizeBreachedSegments()
}

//note: 清除保存时间满足条件的 segment
private def deleteRetenionMsBreachedSegments() : Int = {
  if (config.retentionMs < 0) return 0
  val startMs = time.milliseconds
  deleteOldSegments(startMs - _.largestTimestamp > config.retentionMs)
}

//note: 清除保存大小满足条件的 segment
private def deleteRetentionSizeBreachedSegments() : Int = {
  if (config.retentionSize < 0 || size < config.retentionSize) return 0
  var diff = size - config.retentionSize
  def shouldDelete(segment: LogSegment) = {
    if (diff - segment.size >= 0) {
      diff -= segment.size
      true
    } else {
      false
    }
  }
  deleteOldSegments(shouldDelete)
}

清除日志的两个方法：

1. deleteRetenionMsBreachedSegments()：如果 segment 保存时间超过设置的时间，那么进行删除；
2. deleteRetentionSizeBreachedSegments()：如果当前最新的日志大小减少下一个即将删除的 segment 分段的大小超过阈值，那么就允许删除该 segment，否则就不允许。

调用 deleteOldSegments() 方法删除日志数据文件及索引文件的具体实现如下：

//note: 清除相应的 segment 及相应的索引文件
//note: 其中 predicate 是一个高阶函数，只有返回值为 true 该 segment 才会被删除
private def deleteOldSegments(predicate: LogSegment => Boolean): Int = {
  lock synchronized {
    val deletable = deletableSegments(predicate)
    val numToDelete = deletable.size
    if (numToDelete > 0) {
      // we must always have at least one segment, so if we are going to delete all the segments, create a new one first
      if (segments.size == numToDelete)
        roll()
      // remove the segments for lookups
      deletable.foreach(deleteSegment) //note: 删除 segment
    }
    numToDelete
  }
}

private def deleteSegment(segment: LogSegment) {
  info("Scheduling log segment %d for log %s for deletion.".format(segment.baseOffset, name))
  lock synchronized {
    segments.remove(segment.baseOffset) //note:  从映射关系表中删除数据
    asyncDeleteSegment(segment) //note: 异步删除日志 segment
  }
}

/**
 * Perform an asynchronous delete on the given file if it exists (otherwise do nothing)
 *
 * @throws KafkaStorageException if the file can't be renamed and still exists
 */
private def asyncDeleteSegment(segment: LogSegment) {
  segment.changeFileSuffixes("", Log.DeletedFileSuffix) //note: 先将 segment 的数据文件和索引文件后缀添加 `.deleted`
  def deleteSeg() {
    info("Deleting segment %d from log %s.".format(segment.baseOffset, name))
    segment.delete()
  }
  scheduler.schedule("delete-file", deleteSeg, delay = config.fileDeleteDelayMs) //note: 异步调度进行删除
}

从上面的讲解来看，Kafka LogManager 线程工作还是比较清晰简洁的，它的作用就是负责日志的创建、检索、清理，并不负责日志的读写等实际操作。