Kafka原理笔记

1、什么是kafka？

Kafka是一种分布式的，基于发布/订阅的消息系统（消息队列）。

2、为什么要用kafka？

当业务逻辑变得复杂，数据量也会越来越多。此时可能需要增加多条数据线，每条数据线将收集到的数据导入到不同的存储和分析系统中。若仍使用之前的数据收集模式，则会出现以下问题：

1）生产者和消费者耦合度过高：当需要增加一个消费者时，所有的生产者都需要去改动，数据流水线扩展性差。

2）生产者消费者之间数据处理速率不对等：如果生产者的生产速率过高，可能会导致消费者压力过大，导致崩溃。

3）大量的并发网络连接对后台消费者不友好：大量生产者直接与消费者通信，对消费者造成过高的网络并发压力，会成为系统扩展中潜在的性能瓶颈；另外，大量并发生产者同时写入后端存储，可能会产生大量小文件，对Hadoop等分布式文件系统会造成存储压力。

分布式消息队列优点：降低耦合、异步执行、削峰填谷

3、kafka特点

1）高性能：相比于其他队列，Kafka拥有更高的性能和吞吐率。

2）良好的扩展性：采用分布式设计架构，数据经分片后写入多个节点，既可以突破单节点的存储处理的瓶颈，也可以实现高容错。

3）数据持久性：数据消息均会持久化到磁盘上，通过多副本避免数据丢失。采用顺序读写和批量写等机制，提高了磁盘操作效率。

4、kafka架构

​ Kafka采用了不同于其他队列push-push的架构，而是采用了push-pull架构。Producer直接将数据push给Broker，Consumer从Broker端pull数据。优势主要体现在以下两点：

1）Consumer可根据实际负载和需求获取数据，避免给Consumer带来太大压力。

2）Consumer自己维护已读消息的offset而不是由Broker维护，使Broker更加轻量级。

5、Producer

生产者，发布消息到Broker。

在Kafka中，每条数据被称为消息，每条消息表示为一个三元组：<topic, key, message>。

1）topic：表示该条消息所属的主题。topic是划分消息的逻辑概念，一个topic可以分布在多个Broker上。

2）key：表示该条消息的主键，Kafka会根据主键将同一topic下的消息划分为不同的分区。

​ 当用户写入一条消息时，会对key求Hash值，用该数对partition数量求模，得到的就是分区编号，之后网络告知Broker，Broker写到对应的partition中。

3）message：表示该条消息的值，该数值的类型为字节数组，可以是普通的字符串、JSON对象，或者经序列化框架序列化过后的对象。

6、Broker

1）Kafka中Broker一般会有多个来组成分布式高容错集群。

2）Broker的主要职责是接受Producer和Consumer的请求，并把消息持久化到磁盘。

3）Broker以topic为单位将消息分成不同的分区，每个分区有多个副本，通过数据冗余方式实现容错。

4）当partition中存在多个副本时，其中一个为leader，对外提供读写请求，其余为follower，不对外提供读写请求，只是同步leader中的数据，当leader出现问题时，通过选举算法将其中一个选举为leader。

5）Broker能保证同一topic下的同一partition内数据有序，无法保证partition之间的数据全局有序。

6）Broker以追加的方式将数据写入磁盘，且每个分区中的消息被赋予了唯一整数标识，称为offset。

7）Broker中保存的数据是有有效期的，如果超过了有效期，将磁盘中的数据移除以释放空间，在有效期内，Consumer可以任意重复读取不受限制。

7、Consumer

消费者，主动从Broker中拉取消息进行处理。

1）Consumer自己维护最后一个已读消息的offset。

2）Kafka允许多个Consumer构成一个Consumer Group，共同读取一个topic中的数据来提高效率。

3）Kafka可以自动为同一Group中的Consumer分摊负载，从而实现消息的并发读取。

4）Kafka在某个Consumer发生故障时，自动将它处理的partition转移给同组的其它Consumer来处理。

8、Zookeeper

1）Broker与Zookeeper：Broker会向Zookeeper进行注册，将自己的位置、健康状态、维护的topic和partition等信息写入Zookeeper，以便于其它可以发现获取这些数据。

2）Consumer与Zookeeper：Consumer Group利用Zookeeper保证组内的Consumer负载均衡。

9、关键技术点

1）可控的可靠性级别

​ Producer可以通过两种方式向Broker发送数据，同步和异步。其中异步方式通过批处理方式大大提高了写入效率。不管是以何种方式，Producer均能通过消息应答方式，在写效率和可靠性之间（二者是此消彼长的）做一个较好的权衡。

​ 目前支持三种消息应答方式，通过控制参数request.required.acks：

​ 0：Produce向Broker发送消息后马上返回，无需等待写是否成功，效率最高但不能保证消息被成功接收且写入磁盘。

​ 1：Produce向Broker发送消息后需要等待leader partition写入成功才会返回，不能保证follower partition写入成功，在相对高效的情况下保证至少写入成功一个节点。

​ -1：Produce向Broker发送消息后需要等待所有的partition写成功后才会返回，容错性高效率低，特别是在写入某个节点较慢时。

2）数据多副本

​ partition中存在多个副本其中一个为leader，对外提供读写请求，其余为follower，不对外提供读写请求，只是同步leader中的数据，当leader出现问题时，通过选举算法将其中一个选举为leader。

​ Kafka Broker的负载均衡实际上是对leader partition的负载均衡，保证leader partition在各个Broker上的数目尽可能相近。

3）高效的持久化机制

​ 为了应对大数据的场景，Kafka Broker直接将数据写入磁盘而不是内存。

​ Kafka Broker利用顺序写的方式写入磁盘，并结合offset方式大大提高了写的效率。

4）数据优化传输

批处理：为了降低单条消息传输带来的网络开销，Broker将多条消息组装在一起。Kafka对数据格式进行统一设计，避免数据格式转换带来的开销。

zero-copy：通常情况下，从磁盘中读取数据并发送出去需要经过4次拷贝（内核态->用户态应用->内核态->网卡），两次系统调用。

​ 通过zero-copy技术优化后，只需要经过3次拷贝（内核态->内核态->网卡），无需任何系统调用，大大提高发送效率。

可控的消息传递语义：

​ at most once：生产者在给消费者发送消息后就返回，这种情况下消费者可能成功接收到消息，也可能丢失。

​ at least once：生产者在给消费者发送消息后需要等待确认，如没确认则重新发送消息，这种情况下能保证消费者接收，但可能重复接收。

​ exactly once：消费者会且只会处理一次处理过的消息。

10、保证数据时序性

Broker能保证同一topic下的同一partition内数据有序，无法保证partition之间的数据全局有序。

1）所以应该把要保证时序性的数据放在同一partition内。

2）topic只有一个partition，保证了这个topic中所有数据有序。

内容来源书籍：《大数据技术体系详解 原理、架构与实践》 --董西成