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Kafka的相关知识-创新互联

一. Kafka基本介绍

Kafka是一个分布式、支持分区的(partition)、多副本的(replica),基于zookeeper协调的分布式消息系统。具有:高吞吐量、低延迟、可扩展性、持久性、可靠性、容错性、高并发等特性。常见的应用场景有:日志收集、消息系统、流式处理等。

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  • Producer:生产者,也就是发送消息的一方。生产者负责创建消息,然后将其发送到 Kafka。
  • Consumer:消费者,也就是接受消息的一方。消费者连接到 Kafka 上并接收消息,进而进行相应的业务逻辑处理。
  • Consumer Group:一个消费者组可以包含一个或多个消费者。使用多分区 + 多消费者方式可以极大提高数据下游的处理速度,同一消费组中的消费者不会重复消费消息,同样的,不同消费组中的消费者消息消息时互不影响。Kafka 就是通过消费组的方式来实现消息 P2P 模式和广播模式。
  • Broker:服务代理节点。Broker 是 Kafka 的服务节点,即 Kafka 的服务器。
  • Topic:Kafka 中的消息以 Topic 为单位进行划分,生产者将消息发送到特定的 Topic,而消费者负责订阅 Topic 的消息并进行消费。
  • Partition:Topic 是一个逻辑的概念,它可以细分为多个分区,每个分区只属于单个主题。同一个主题下不同分区包含的消息是不同的,分区在存储层面可以看作一个可追加的日志(Log)文件,消息在被追加到分区日志文件的时候都会分配一个特定的偏移量(offset)。
  • Offset:offset 是消息在分区中的唯一标识,Kafka 通过它来保证消息在分区内的顺序性,不过 offset 并不跨越分区,也就是说,Kafka 保证的是分区有序性而不是主题有序性。
  • Replication:副本,是 Kafka 保证数据高可用的方式,Kafka 同一 Partition 的数据可以在多 Broker 上存在多个副本,通常只有主副本对外提供读写服务,当主副本所在 broker 崩溃或发生网络一场,Kafka 会在 Controller 的管理下会重新选择新的 Leader 副本对外提供读写服务。
  • Record:实际写入 Kafka 中并可以被读取的消息记录。每个 record 包含了 key、value 和 timestamp。
三. Kafka如何保证消息顺序消费

Kafka 在Topic级别本身是无序的,只有partition上才有序,所以为了保证处理顺序,可以自定义分区器,将需顺序处理的数据发送到同一个partition。自定义分区器需要实现接口Partitioner接口并实现 3 个方法:partition,close,configure,在partition方法中返回分区号即可。
Kafka 中发送 1 条消息的时候,可以指定(topic, partition, key)3 个参数,partitonkey是可选的。
Kafka 分布式的单位是partition,同一个partition用一个write ahead log组织,所以可以保证FIFO的顺序。不同partition之间不能保证顺序。因此你可以指定partition,将相应的消息发往同 1个partition,并且在消费端,Kafka 保证1 个partition只能被1 个consumer消费,就可以实现这些消息的顺序消费。
另外,也可以指定 key(比如 order id),具有同 1 个 key 的所有消息,会发往同 1 个partition,那这样也实现了消息的顺序消息。

四. Kafka发送消息选择分区的逻辑

Kafka在数据生产的时候,有一个数据分发策略。默认的情况使用org.apache.kafka.clients.producer.internals.DefaultPartitioner类,这个类中就是定义数据分发的策略。默认策略为:

  1. 如果在发消息的时候指定了分区,则消息投递到指定的分区
  2. 如果没有指定分区,但是消息的key不为空,则基于key的哈希值来选择一个分区
  3. 如果既没有指定分区,且消息的key也是空,则用轮询的方式选择一个分区
五. Kafka如何避免消息丢失

Kafka的消息避免丢失可以从三个方面考虑处理:Producer发送消息避免失败、Broker能成功保存接收到的消息、Consumer确认消费消息。

  1. Producer发送消息避免失败
    想要Produce发送消息不失败,那就得知道发送结果,网络抖动这些情况是无法避免的,只能是发送后获取发送结果,那么最直接的方式就是把Kafka默认的异步发送改为同步发送(Broker收到消息后ack回复确认),这样就能实时知道消息发送的结果,但是这样会让Kafka的发送效率大大降低,因为Kafka在默认的异步发送消息的时候可以批量发送,以此大幅度提高发送效率,因此一般很少使用同步发送的方式,除非消息很重要绝不允许丢失。
    但是我们可以采用添加异步或调函数,监听消息发送的结果,如果失败可以在回调中重试,以此来达到尽可能的发送成功。同时Producer本身提供了一个retries的机制,如果因为网络问题,或者Broker故障 导致发送失败,就是重试。一般这个retries设置3-5次或者更高,同时重试间隔时间也随着次数增长。

  2. Broker能成功保存接收到的消息
    Broker要成功的保存接收到的消息并且不丢失,就需要把接收到的消息保存到磁盘。Kafka为了提高性能采用的是异步批量,存储到磁盘的机制,就是有一定的消息量和时间间隔要求的,刷磁盘的这个动作是操作系统来调度的,如果在刷盘之前系统就崩溃了,就会数据丢失。
    针对这个情况,Kafka采用Partition分区ack机制,Partition分区是指一个Topic下的多个分区,有一个Leader分区,其他的都是Follower分区,Leader分区负责接收和被读取消息,Follower分区会通过Replication机制同步Leader的数据,负责高可用(Kafka在2.4之后,Kafka提供了读写分离,Follower也可以提供读取),当Leader出现故障时会从Follower中选取一个成为新的Leader。那么当一个消息发送到Leader分区之后,Kafka提供了一个acks的参数,Producer可以设置这个参数,去结合brokerPartition机制来共同保障数据的可靠性,这个参数的值有三个

    • 0,表示Producer不需要等待broker的响应,就认为消息发送成功了(可能存在数据丢失)
    • 1,表示Leader收到消息之后,不等待其他的Follower的同步就给Producer发一个确认,如果LeaderPartition挂了就可能存在数据丢失
    • -1,表示Leader收到消息之后还会等待ISR列表(与Leader保持正常连接的Follwer节点列表)中的Follower同步完成,再给Producer返回一个确认,也就是所有分区节点都确认收到消息,保证数据不丢失
  3. Consumer确认消费消息
    Producer确定发送消息成功并且Broker成功保存消息之后,基本上Consumer就肯定能消费到消息。Kafka在消费者消费时有一个offset机制,代表了当前消费者消费到了Partition的哪一条消息。kafka的Consumer的配置中,默认的enable.auto.commit = true,表示在Consumer通过poll方法 获取到消息以后,每过5秒(通过配置项可修改)会自动获取poll中得到的大的offset, 提交给Partition中的offset_consumer(存储 offset 的特定topic)。如果enable.auto.commit = false时,则关闭了自动提交,需要手动的通过应用程序代码进行提交。
    所以在Consumer消费消息时,丢失消息的可能会有两种,比如开启了offset自动提交,但是消息消费失败;或者没有开启自动提交offset,但是在消费消息之前提交了offset。针对这两种情况,可以设置在消息消费完成后手动提交offset。总之Consumer端确认消息消费成功后再提交offset即可保证消息正常消费。

六. Kafka的offset机制

​Kafka中的每个Partition都由一系列有序的、不可变的消息组成,这些消息被连续的追加到Partition中。Partition中的每个消息都有一个连续的序号,用于Partition唯一标识一条消息,这个唯一标识就是offset
Offset从语义上来看拥有两种:Current OffsetCommitted Offset

Current Offset保存在Consumer客户端中,它表示Consumer希望收到的下一条消息的序号。它仅仅在poll()方法中使用。例如,Consumer第一次调用poll()方法后收到了20条消息,那么Current Offset就被设置为20。这样Consumer下一次调用poll()方法时,Kafka就知道应该从序号为21的消息开始读取。这样就能够保证每次Consumer poll消息时,都能够收到不重复的消息。

Committed Offset保存在Broker上,它表示Consumer已经确认消费过的消息的序号。主要通过commitSynccommitAsyncAPI来操作。举个例子,Consumer通过poll()方法收到20条消息后,此时Current Offset就是20,经过一系列的逻辑处理后,并没有调用consumer.commitAsync()consumer.commitSync()来提交Committed Offset,那么此时Committed Offset依旧是0。
Committed Offset主要用于Consumer Rebalance。在Consumer Rebalance的过程中,一个partition被分配给了一个Consumer,那么这个Consumer该从什么位置开始消费消息呢?答案就是Committed Offset。另外,如果一个Consumer消费了5条消息(poll并且成功commitSync)之后宕机了,重新启动之后它仍然能够从第6条消息开始消费,因为Committed Offset已经被Kafka记录为5。

在Kafka 0.9前,Committed Offset信息保存在zookeeperconsumers/{group}/offsets/{topic}/{partition}目录中(zookeeper并不适合进行大批量的读写操作,尤其是写操作)。而在0.9之后,所有的offset信息都保存在了Broker上的一个名为_consumer_offsetstopic中。

七. Kafka性能高的原因
  1. 顺序读写
    Kafka的Partition中写入数据,是通过分段、追加日志的方式,这在很大程度上将读写限制为顺序 I/O(sequential I/O),这在大多数的存储介质上都很快。实际上不管是内存还是磁盘,快或慢关键在于寻址的方式,磁盘分为顺序读写与随机读写,内存也一样分为顺序读写与随机读写。基于磁盘的随机读写确实很慢,但磁盘的顺序读写性能却很高,一般而言要高出磁盘随机读写三个数量级,一些情况下磁盘顺序读写性能甚至要高于内存随机读写。
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  2. Page Cache
    为了优化读写性能,Kafka利用了操作系统本身的Page Cache,就是利用操作系统自身的内存而不是JVM空间内存。这样做可以避免Object消耗,如果是使用 Java 堆,Java对象的内存消耗比较大,通常是所存储数据的两倍甚至更多;还能避免GC问题,随着JVM中数据不断增多,垃圾回收将会变得复杂与缓慢,使用系统缓存就不会存在GC问题。

    相比于使用JVMin-memory cache等数据结构,利用操作系统的Page Cache更加简单可靠。首先,操作系统层面的缓存利用率会更高,因为存储的都是紧凑的字节结构而不是独立的对象。其次,操作系统本身也对于Page Cache做了大量优化,提供了write-behindread-ahead以及flush等多种机制。再者,即使服务进程重启,系统缓存依然不会消失,避免了in-process cache重建缓存的过程。

    通过操作系统的Page Cache,Kafka的读写操作基本上是基于内存的,读写速度得到了极大的提升。

  3. 零拷贝
    Linux操作系统 零拷贝 机制使用了sendfile方法, 允许操作系统将数据从Page Cache直接发送到网络,只需要最后一步的copy操作将数据复制到 NIC 缓冲区, 这样避免重新复制数据。零拷贝的技术基础是DMA,又称之为直接内存访问。DMA 传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。当CPU 初始化这个传输动作,传输动作本身是由 DMA 控制器来实行和完成。因此通过DMA,硬件则可以绕过CPU,自己去直接访问系统主内存。很多硬件都支持DMA,其中就包括网卡、声卡、磁盘驱动控制器等。通过这种 “零拷贝” 的机制,Page Cache结合sendfile方法,Kafka消费端的性能也大幅提升。这也是为什么有时候消费端在不断消费数据时,我们并没有看到磁盘io比较高,此刻正是操作系统缓存在提供数据。

    当Kafka客户端从服务器读取数据时,如果不使用零拷贝技术,那么大致需要经历这样的一个过程:

    • 操作系统将数据从磁盘上读入到内核空间的读缓冲区中。
    • Kafka应用程序从内核空间的读缓冲区将数据拷贝到用户空间的缓冲区中。
    • Kafka应用程序将数据从用户空间的缓冲区再写回到内核空间的socket缓冲区中。
    • 操作系统将socket缓冲区中的数据拷贝到NIC缓冲区中,然后通过网络发送给客户端。

    如果使用零拷贝技术,那么只需要:

    • 操作系统将数据从磁盘中加载到内核空间的Read Buffer(页缓存区)中
    • 操作系统之间将数据从内核空间的Read Buffer(页缓存区)传输到网卡中,并通过网卡将数据发送给接收方
  4. 批量读写
    Kafka数据读写也是批量的而不是单条的。除了利用底层的技术外,Kafka还在应用程序层面提供了一些手段来提升性能,最明显的就是使用批次,在向Kafka写入数据时,可以启用批次写入,这样可以避免在网络上频繁传输单个消息带来的延迟和带宽开销。假设网络带宽为10MB/S,一次性传输10MB的消息比传输1KB的消息10000万次显然要快得多。

  5. 批量压缩
    Kafka可以把所有的消息都变成一个批量的文件,并且进行合理的批量压缩,减少网络IO损耗,通过mmap提高I/O速度,写入数据的时候由于单个Partion是末尾添加所以速度最优,读取数据的时候配合sendfile直接输出。并且Kafka支持多种压缩协议,包括Gzip和Snappy压缩协议。

八. Kafka的topic数量太多性能会急剧下降的原因是什么

Kafka的topic数量多性能会下降的主要原因是topic在物理层面以partition为分组,一个topic可以分成若干个partitionpartition还可以细分为logSegment,一个partition物理上由多个logSegment组成,logSegment文件由两部分组成,分别为.index文件和.log文件,分别表示为Segment索引文件和数据文件。Kafka在Broker接受并存储消息的时候,是将消息数据使用分段、追加日志的方式写入log文件,在很大程度上将读写限制为顺序 I/O(sequential I/O),那么如果topic数量很多,即使每个topic只有1个partition,也会导致总分区数很多,磁盘读写退化为随机,影响性能。同时Kafka中topic的元数据是在zookeeper中的,大量topic确实会造成性能瓶颈(zk不适合做高并发的读写操作),不仅在磁盘读写上。而且topic太多造成partition过多。partition是kafka的最小并行单元,每个partition都会在对应的broker上有日志文件。当topic过多,partition增加,日志文件数也随之增加,就需要允许打开更多的文件数。partition过多在controller选举和controller重新选举partition leader的耗时会大大增加,造成kafka不可用的时间延长。

九. Kafka的Replication机制 十. Kafka的Consumer Group 十一. Kafka的零拷贝 十二. Kafka的HW和LEO 十三. Kafka的ISR 十四. Kafka的Rebalance 十五. Kafak为什么依赖zk,zk在其中的作用是什么

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标题名称:Kafka的相关知识-创新互联
文章网址:http://cqcxhl.com/article/csjgoj.html

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