Kafka 生产者

1.生产者消息发送流程

1.发送原理

在消息发送的过程中，涉及到了两个线程——main 线程和 Sender 线程。在 main 线程中创建了一个双端队列 RecordAccumulator。main 线程将消息发送给 RecordAccumulator，Sender 线程不断从 RecordAccumulator 中拉取消息发送到 Kafka Broker。

2.生产者重要参数列表

参数名称	描述
bootstrap.servers	生产者连接集群所需的 broker 地 址 清 单 。 例 如192.168.58.130:9092,192.168.58.131:9092,192.168.58.132:9092，可以设置 1 个或者多个，中间用逗号隔开。注意这里并非需要所有的 broker 地址，因为生产者从给定的 broker里查找到其他 broker 信息
key.serializer 和 value.serializer	指定发送消息的 key 和 value 的序列化类型。一定要写全类名
buffer.memory	RecordAccumulator 缓冲区总大小，默认 32m
batch.size	缓冲区一批数据最大值，默认 16k。适当增加该值，可以提高吞吐量，但是如果该值设置太大，会导致数据传输延迟增加
linger.ms	如果数据迟迟未达到 batch.size，sender 等待 linger.time之后就会发送数据。单位 ms，默认值是 0ms，表示没有延迟。生产环境建议该值大小为 5-100ms 之间
acks	0：生产者发送过来的数据，不需要等数据落盘应答。 1：生产者发送过来的数据，Leader 收到数据后应答。 -1（all）：生产者发送过来的数据，Leader+和 isr 队列里面的所有节点收齐数据后应答。 默认值是-1，-1 和all 是等价的
max.in.flight.requests.per.connection	允许最多没有返回 ack 的次数，默认为 5，开启幂等性要保证该值是 1-5 的数字
retries	当消息发送出现错误的时候，系统会重发消息。retries表示重试次数。默认是 int 最大值，2147483647。如果设置了重试，还想保证消息的有序性，需要设置MAX_IN_FLIGHT_REQUESTS_PER_CONNECTION=1否则在重试此失败消息的时候，其他的消息可能发送成功了。
retry.backoff.ms	两次重试之间的时间间隔，默认是 100ms
enable.idempotence	是否开启幂等性，默认 true，开启幂等性
compression.type	生产者发送的所有数据的压缩方式。默认是 none，也就是不压缩。 支持压缩类型：none、gzip、snappy、lz4 和 zstd。

2.发送API

在操作API之前，需要先创建Java的Maven项目，并引入相关的依赖，其中的核心便是kafka-clients

        <dependency>
            <groupId>org.apache.kafka</groupId>
            <artifactId>kafka-clients</artifactId>
            <version>3.6.1</version>
        </dependency>

1.异步发送 API

1.普通异步发送

package cn.coreqi.kafka.producer;

import org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import java.util.Properties;

public class CustomProducer {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建 kafka 生产者的配置对象
        Properties properties = new Properties();
        // 2. 给 kafka 配置对象添加配置信息：bootstrap.servers
        properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "192.168.58.130:9092");

        // key,value 序列化（必须）：key.serializer，value.serializer
        properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG,
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");

        properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG,
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");

        // 3. 创建 kafka 生产者对象
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);
        // 4. 调用 send 方法,发送消息
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first","coreqi " + i));
        }
        // 5. 关闭资源
        kafkaProducer.close();
    }
}

2.带回调函数的异步发送

回调函数会在 producer 收到 ack 时调用，为异步调用，该方法有两个参数，分别是元数据信息（RecordMetadata）和异常信息（Exception），如果 Exception 为 null，说明消息发送成功，如果 Exception 不为 null，说明消息发送失败。

注意：消息发送失败会自动重试，不需要我们在回调函数中手动重试。

package cn.coreqi.kafka.producer;

import org.apache.kafka.clients.producer.*;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;
import java.util.Properties;

public class CustomProducerCallback {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1. 创建 kafka 生产者的配置对象
        Properties properties = new Properties();
        // 2. 给 kafka 配置对象添加配置信息
        properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "192.168.58.130:9092");

        // key,value 序列化（必须）：key.serializer，value.serializer
        properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG,
                StringSerializer.class.getName());

        properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG,
                StringSerializer.class.getName());

        // 3. 创建 kafka 生产者对象
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);

        // 4. 调用 send 方法,发送消息
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            // 添加回调
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first", "coreqi " + i), new Callback() {
                // 该方法在 Producer 收到 ack 时调用，为异步调用
                @Override
                public void onCompletion(RecordMetadata metadata, Exception exception) {
                    if (exception == null) {
                        // 没有异常,输出信息到控制台
                        System.out.println(" 主题： " +
                                metadata.topic() + "->" + "分区：" + metadata.partition());
                    } else {
                        // 出现异常打印
                        exception.printStackTrace();
                    }
                }
            });
            // 延迟一会会看到数据发往不同分区
            Thread.sleep(2);
        }
        // 5. 关闭资源
        kafkaProducer.close();
    }
}

2.同步发送 API

只需在异步发送的基础上，再调用一下 get()方法即可。

package cn.coreqi.kafka.producer;

import org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;
import java.util.Properties;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class CustomProducerSync {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 1. 创建 kafka 生产者的配置对象
        Properties properties = new Properties();
        
        // 2. 给 kafka 配置对象添加配置信息
        properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,"192.168.58.130:9092");
        
        // key,value 序列化（必须）：key.serializer，value.serializer
        properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG,
                StringSerializer.class.getName());

        properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG,
                StringSerializer.class.getName());

        // 3. 创建 kafka 生产者对象
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);
        
        // 4. 调用 send 方法,发送消息
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            // 异步发送 默认
            // kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first","kafka" + i));
            // 同步发送
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first","kafka" + i)).get();
        }
        // 5. 关闭资源
        kafkaProducer.close();
    }
}

3.生产者分区

1.分区好处

1. 便于合理使用存储资源，每个Partition在一个Broker上存储，可以把海量的数据按照分区切割成一块一块数据存储在多台Broker上。合理控制分区的任务，可以实现负载均衡的效果。
2. 提高并行度，生产者可以以分区为单位发送数据；消费者可以以分区为单位进行消费数据。

2.生产者发送消息的分区策略

1. 指明partition的情况下，直接将指明的值作为partition值；例如partition=0，所有数据写入分区0
2. 没有指明partition值但有key的情况下，将key的hash值与topic的partition数进行取余得到partition值；例如：key1的hash值=5， key2的hash值=6 ，topic的partition数=2，那么key1 对应的value1写入1号分区，key2对应的value2写入0号分区。
3. 既没有partition值又没有key值的情况下，Kafka采用Sticky Partition（黏性分区器），会随机选择一个分区，并尽可能一直使用该分区，待该分区的batch已满或者已完成，Kafka再随机一个分区进行使用（和上一次的分区不同）。例如：第一次随机选择0号分区，等0号分区当前批次满了（默认16k）或者linger.ms设置的时间到， Kafka再随机一个分区进行使用（如果还是0会继续随机）。

默认的分区器 DefaultPartitioner

            // 指定数据发送到 1 号分区，key 为空（IDEA 中 ctrl + p 查看参数）
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first", 1,"","coreqi " + i), new Callback() {
                @Override
                public void onCompletion(RecordMetadata metadata, Exception e) {
                    if (e == null){
                        System.out.println(" 主题： " +
                                metadata.topic() + "->" + "分区：" + metadata.partition()
                        );
                    }else {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });

            // 依次指定 key 值为 a,b,f ，数据 key 的 hash 值与 3 个分区求余，分别发往 1、2、0
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first", "a","coreqi " + i), new Callback() {
                @Override
                public void onCompletion(RecordMetadata metadata, Exception e) {
                    if (e == null){
                        System.out.println(" 主题： " +
                                metadata.topic() + "->" + "分区：" + metadata.partition()
                        );
                    }else {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });

3.自定义分区器

自定义一个分区器实现，发送过来的数据中如果包含 coreqi，就发往 0 号分区，不包含则发往 1 号分区。

1.定义类实现 Partitioner 接口,重写 partition()方法

package cn.coreqi.kafka.partitioner;

import org.apache.kafka.clients.producer.Partitioner;
import org.apache.kafka.common.Cluster;
import java.util.Map;

/**
 * 1. 实现接口 Partitioner
 * 2. 实现 3 个方法:partition,close,configure
 * 3. 编写 partition 方法,返回分区号
 */
public class MyPartitioner implements Partitioner {

    /**
     * 返回信息对应的分区
     * @param topic      主题
     * @param key        消息的 key
     * @param keyBytes   消息的 key 序列化后的字节数组
     * @param value      消息的 value
     * @param valueBytes 消息的 value 序列化后的字节数组
     * @param cluster    集群元数据可以查看分区信息
     * @return
     */
    @Override
    public int partition(String topic, Object key, byte[] keyBytes, Object value, byte[] valueBytes, Cluster cluster) {
        // 获取消息
        String msgValue = value.toString();
        // 判断消息是否包含 coreqi 返回分区号
        return msgValue.contains("coreqi") ? 0 : 1;
    }

    // 关闭资源
    @Override
    public void close() {
    }

    // 配置方法
    @Override
    public void configure(Map<String, ?> configs) {
    }
}

2.在生产者的配置中添加分区器参数

package cn.coreqi.kafka.producer;

import cn.coreqi.kafka.partitioner.MyPartitioner;
import org.apache.kafka.clients.producer.*;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;
import java.util.Properties;

public class CustomProducerCallbackPartitions {
    public static void main(String[] args) {
        Properties properties = new Properties();
        properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "192.168.58.130:9092");

        properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());

        // 添加自定义分区器
        properties.put(ProducerConfig.PARTITIONER_CLASS_CONFIG, MyPartitioner.class.getName());

        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first", "coreqi " + i), new Callback() {
                @Override
                public void onCompletion(RecordMetadata metadata, Exception e) {
                    if (e == null) {
                        System.out.println(" 主题： " +
                                metadata.topic() + "->" + "分区：" + metadata.partition());
                    } else {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
        kafkaProducer.close();
    }
}

4.生产经验——生产者如何提高吞吐量

• batch.size：批次大小，默认16k
• linger.ms：等待时间，修改为5-100ms
• compression.type：压缩snappy
• RecordAccumulator：缓冲区大小，修改为64m

package cn.coreqi.kafka.producer;

import org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;
import java.util.Properties;

public class CustomProducerParameters {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建 kafka 生产者的配置对象
        Properties properties = new Properties(); 

        // 2. 给 kafka 配置对象添加配置信息：bootstrap.servers
        properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "192.168.58.130:9092");

        // key,value 序列化（必须）：key.serializer，value.serializer
        properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG,StringSerializer.class.getName());

        // batch.size：批次大小，默认 16K
        properties.put(ProducerConfig.BATCH_SIZE_CONFIG, 16384);

        // linger.ms：等待时间，默认 0
        properties.put(ProducerConfig.LINGER_MS_CONFIG, 1);

        // RecordAccumulator：缓冲区大小，默认 32M：buffer.memory
        properties.put(ProducerConfig.BUFFER_MEMORY_CONFIG, 33554432);

        // compression.type：压缩，默认 none，可配置值 gzip、snappy、lz4 和 zstd
        properties.put(ProducerConfig.COMPRESSION_TYPE_CONFIG,"snappy");

        // 3. 创建 kafka 生产者对象
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);

        // 4. 调用 send 方法,发送消息
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first","coreqi " + i));
        }

        // 5. 关闭资源
        kafkaProducer.close();
    }
}

5.生产经验——数据可靠性

1.ACK应答级别

• 0：生产者发送过来的数据，不需要等数据落盘应答
  数据可靠性分析：丢数
• 1：生产者发送过来的数据，Leader收到数据后应答。
  数据可靠性分析：丢数
• -1（all）：生产者发送过来的数据，Leader和ISR队列里面的所有节点收齐数据后应答。
  Leader维护了一个动态的in-sync replica set（ISR），意为和Leader保持同步的Follower+Leader集合(leader：0，isr:0,1,2)。
  如果Follower长时间未向Leader发送通信请求或同步数据，则该Follower将被踢出ISR。该时间阈值由replica.lag.time.max.ms参数设定，默认30s。例如2超时，(leader:0, isr:0,1)。
  数据可靠性分析：如果分区副本设置为1个，或 者ISR里应答的最小副本数量（ min.insync.replicas 默认为1）设置为1，和ack=1的效果是一样的，仍然有丢数的风险（leader：0，isr:0）。

数据完全可靠条件 = ACK级别设置为-1 + 分区副本大于等于2 + ISR里应答的最小副本数量大于等于2

2.总结

1.可靠性总结

• acks=0，生产者发送过来数据就不管了，可靠性差，效率高；
• acks=1，生产者发送过来数据Leader应答，可靠性中等，效率中等；
• acks=-1，生产者发送过来数据Leader和ISR队列里面所有Follwer应答，可靠性高，效率低；

在生产环境中，acks=0很少使用；acks=1，一般用于传输普通日志，允许丢个别数据；acks=-1，一般用于传输和钱相关的数据，对可靠性要求比较高的场景。

2.数据重复分析

acks： -1（all）：生产者发送过来的数据，Leader和ISR队列里面的所有节点收齐数据后应答，极小概率会产生数据重复的问题。

3.代码参数配置

package cn.coreqi.kafka.producer;

import org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;

import java.util.Properties;

public class CustomProducerAck {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建 kafka 生产者的配置对象
        Properties properties = new Properties();

        // 2. 给 kafka 配置对象添加配置信息：bootstrap.servers
        properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "192.168.58.130:9092");

        // key,value 序列化（必须）：key.serializer，value.serializer
        properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());

        // 设置 acks
        properties.put(ProducerConfig.ACKS_CONFIG, "all");

        // 重试次数 retries，默认是 int 最大值，2147483647
        properties.put(ProducerConfig.RETRIES_CONFIG, 3);

        // 3. 创建 kafka 生产者对象
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);

        // 4. 调用 send 方法,发送消息
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first", "coreqi " + i));
        }
        // 5. 关闭资源
        kafkaProducer.close();
    }
}

6.生产经验——数据去重

1.数据传递语义

• 至少一次（At Least Once）= ACK级别设置为-1 + 分区副本大于等于2 + ISR里应答的最小副本数量大于等于2
• 最多一次（At Most Once）= ACK级别设置为0
• 总结：
  • 至少一次（At Least Once)可以保证数据不丢失，但是不能保证数据不重复；
  • 最多一次(At Most Once)可以保证数据不重复，但是不能保证数据不丢失。
• 精确一次（Exactly Once）：对于一些非常重要的信息，比如和钱相关的数据，要求数据既不能重复也不丢失。

Kafka 0.11版本以后，引入了一项重大特性：幂等性和事务。

2.幂等性

1.幂等性原理

幂等性就是指Producer不论向Broker发送多少次重复数据，Broker端都只会持久化一条，保证了不重复。

精确一次（Exactly Once） = 幂等性 + 至少一次（ ack=-1 + 分区副本数>=2 + ISR最小副本数量>=2）

重复数据的判断标准：具有<PID, Partition, SeqNumber>相同主键的消息提时，Broker只会持久化一条。其中PID是Kafka每次重启都会分配一个新的；Partition 表示分区号；Sequence Number是单调自增的。
所以幂等性只能保证的是在单分区单会话内不重复。

2.配置使用幂等性

开启参数 enable.idempotence 默认为 true，false 关闭。

3.生产者事务

1.Kafka 事务说明

说明：

1. 开启事务，必须开启幂等性(事务的底层依赖于幂等性)。
2. Producer 在使用事务功能前，必须先自定义一个唯一的 transactional.id。有了 transactional.id，即使客户端挂掉了，它重启后也能继续处理未完成的事务。

2.事务API

        // 1 初始化事务
        void initTransactions();
        // 2 开启事务
        void beginTransaction() throws ProducerFencedException;
        // 3 在事务内提交已经消费的偏移量（主要用于消费者）
        void sendOffsetsToTransaction(Map<TopicPartition,OffsetAndMetadata> offsets, String consumerGroupId) throws ProducerFencedException;
        // 4 提交事务
        void commitTransaction() throws ProducerFencedException;
        // 5 放弃事务（类似于回滚事务的操作）
        void abortTransaction() throws ProducerFencedException;

3.代码演示

package cn.coreqi.kafka.producer;

import org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;

import java.util.Properties;

public class CustomProducerTransactions {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建 kafka 生产者的配置对象
        Properties properties = new Properties();
        // 2. 给 kafka 配置对象添加配置信息
        properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "192.168.58.130:9092");
        // key,value 序列化
        properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        // 设置事务 id（必须），事务 id 任意起名
        properties.put(ProducerConfig.TRANSACTIONAL_ID_CONFIG, "transaction_id_0");

        // 3. 创建 kafka 生产者对象
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);

        // 初始化事务
        kafkaProducer.initTransactions();
        // 开启事务
        kafkaProducer.beginTransaction();
        try {
            // 4. 调用 send 方法,发送消息
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                // 发送消息
                kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first", "coreqi " + i));
            }
            // 提交事务
            kafkaProducer.commitTransaction();
        } catch (Exception e) {
            // 终止事务
            kafkaProducer.abortTransaction();
        } finally {
            // 5. 关闭资源
            kafkaProducer.close();
        }
    }
}

7.生产经验——数据有序

• 单分区内，通过配置可以达到有序
• 多分区，分区与分区间无序，可以在消费端进行重排序达到有序的效果。

8.生产经验——数据乱序

1. kafka在1.x版本之前保证数据单分区有序，条件如下：
   max.in.flight.requests.per.connection=1（不需要考虑是否开启幂等性），通过此配置限定缓存队列中最多只能放一个请求。

2. kafka在1.x及以后版本保证数据单分区有序，条件如下：

   1. 未开启幂等性
      max.in.flight.requests.per.connection需要设置为1。
   2. 开启幂等性
      max.in.flight.requests.per.connection需要设置小于等于5。
      原因说明：因为在kafka1.x以后，启用幂等后，kafka服务端会缓存producer发来的最近5个request的元数据，故无论如何，都可以保证最近5个request的数据都是有序的。