KAFKA入门

一、KAFKA介绍

Kafka是一种分布式的，基于发布/订阅的消系统。kafka对消息保存时根据Topic进行归类，发送消息者成为Producer,消息接受者成为Consumer,此外kafka集群有多个kafka实例组成，每个实例(server)称为broker。无论是kafka集群，还是producer和consumer都依赖于zookeeper来保证系统可用性集群保存一些meta信息。

二、名词解释

Broker:Kafka集群包含一个或多个服务器，这种服务器被称为broker
Topic:每条发布到Kafka集群的消息都有一个类别，这个类别被称为Topic。（物理上不同Topic的消息分开存储，逻辑上一个Topic的消息虽然保存于一个或多个broker上但用户只需指定消息的Topic即可生产或消费数据而不必关心数据存于何处）
Partition:Topic物理上的分组，一个topic可以分为多个partition，每个partition是一个有序的队列。partition中的每条消息都会被分配一个有序的id（offset）。
Producer:负责发布消息到Kafka broker
Consumer:消息消费者，向Kafka broker读取消息的客户端。
Consumer Group:每个Consumer属于一个特定的Consumer Group（可为每个Consumer指定group name，若不指定group name则属于默认的group）。

三、Kafka架构

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Kafka的整体架构非常简单，是显式分布式架构，producer、broker（kafka）和consumer都可以有多个。Producer，consumer实现Kafka注册的接口，数据从producer发送到broker，broker承担一个中间缓存和分发的作用。broker分发注册到系统中的consumer。broker的作用类似于缓存，即活跃的数据和离线处理系统之间的缓存。客户端和服务器端的通信，是基于简单，高性能，且与编程语言无关的TCP协议。

四、Kafka的存储

Topic在逻辑上可以被认为是一个queue，每条消费都必须指定它的Topic，可以简单理解为必须指明把这条消息放进哪个queue里。为了使得Kafka的吞吐率可以线性提高，物理上把Topic分成一个或多个Partition，每个Partition在物理上对应一个文件夹，该文件夹下存储这个Partition的所有消息和索引文件。若创建topic1和topic2两个topic，且分别有13个和19个分区，则整个集群上会相应会生成共32个文件夹。Producer集群通过zookeeper（实际中写的是broker list）获取所写topic对应的partition列表，然后顺序发送消息（支持自己实现分发策略），broker集群负责消息的存储和传递，支持Master Slaver模型，可分布式扩展；Consumer集群从zookeeper上获取topic所在的partition列表，然后消费，一个partition只能被一个consumer消费。

五、Partition的数据文件

如果客户端不指定Patition，也没有指定Key的话，使用自增长的数字取余数的方式实现指定的Partition。这样Kafka将平均的向Partition中生产数据。kafka只能保证分区内的有序性。

Partition中的每条Message由offset来表示它在这个partition中的偏移量，这个offset不是该Message在partition数据文件中的实际存储位置，而是逻辑上一个值，它唯一确定了partition中的一条Message。因此，可以认为offset是partition中Message的id。partition中的每条Message包含了以下三个属性：
Offset、MessageSize、data

其中offset为long型，MessageSize为int32，表示data有多大，data为message的具体内容。它的格式和Kafka通讯协议中介绍的MessageSet格式是一致。
它的主要方法如下：
append: 把给定的ByteBufferMessageSet中的Message写入到这个数据文件中。
searchFor: 从指定的startingPosition开始搜索找到第一个Message其offset是大于或者等于指定的offset，并返回其在文件中的位置Position。它的实现方式是从startingPosition开始读取12个字节，分别是当前MessageSet的offset和size。如果当前offset小于指定的offset，那么将position向后移动LogOverHead+MessageSize（其中LogOverHead为offset+messagesize，为12个字节）。
read：准确名字应该是slice，它截取其中一部分返回一个新的FileMessageSet。它不保证截取的位置数据的完整性。
sizeInBytes: 表示这个FileMessageSet占有了多少字节的空间。
truncateTo: 把这个文件截断，这个方法不保证截断位置的Message的完整性。
readInto: 从指定的相对位置开始把文件的内容读取到对应的ByteBuffer中。

partition是分段的，每个段叫LogSegment，包括了一个数据文件和一个索引文件，下图是某个partition目录下的文件：

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index文件中并没有为数据文件中的每条Message建立索引，而是采用了稀疏存储的方式，每隔一定字节的数据建立一条索引。这样避免了索引文件占用过多的空间，从而可以将索引文件保留在内存中。但缺点是没有建立索引的Message也不能一次定位到其在数据文件的位置，从而需要做一次顺序扫描，但是这次顺序扫描的范围就很小了。

Partition设置：

分区多吞吐量更高
一个话题topic的各个分区partiton之间是并行的。在producer和broker方面，写不同的分区是完全并行的。因此一些昂贵的操作比如压缩，可以获得更多的资源，因为有多个进程。在consumer方面，一个分区的数据可以由一个consumer线程在拉去数据。分区多，并行的consumer（同一个消费组）也可以多。因此通常，分区越多吞吐量越高。

基于吞吐量可以获得一个粗略的计算公式。先测量得到在只有一个分区的情况下，Producer的吞吐量(P)和Consumer的吞吐量(C)。那如果总的目标吞吐量是T的话，max(T/P,T/C)就是需要的最小分区数

分区多需要的打开的文件句柄也多
每个分区都映射到broker上的一个目录，每个log片段都会有两个文件（一个是索引文件，另一个是实际的数据文件）。分区越多所需要的文件句柄也就越多，可以通过配置操作系统的参数增加打开文件句柄数。

分区多增加了不可用风险
kafka支持主备复制，具备更高的可用性和持久性。一个分区（partition）可以有多个副本，这些副本保存在不同的broker上。每个分区的副本中都会有一个作为Leader。当一个broker失败时，Leader在这台broker上的分区都会变得不可用，kafka会自动移除Leader，再其他副本中选一个作为新的Leader。Producer和Consumer都只会与Leader相连。

一般情况下，当一个broker被正常关机时，controller主动地将Leader从正在关机的broker上移除。移动一个Leader只需要几毫秒。然当broker出现异常导致关机时，不可用会与分区数成正比。假设一个boker上有2000个分区，每个分区有2个副本，那这样一个boker大约有1000个Leader，当boker异常宕机，会同时有1000个分区变得不可用。假设恢复一个分区需要5ms，1000个分区就要5s。

分区越多，在broker异常宕机的情况，恢复所需时间会越长，不可用风险会增加。

六、Consumers分组

发布-订阅模式中消息被广播到所有的consumer中。Consumers可以加入一个consumer 组，共同竞争一个topic，topic中的消息将被分发到组中的一个成员中。同一组中的consumer可以在不同的程序中，也可以在不同的机器上。如果所有的consumer都在一个组中，这就成为了传统的队列模式，在各consumer中实现负载均衡。如果所有的consumer都不在不同的组中，这就成为了发布-订阅模式，所有的消息都被分发到所有的consumer中。更常见的是，每个topic都有若干数量的consumer组，每个组都是一个逻辑上的“订阅者”，为了容错和更好的稳定性，每个组由若干consumer组成。这其实就是一个发布-订阅模式，只不过订阅者是个组而不是单个consumer。

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在kafka中,一个partition中的消息只会被group中的一个consumer消费;每个group中consumer消息消费互相独立;我们可以认为一个group是一个"订阅"者,一个Topic中的每个partions,只会被一个"订阅者"中的一个consumer消费,不过一个consumer可以消费多个partitions中的消息.kafka只能保证一个partition中的消息被某个consumer消费时,消息是顺序的.事实上,从Topic角度来说,消息仍不是有序的。

kafka的设计原理决定,对于一个topic,同一个group中不能有多于partitions个数的consumer同时消费,否则将意味着某些consumer将无法得到消息。