Kafka消费组(consumer group)
在开始之前，我想花一点时间先来明确一些概念和术语，这会极大地方便我们下面的讨论。另外请原谅这文章有点长，毕竟要讨论的东西很多，虽然已然删除了很多太过细节的东西。
一、 误区澄清与概念明确
1 Kafka的版本
很多人在Kafka中国社区(替群主做个宣传，QQ号：162272557)提问时的开头经常是这样的：“我使用的kafka版本是2.10/2.11, 现在碰到一个奇怪的问题。。。。” 无意冒犯，但这里的2.10/2.11不是kafka的版本，而是编译kafka的Scala版本。Kafka的server端代码是由Scala语言编写的，目前Scala主流的3个版本分别是2.10、2.11和2.12。实际上Kafka现在每个PULL request都已经自动增加了这三个版本的检查。下图是我的一个PULL request，可以看到这个fix会同时使用3个scala版本做编译检查：
目前广泛使用kafka的版本应该是这三个大版本：0.8.x， 0.9.x和0.10.* 。 这三个版本对于consumer和consumer group来说都有很大的变化，我们后面会详谈。
2 新版本 VS 老版本
“我的kafkaoffsetmonitor为什么无法监控到offset了？”——这是我在Kafka中国社区见到最多的问题，没有之一！实际上，Kafka 0.9开始提供了新版本的consumer及consumer group，位移的管理与保存机制发生了很大的变化——新版本consumer默认将不再保存位移到zookeeper中，而目前kafkaoffsetmonitor还没有应对这种变化(虽然已经有很多人在要求他们改了，详见https://github.com/quantifind/KafkaOffsetMonitor/issues/79)，所以很有可能是因为你使用了新版本的consumer才无法看到的。关于新旧版本，这里统一说明一下：kafka0.9以前的consumer是使用Scala编写的，包名结构是kafka.consumer.*，分为high-level consumer和low-level consumer两种。我们熟知的ConsumerConnector、ZookeeperConsumerConnector以及SimpleConsumer就是这个版本提供的；自0.9版本开始，Kafka提供了java版本的consumer，包名结构是o.a.k.clients.consumer.*，熟知的类包括KafkaConsumer和ConsumerRecord等。新版本的consumer可以单独部署，不再需要依赖server端的代码。
二、消费者组 (Consumer Group)
1 什么是消费者组
其实对于这些基本概念的普及，网上资料实在太多了。我本不应该再画蛇添足了，但为了本文的完整性，我还是要花一些篇幅来重谈consumer group，至少可以说说我的理解。值得一提的是，由于我们今天基本上只探讨consumer group，对于单独的消费者不做过多讨论。
什么是consumer group? 一言以蔽之，consumer group是kafka提供的可扩展且具有容错性的消费者机制。既然是一个组，那么组内必然可以有多个消费者或消费者实例(consumer instance)，它们共享一个公共的ID，即group ID。组内的所有消费者协调在一起来消费订阅主题(subscribed topics)的所有分区(partition)。当然，每个分区只能由同一个消费组内的一个consumer来消费。（网上文章中说到此处各种炫目多彩的图就会紧跟着抛出来，我这里就不画了，请原谅）。个人认为，理解consumer group记住下面这三个特性就好了：
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consumer group下可以有一个或多个consumer instance，consumer instance可以是一个进程，也可以是一个线程
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group.id是一个字符串，唯一标识一个consumer group
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consumer group下订阅的topic下的每个分区只能分配给某个group下的一个consumer(当然该分区还可以被分配给其他group)
2 消费者位置(consumer position)
消费者在消费的过程中需要记录自己消费了多少数据，即消费位置信息。在Kafka中这个位置信息有个专门的术语：位移(offset)。很多消息引擎都把这部分信息保存在服务器端(broker端)。这样做的好处当然是实现简单，但会有三个主要的问题：1. broker从此变成有状态的，会影响伸缩性；2. 需要引入应答机制(acknowledgement)来确认消费成功。3. 由于要保存很多consumer的offset信息，必然引入复杂的数据结构，造成资源浪费。而Kafka选择了不同的方式：每个consumer group保存自己的位移信息，那么只需要简单的一个整数表示位置就够了；同时可以引入checkpoint机制定期持久化，简化了应答机制的实现。
3 位移管理(offset management)
3.1 自动VS手动
Kafka默认是定期帮你自动提交位移的(enable.auto.commit = true)，你当然可以选择手动提交位移实现自己控制。另外kafka会定期把group消费情况保存起来，做成一个offset map，如下图所示：
上图中表明了test-group这个组当前的消费情况。
3.2 位移提交
老版本的位移是提交到zookeeper中的，图就不画了，总之目录结构是：/consumers/<group.id>/offsets/<topic>/<partitionId>，但是zookeeper其实并不适合进行大批量的读写操作，尤其是写操作。因此kafka提供了另一种解决方案：增加__consumeroffsets topic，将offset信息写入这个topic，摆脱对zookeeper的依赖(指保存offset这件事情)。__consumer_offsets中的消息保存了每个consumer group某一时刻提交的offset信息。依然以上图中的consumer group为例，格式大概如下：
__consumers_offsets topic配置了compact策略，使得它总是能够保存最新的位移信息，既控制了该topic总体的日志容量，也能实现保存最新offset的目的。compact的具体原理请参见：Log Compaction
至于每个group保存到__consumers_offsets的哪个分区，如何查看的问题请参见这篇文章：Kafka 如何读取offset topic内容 (__consumer_offsets)
4 Rebalance
4.1 什么是rebalance？
rebalance本质上是一种协议，规定了一个consumer group下的所有consumer如何达成一致来分配订阅topic的每个分区。比如某个group下有20个consumer，它订阅了一个具有100个分区的topic。正常情况下，Kafka平均会为每个consumer分配5个分区。这个分配的过程就叫rebalance。
4.2 什么时候rebalance？
这也是经常被提及的一个问题。rebalance的触发条件有三种：
- 组成员发生变更(新consumer加入组、已有consumer主动离开组或已有consumer崩溃了——这两者的区别后面会谈到)
- 订阅主题数发生变更——这当然是可能的，如果你使用了正则表达式的方式进行订阅，那么新建匹配正则表达式的topic就会触发rebalance
- 订阅主题的分区数发生变更
4.3 如何进行组内分区分配？
之前提到了group下的所有consumer都会协调在一起共同参与分配，这是如何完成的？Kafka新版本consumer默认提供了两种分配策略：range和round-robin。当然Kafka采用了可插拔式的分配策略，你可以创建自己的分配器以实现不同的分配策略。实际上，由于目前range和round-robin两种分配器都有一些弊端，Kafka社区已经提出第三种分配器来实现更加公平的分配策略，只是目前还在开发中。我们这里只需要知道consumer group默认已经帮我们把订阅topic的分区分配工作做好了就行了。
简单举个例子，假设目前某个consumer group下有两个consumer： A和B，当第三个成员加入时，kafka会触发rebalance并根据默认的分配策略重新为A、B和C分配分区，如下图所示：
4.4 谁来执行rebalance和consumer group管理？
Kafka提供了一个角色：coordinator来执行对于consumer group的管理。坦率说kafka对于coordinator的设计与修改是一个很长的故事。最新版本的coordinator也与最初的设计有了很大的不同。这里我只想提及两次比较大的改变。
首先是0.8版本的coordinator，那时候的coordinator是依赖zookeeper来实现对于consumer group的管理的。Coordinator监听zookeeper的/consumers/<group>/ids的子节点变化以及/brokers/topics/<topic>数据变化来判断是否需要进行rebalance。group下的每个consumer都自己决定要消费哪些分区，并把自己的决定抢先在zookeeper中的/consumers/<group>/owners/<topic>/<partition>下注册。很明显，这种方案要依赖于zookeeper的帮助，而且每个consumer是单独做决定的，没有那种“大家属于一个组，要协商做事情”的精神。
基于这些潜在的弊端，0.9版本的kafka改进了coordinator的设计，提出了group coordinator——每个consumer group都会被分配一个这样的coordinator用于组管理和位移管理。这个group coordinator比原来承担了更多的责任，比如组成员管理、位移提交保护机制等。当新版本consumer group的第一个consumer启动的时候，它会去和kafka server确定谁是它们组的coordinator。之后该group内的所有成员都会和该coordinator进行协调通信。显而易见，这种coordinator设计不再需要zookeeper了，性能上可以得到很大的提升。后面的所有部分我们都将讨论最新版本的coordinator设计。
4.5 如何确定coordinator？
上面简单讨论了新版coordinator的设计，那么consumer group如何确定自己的coordinator是谁呢？ 简单来说分为两步：
- 确定consumer group位移信息写入__consumers_offsets的哪个分区。具体计算公式：
- __consumers_offsets partition# = Math.abs(groupId.hashCode() % groupMetadataTopicPartitionCount) 注意：groupMetadataTopicPartitionCount由offsets.topic.num.partitions指定，默认是50个分区。
- 该分区leader所在的broker就是被选定的coordinator
4.6 Rebalance Generation
JVM GC的分代收集就是这个词(严格来说是generational)，我这里把它翻译成“届”好了，它表示了rebalance之后的一届成员，主要是用于保护consumer group，隔离无效offset提交的。比如上一届的consumer成员是无法提交位移到新一届的consumer group中。我们有时候可以看到ILLEGAL_GENERATION的错误，就是kafka在抱怨这件事情。每次group进行rebalance之后，generation号都会加1，表示group进入到了一个新的版本，如下图所示： Generation 1时group有3个成员，随后成员2退出组，coordinator触发rebalance，consumer group进入Generation 2，之后成员4加入，再次触发rebalance，group进入Generation 3.
4.7 协议(protocol)
前面说过了， rebalance本质上是一组协议。group与coordinator共同使用它来完成group的rebalance。目前kafka提供了5个协议来处理与consumer group coordination相关的问题：
- Heartbeat请求：consumer需要定期给coordinator发送心跳来表明自己还活着
- LeaveGroup请求：主动告诉coordinator我要离开consumer group
- SyncGroup请求：group leader把分配方案告诉组内所有成员
- JoinGroup请求：成员请求加入组
- DescribeGroup请求：显示组的所有信息，包括成员信息，协议名称，分配方案，订阅信息等。通常该请求是给管理员使用
Coordinator在rebalance的时候主要用到了前面4种请求。
4.8 liveness
consumer如何向coordinator证明自己还活着？ 通过定时向coordinator发送Heartbeat请求。如果超过了设定的超时时间，那么coordinator就认为这个consumer已经挂了。一旦coordinator认为某个consumer挂了，那么它就会开启新一轮rebalance，并且在当前其他consumer的心跳response中添加“REBALANCE_IN_PROGRESS”，告诉其他consumer：不好意思各位，你们重新申请加入组吧！
4.9 Rebalance过程
终于说到consumer group执行rebalance的具体流程了。很多用户估计对consumer内部的工作机制也很感兴趣。下面就跟大家一起讨论一下。当然我必须要明确表示，rebalance的前提是coordinator已经确定了。
总体而言，rebalance分为2步：Join和Sync
1 Join， 顾名思义就是加入组。这一步中，所有成员都向coordinator发送JoinGroup请求，请求入组。一旦所有成员都发送了JoinGroup请求，coordinator会从中选择一个consumer担任leader的角色，并把组成员信息以及订阅信息发给leader——注意leader和coordinator不是一个概念。leader负责消费分配方案的制定。
2 Sync，这一步leader开始分配消费方案，即哪个consumer负责消费哪些topic的哪些partition。一旦完成分配，leader会将这个方案封装进SyncGroup请求中发给coordinator，非leader也会发SyncGroup请求，只是内容为空。coordinator接收到分配方案之后会把方案塞进SyncGroup的response中发给各个consumer。这样组内的所有成员就都知道自己应该消费哪些分区了。
还是拿几张图来说明吧，首先是加入组的过程:
值得注意的是， 在coordinator收集到所有成员请求前，它会把已收到请求放入一个叫purgatory(炼狱)的地方。记得国内有篇文章以此来证明kafka开发人员都是很有文艺范的，写得也是比较有趣，有兴趣可以去搜搜。
然后是分发分配方案的过程，即SyncGroup请求：
注意！！ consumer group的分区分配方案是在客户端执行的！Kafka将这个权利下放给客户端主要是因为这样做可以有更好的灵活性。比如这种机制下我可以实现类似于Hadoop那样的机架感知(rack-aware)分配方案，即为consumer挑选同一个机架下的分区数据，减少网络传输的开销。Kafka默认为你提供了两种分配策略：range和round-robin。由于这不是本文的重点，这里就不再详细展开了，你只需要记住你可以覆盖consumer的参数：partition.assignment.strategy来实现自己分配策略就好了。
4.10 consumer group状态机
和很多kafka组件一样，group也做了个状态机来表明组状态的流转。coordinator根据这个状态机会对consumer group做不同的处理，如下图所示(完全是根据代码注释手动画的，多见谅吧)
简单说明下图中的各个状态：
- Dead：组内已经没有任何成员的最终状态，组的元数据也已经被coordinator移除了。这种状态响应各种请求都是一个response： UNKNOWN_MEMBER_ID
- Empty：组内无成员，但是位移信息还没有过期。这种状态只能响应JoinGroup请求
- PreparingRebalance：组准备开启新的rebalance，等待成员加入
- AwaitingSync：正在等待leader consumer将分配方案传给各个成员
- Stable：rebalance完成！可以开始消费了~
至于各个状态之间的流程条件以及action，这里就不具体展开了。
三、rebalance场景剖析
上面详细阐述了consumer group是如何执行rebalance的，可能依然有些云里雾里。这部分对其中的三个重要的场景做详尽的时序展开，进一步加深对于consumer group内部原理的理解。由于图比较直观，所有的描述都将以图的方式给出，不做过多的文字化描述了。
1 新成员加入组(member join)
2 组成员崩溃(member failure)
前面说过了，组成员崩溃和组成员主动离开是两个不同的场景。因为在崩溃时成员并不会主动地告知coordinator此事，coordinator有可能需要一个完整的session.timeout周期才能检测到这种崩溃，这必然会造成consumer的滞后。可以说离开组是主动地发起rebalance；而崩溃则是被动地发起rebalance。okay，直接上图：
3 组成员主动离组（member leave group)
4 提交位移(member commit offset)
总结一下，本文着重讨论了一下新版本的consumer group的内部设计原理，特别是consumer group与coordinator之间的交互过程，希望对各位有所帮助。
