kafka学习笔记02-kafka消息存储

kafka消息存储

broker、topic、partition

kafka 的数据分布是一个 3 级结构，依次为 broker、topic、partition。
也可以理解为数据库的分库分表，然后还有记录这么一个结构。

broker 可以看作是 kafka 集群中的一个节点，可以理解为一台服务器，是对 kafka 集群中节点的抽象。多个 broker 就组成了 kafka 分布式集群。

topic 主题，可以理解为分类、队列等等，是对 broker 的进一步细分，便于对数据的管理。topic 可以分布到不同的 broker 上。

一个 topic 主题可以分为多个 partition 分区。

partition分区配置

在创建 topic 时，可以在配置文件中（$KAFKA_HOME/config/server.properties）设置 partition 的数量。也可以在 topic 创建后修改 partition 的数量。

# The default number of log partitions per topic. More partitions allow greater
# parallelism for consumption, but this will also result in more files across
# the brokers.
num.partitions=3

kafka 中的消息数据最终都是存储在 partition 里。

partition分区

partition 是以文件的形式存储数据的。
文件存放位置，可以通过配置文件 server.properties 中的 log.dirs 指定。
文件命名，假如你新建了一个名为 student-log 的主题，partition 指定为 3 个，那么目录结构为：

student-log-0
student-log-1
student-log-2

在 kafka 中，同一个 topic 下有多个不同的 partition，每个 partition 就是一个目录。可以看到 partition 的目录命名规则：

topic名称+有序序号
第一个序号从 0 开始，最大的序号为 partition 数量减 1

partition 是实际物理上的概念，而 topic 是逻辑上的概念。可以理解为实际存储数据里并没有 topic 的文件夹，而只有 partition 的目录文件。

那 partition 目录里又有什么东西？
真正存储的数据。

而且它对 partition 又进一步的细分为 segment。segment 又是什么东西？

可以这样理解，一般存储为文件系统，如果只有一个文件来存储数据，那么随着时间越长数据越来越多，文件大小就会变得越来越大，必然会导致写入、查询文件都变得越来越慢。
就像写一个日志系统，文件大了，就会按照一定规则将大文件分割成小文件来进行读写。
实际就是一种细分的思想。

每个 partition（目录）相当于一个大型文件被细分到多个大小相等的 segment 文件中。
每个 segment 中的消息数量不一定相等。

segment存储

segment 的文件配置项：

# segment大小，默认为 1G
log.segment.bytes = 1024*1024*1024
# log.roll.{ms,hours} ，滚动生成新的segment的最大时长
log.roll.hours=24*7
# segment 保留文件的最大时长，超时将被删除
log.retention.hours=24*7

segment 文件是由 2 部分组成，分别为 .index 和 .log 结尾的文件：

• index 结尾文件表示索引文件。
• log 结尾文件表示数据文件。

这个 2 个文件的命名规则：

partition 全局的第一个 segment 从 0 开始，后续每个 segment 文件名为上一个segment 文件最后一条消息的 offset 值。
数值大小为 64 位，20 位数字字符长度，没有数字用 0 填充

比如：

00000000000000000000.index
00000000000000000000.log
00000000000000160420.index
00000000000000160420.log
00000000000000207460.index
00000000000000207460.log

00000000000000160420.index
00000000000000160420.log

上面 2 个文件中的 160420 表示该文件中 offset 从 160421 开始。那么00000000000000000000.index (.log) 的 offset 结束位置就是 160420。也就是命名规则，后面每个 segment 文件名为上一个 segment 文件最后一条消息的 offset 值。

如图所说示，.index 索引文件存储了索引数据，.log 文件存储了大量的消息数据。

索引文件中 [3, 348] , 3 在 .log 文件中表示第 3 个消息，那么在全局 partition 表中表示为 160420 + 3 = 160423。
348 表示该消息的物理偏移地址。

怎么在 .log 文件中查找数据呢？

比如查找 offset = 160428 的消息数据。

先查找 segment 文件：
00000000000000000000.index 为最开始的文件，
00000000000000160420.index 为第二个文件，它的起始位置偏移量 offset： 160420+1
00000000000000207460.index 为第三个文件，它的起始位置偏移量 offset： 207460+1

所以 offset = 160428 就落在了第二个文件中。

从图中可以看出，索引并不是为每一条 message 都建立了索引，而是每隔一定字节数建立索引，这样避免索引占用太多空间。缺点是需要一次扫描文件并查找。不过可以根据二分查找快速定位文件位置。

在根据索引文件中的 [8, 1325] 定位到 00000000000000160420.log 文件中 1325 的位置进行读取。

开始读取后，那何时读取消息结束？

一条数据读到哪里结束才能完整的读取一条数据，而不读取多余的数据。这就涉及到一条消息的消息体结构了。
每一条消息都有固定的消息结构，就好像 http 消息体有一个结构一样，kafka 中消息体结构为：

offset（8 Bytes）- 消息偏移量
message size（4 Bytes）- 消息体的大小
crc32（4 Bytes）- crc32 编码校验和
magic（1 Byte）- 本次发布Kafka服务程序协议版本号
attributes（1 Byte）- 表示为独立版本、或标识压缩类型、或编码类型
key length（4 Bytes）- 消息Key的长度
key（K Bytes）- 消息Key的实际数据
payload(N Bytes)- 消息的实际数据

补充说明：
上面数据格式是 kafka 0.11 前的格式，具体说明看这里：Old Message Format

根据消息体结构就可以确定一条消息的大小，就可以读取到哪里截止。

kafka 0.11 以后的格式是啥，可以看下面的介绍。

消息格式

Record Batch

kafka 0.11 后的消息格式，消息集合对应的类，clients/src/main 目录下：

kafka v3.0

org.apache.kafka.common.record.DefaultRecordBatch
org.apache.kafka.common.record.RecordBatch

// common.record.DefaultRecordBatch.java

/**
 * RecordBatch implementation for magic 2 and above. The schema is given below:
 *
 * RecordBatch =>
 *   BaseOffset => Int64
 *   Length => Int32
 *   PartitionLeaderEpoch => Int32
 *   Magic => Int8
 *   CRC => Uint32
 *   Attributes => Int16
 *   LastOffsetDelta => Int32 // also serves as LastSequenceDelta
 *   FirstTimestamp => Int64
 *   MaxTimestamp => Int64
 *   ProducerId => Int64
 *   ProducerEpoch => Int16
 *   BaseSequence => Int32
 *   Records => [Record]

RecordBath 里包含很多 records 。

结构图示：

字段	类型	说明
baseOffset	int64	当前 RecordBatch起始位置。Record 中的 offset delta与该baseOffset相加才得到真正的offset值
batchLength	int32	RecordBatch 总长
partitionLeaderEpoch	int32	标记 partition 中 leader replica 的元信息
magic	int8	版本的魔术值，V2版本魔术值为2
crc	int32	校验码， 效验部分从开始到结束全部数据，但除了partitionLeaderEpoch值
attributes	int16	消息属性，0~2:表示压缩类型 第3位：时间戳类型 第4位：是否是事务型记录 5表示ControlRecord，这类记录总是单条出现，它只在broker内处理
lastOffsetDelta	int32	RecordBatch 最后一个 Record 的相对位移，用于 broker 确认 RecordBatch 中 Records 的组装正确性
firstTimestamp	int64	RecordBatch 第一条 Record 的时间戳
maxTimestamp	int64	RecordBatch 中最大的时间戳，一般情况下是最后一条Record的时间戳，用于 broker 判断 RecordBatch 中 Records 的组装是否正确
producerId	int64	生产者编号，用于支持幂等性（Exactly Once 语义）
producerEpoch	int16	同producerEpoch，支持幂等性
baseSequence	int32	同上，支持幂等性，也用于效验是否重复Record
records	[Record]

幂等性的详情可以参考这里：Exactly+Once+Delivery+and+Transactional+Messaging

record

kafka 0.11.0 版本开始使用的消息格式。

kafka v3.0。

Record消息，clients/src/main 目录下 ：
org.apache.kafka.common.record.DefaultRecord
org.apache.kafka.common.record.Record

// common.record.DefaultRecord.java

/**
 * This class implements the inner record format for magic 2 and above. The schema is as follows:
 *
 *
 * Record =>
 *   Length => Varint
 *   Attributes => Int8
 *   TimestampDelta => Varlong
 *   OffsetDelta => Varint
 *   Key => Bytes
 *   Value => Bytes
 *   Headers => [HeaderKey HeaderValue]
 *     HeaderKey => String
 *     HeaderValue => Bytes

recocd 消息结构图：

可以参考这里，kafka doc record：https://kafka.apache.org/documentation/#record

Record 消息中的关键字，字段类型好多都是采用了 varints，动态类型，这样有利于kafka根据具体的值来确定需要几个字节保存。

record 消息字段说明：

字段	类型	说明
length	varints	消息中长度
attributes	int8	unused，没有使用了，但仍占据了1B大小
timestamp delta	varlong	时间戳增量。一般占据8个字节
offset delta	varint	位移增量
key length	varint	key的长度
key	byte[]	key的值
valuelen	varint	value值的长度
value	byte[]	value的实际值
headers	[header]	头部结构，支持应用级别的扩展

header 头部结构组成

字段	类型	说明
headerKeyLength	varints	头部key的长度
headerKey	string	头部 key值
headerValueLength	varint	头部值的长度
value	byte[]	header的值

header 更多信息可以参考这里：
https://cwiki.apache.org/confluence/display/KAFKA/KIP-82+-+Add+Record+Headers

根据这篇文章总结：
v2 版本的消息结构设计，不仅增加了一些功能如事务、幂等等功能，也用变长类型优化了整体空间存储，当然还有压缩算法。

其中字段类型设计参考了Protocol Buffer，引入变长类型（Varints）和 ZigZag 编码。详情查看
https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/encoding

这些优化都是为了kafka更好用而做的设计上的努力。

kafka 的一些消息协议、消息格式、api，protocol 可以参考这里，内容比较详尽：
A Guide To The Kafka Protocol

参考

kafka protocol
kafka messages
kafka old message format
kafka github
kafka 消息格式演变
kafka-producer-consumer-overview