[TOC] # kafka原理 ## 1、Kafka整體結構圖 > Kafka名詞解釋和工作方式 * Producer ：消息生產者，就是向kafka broker發消息的客戶端。 * Consumer ：消息消費者，向kafka broker取消息的客戶端 * Topic ：咋們可以理解為一個隊列。 * Consumer Group （CG）：這是kafka用來實現一個topic消息的廣播（發給所有的consumer）和單播（發給任意一個consumer）的手段。一個topic可以有多個CG。topic的消息會復制（不是真的復制，是概念上的）到所有的CG，但每個partion只會把消息發給該CG中的一個consumer。如果需要實現廣播，只要每個consumer有一個獨立的CG就可以了。要實現單播只要所有的consumer在同一個CG。用CG還可以將consumer進行自由的分組而不需要多次發送消息到不同的topic。 * Broker ：一臺kafka服務器就是一個broker。一個集群由多個broker組成。一個broker可以容納多個topic。 * Partition：為了實現擴展性，一個非常大的topic可以分布到多個broker（即服務器）上，一個topic可以分為多個partition，每個partition是一個有序的隊列。partition中的每條消息都會被分配一個有序的id（offset）。kafka只保證按一個partition中的順序將消息發給consumer，不保證一個topic的整體（多個partition間）的順序。 * Offset：kafka的存儲文件都是按照offset.kafka來命名，用offset做名字的好處是方便查找。例如你想找位于2049的位置，只要找到2048.kafka的文件即可。當然the first offset就是00000000000.kafka ## 2、Consumer與topic關系 > 本質上kafka只支持Topic； * 每個group中可以有多個consumer，每個consumer屬于一個consumer group； 通常情況下，一個group中會包含多個consumer，這樣不僅可以提高topic中消息的并發消費能力，而且還能提高"故障容錯"性，如果group中的某個consumer失效那么其消費的partitions將會有其他consumer自動接管。 * 對于Topic中的一條特定的消息，只會被訂閱此Topic的每個group中的其中一個consumer消費，此消息不會發送給一個group的多個consumer； 那么一個group中所有的consumer將會交錯的消費整個Topic，每個group中consumer消息消費互相獨立，我們可以認為一個group是一個"訂閱"者。 * 在kafka中,一個partition中的消息只會被group中的一個consumer消費(同一時刻)； 一個Topic中的每個partions，只會被一個"訂閱者"中的一個consumer消費，不過一個consumer可以同時消費多個partitions中的消息。 * kafka的設計原理決定,對于一個topic，同一個group中不能有多于partitions個數的consumer同時消費，否則將意味著某些consumer將無法得到消息。 kafka只能保證一個partition中的消息被某個consumer消費時是順序的；事實上，從Topic角度來說,當有多個partitions時,消息仍不是全局有序的。 ## 3、Kafka消息的分發 > Producer客戶端負責消息的分發 * kafka集群中的任何一個broker都可以向producer提供metadata信息,這些metadata中包含"集群中存活的servers列表"/"partitions leader列表"等信息； * 當producer獲取到metadata信息之后, producer將會和Topic下所有partition leader保持socket連接； * 消息由producer直接通過socket發送到broker，中間不會經過任何"路由層"，事實上，消息被路由到哪個partition上由producer客戶端決定； 比如可以采用"random""key-hash""輪詢"等,如果一個topic中有多個partitions,那么在producer端實現"消息均衡分發"是必要的。 * 在producer端的配置文件中,開發者可以指定partition路由的方式。 > Producer消息發送的應答機制 > 設置發送數據是否需要服務端的反饋,有三個值0,1,-1 * 0: producer不會等待broker發送ack * 1: 當leader接收到消息之后發送ack * -1: 當所有的follower都同步消息成功后發送ack request.required.acks=0 ## 4、Consumer的負載均衡 > 當一個group中,有consumer加入或者離開時,會觸發partitions均衡.均衡的最終目的,是提升topic的并發消費能力，步驟如下： 1) 假如topic1,具有如下partitions: P0,P1,P2,P3 2) 加入group中,有如下consumer: C1,C2 3) 首先根據partition索引號對partitions排序: P0,P1,P2,P3 4) 根據consumer.id排序: C0,C1 5) 計算倍數: M = [P0,P1,P2,P3].size / [C0,C1].size,本例值M=2(向上取整) 6) 然后依次分配partitions: C0 = [P0,P1],C1=[P2,P3],即Ci = [P(i * M),P((i + 1) * M -1)]  ## 5、kafka文件存儲機制 ### 5.1、Kafka文件存儲基本結構 * 在Kafka文件存儲中，同一個topic下有多個不同partition，每個partition為一個目錄，partiton命名規則為topic名稱+有序序號，第一個partiton序號從0開始，序號最大值為partitions數量減1。 * 每個partion(目錄)相當于一個巨型文件被平均分配到多個大小相等segment(段)數據文件中。但每個段segment file消息數量不一定相等，這種特性方便old segment file快速被刪除。默認保留7天的數據。  * 每個partiton只需要支持順序讀寫就行了，segment文件生命周期由服務端配置參數決定。（什么時候創建，什么時候刪除）  數據有序的討論？ 一個partition的數據是否是有序的？ 間隔性有序，不連續 針對一個topic里面的數據，只能做到partition內部有序，不能做到全局有序。 特別加入消費者的場景后，如何保證消費者消費的數據全局有序的？偽命題。 只有一種情況下才能保證全局有序？就是只有一個partition。 ### 5.2、Kafka Partition Segment * Segment file組成：由2大部分組成，分別為index file和data file，此2個文件一一對應，成對出現，后綴".index"和“.log”分別表示為segment索引文件、數據文件。  * Segment文件命名規則：partion全局的第一個segment從0開始，后續每個segment文件名為上一個segment文件最后一條消息的offset值。數值最大為64位long大小，19位數字字符長度，沒有數字用0填充。 * 索引文件存儲大量元數據，數據文件存儲大量消息，索引文件中元數據指向對應數據文件中message的物理偏移地址。  3，497：當前log文件中的第幾條信息，存放在磁盤上的那個地方 上述圖中索引文件存儲大量元數據，數據文件存儲大量消息，索引文件中元數據指向對應數據文件中message的物理偏移地址。 其中以索引文件中元數據3,497為例，依次在數據文件中表示第3個message(在全局partiton表示第368772個message)、以及該消息的物理偏移地址為 497。 * segment data file由許多message組成， qq物理結構如下： |關鍵字 |解釋說明| | --- | --- | |8 byte offset |在parition(分區)內的每條消息都有一個有序的id號，這個id號被稱為偏移(offset),它可以唯一確定每條消息在parition(分區)內的位置。即offset表示partiion的第多少message| |4 byte message size| message大小| |4 byte CRC32 |用crc32校驗message |1 byte “magic" |表示本次發布Kafka服務程序協議版本號| |1 byte “attributes" |表示為獨立版本、或標識壓縮類型、或編碼類型。| |4 byte key length |表示key的長度,當key為-1時，K byte key字段不填| |K byte key |可選| |value bytes payload |表示實際消息數據。| ### 5.3、Kafka 查找message > 讀取offset=368776的message，需要通過下面2個步驟查找。  #### 5.3.1、查找segment file ~~~ 00000000000000000000.index表示最開始的文件，起始偏移量(offset)為0 00000000000000368769.index的消息量起始偏移量為368770 = 368769 + 1 00000000000000737337.index的起始偏移量為737338=737337 + 1 ~~~ > 其他后續文件依次類推。 > 以起始偏移量命名并排序這些文件，只要根據offset **二分查找**文件列表，就可以快速定位到具體文件。當offset=368776時定位到00000000000000368769.index和對應log文件。 #### 5.3.2、通過segment file查找message > 當offset=368776時，依次定位到00000000000000368769.index的元數據物理位置和00000000000000368769.log的物理偏移地址 > 然后再通過00000000000000368769.log順序查找直到offset=368776為止。 ## 6、Kafka自定義Partition > 見代碼 ## 7 kafka圖片資源