Kafka控制器选举原理
1. Kafka控制器介绍
在Kafka集群中会有一个或多个broker，其中有一个broker会被选举为控制器（Kafka Controller），它负责管理整个集群中所有分区和副本的状态。当某个分区的leader副本（一个分区会有多个副本，其中只有leader副本对外提供读写服务）出现故障时，由控制器负责为该分区选举新的leader副本。当检测到某个分区的ISR集合发生变化时，由控制器负责通知所有broker更新其元数据信息。当为某个Topic增加分区数量时，由控制器负责分区的重新分配。
分区集合介绍：分区中的所有副本统称为AR（Assigned Replicas）。所有与leader副本保持一定程度同步的副本（包括leader副本在内）组成ISR（In-Sync Replicas）。与leader副本同步滞后过多的副本（不包括leader副本）组成OSR（Out-of-Sync Replicas）。
leader副本负责维护和跟踪ISR集合中所有follower副本的滞后状态，当follower副本落后太多或失效时，leader副本会把它从ISR集合中剔除。当OSR集合中有follower副本“追上”了leader副本，那么leader副本会把它从OSR集合转移至ISR集合。默认情况下，当leader副本发生故障时，只有在ISR集合中的副本才有资格被选举为新的leader。
2. Kafka控制器选举原理
Kafka中的控制器选举工作依赖于Zookeeper，成功竞选成为控制器的broker会在Zookeeper中创建/controller临时（Ephemeral）节点，此临时节点的内容参考如下：
{"version":1,"brokerid":0,"timestamp":"1593330804078"}
其中version与Kafka版本相关，对同一个Kafka版本来说为固定值。brokerid表示成为控制器的broker的id编号，timestamp表示竞选成为控制器时的时间戳（精确到毫秒）。
在任意时刻，集群中有且只有一个控制器。每个broker启动的时候会去尝试读取/controller节点的brokerid的值，如果读取到的brokerid的值不为-1，表示已经有其他broker节点成功竞选为控制器，所以当前broker就会放弃竞选；如果Zookeeper中不存在/controller节点，或者这个节点的数据异常，那么就会尝试去创建/controller节点。当前broker去创建节点的时候，也有可能有其他broker同时去尝试创建这个节点，只有创建成功的那个broker才会成为控制器。每个broker都会在内存中保存当前控制器的brokerid值，这个值可以标识为activeControllerId。
Zookeeper中还有一个与控制器有关的/controller_epoch节点，这个节点是持久（Persistent）节点，节点中存放的是一个整型的controller_epoch值。controller_epoch值用于记录控制器发生变更的次数，即记录当前的控制器是第几代控制器，我们也可以称之为“控制器纪元”。
controller_epoch的初始值为1，即集群中的第一个控制器的纪元为1，当控制器发生变更时，每选出一个新的控制器就将该字段值加1。每个和控制器交互的请求都会携带controller_epoch这个字段，如果请求的controller_epoch值小于内存中的controller_epoch值，则认为这个请求是向已经过期的控制器发送的请求，那么这个请求会被认定为无效的请求。如果请求的controller_epoch值大于内存中的controller_epoch值，那么说明已经有新的控制器当选了（也就是说接收到这种请求的broker已经不再是控制器了）。由此可见，Kafka通过controller_epoch来保证控制器的唯一性，进而保证相关操作的一致性。
具备控制器身份的broker需要比其他普通的broker多一份职责，具体细节如下：
- 监听分区的变化。
- 监听主题的变化。
- 监听broker相关的变化。
- 从Zookeeper中读取获取当前所有与主题、分区及broker有关的信息并进行相应的管理。
- 启动并管理分区状态机和副本状态机。
- 更新集群的元数据信息。
当/controller节点的数据发生变化时，每个broker都会更新自身内存中保存的activeControllerId。如果broker在数据变更前是控制器，在数据变更后自身的brokerid值与新的activeControllerId值不一致，那么就需要“退位”，关闭相应的资源，比如关闭状态机、注销相应的监听器等。有可能控制器由于异常而下线，造成/controller这个临时节点被自动删除；也有可能是其他原因将此节点删除了。
当/controller节点被删除时，每个broker都会进行选举，如果broker在节点被删除前是控制器，那么在选举前还需要有一个“退位”的动作。如果有特殊需要，则可以手动删除/controller节点来触发新一轮的选举。当然关闭控制器所对应的broker，以及手动向/controller节点写入新的brokerid的所对应的数据，同样可以触发新一轮的选举。
3. 总结
Kafka控制器选择的流程并不复杂，但是考虑的各种边界条件还是比较周到的，程序的健壮性比较好。有时候我们需要根据业务场景去设计或者调整某种分布式集群，Kafka控制器的选举也可以是一个很好的借鉴，尤其是/controller_epoch的设计，考虑到了控制器可能会因为某种原因过时，保证了控制器的唯一性。
4. 参考文献
《深入理解Kafka：核心设计与实践原理》
