對(duì)于kafka的架構(gòu)原理我們先提出幾個(gè)問(wèn)題?
1.Kafka的topic和分區(qū)內(nèi)部是如何存儲(chǔ)的斥铺，有什么特點(diǎn)贬派？
2.與傳統(tǒng)的消息系統(tǒng)相比,Kafka的消費(fèi)模型有什么優(yōu)點(diǎn)?
3.Kafka如何實(shí)現(xiàn)分布式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)讀取?
一急但、Kafka架構(gòu)圖
1.kafka名詞解釋
在一套kafka架構(gòu)中有多個(gè)Producer，多個(gè)Broker,多個(gè)Consumer搞乏，每個(gè)Producer可以對(duì)應(yīng)多個(gè)Topic波桩，每個(gè)Consumer只能對(duì)應(yīng)一個(gè)ConsumerGroup。
整個(gè)Kafka架構(gòu)對(duì)應(yīng)一個(gè)ZK集群请敦，通過(guò)ZK管理集群配置镐躲，選舉Leader，以及在consumer group發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行rebalance侍筛。
名稱
解釋
Broker
消息中間件處理節(jié)點(diǎn)萤皂，一個(gè)Kafka節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)broker，一個(gè)或者多個(gè)Broker可以組成一個(gè)Kafka集群
Topic
主題勾笆，Kafka根據(jù)topic對(duì)消息進(jìn)行歸類敌蚜，發(fā)布到Kafka集群的每條消息都需要指定一個(gè)topic
Producer
消息生產(chǎn)者，向Broker發(fā)送消息的客戶端
Consumer
消息消費(fèi)者窝爪，從Broker讀取消息的客戶端
ConsumerGroup
每個(gè)Consumer屬于一個(gè)特定的Consumer Group弛车，一條消息可以發(fā)送到多個(gè)不同的Consumer Group齐媒，但是一個(gè)Consumer Group中只能有一個(gè)Consumer能夠消費(fèi)該消息
Partition
物理上的概念，一個(gè)topic可以分為多個(gè)partition纷跛，每個(gè)partition內(nèi)部是有序的
2.Topic和Partition
在Kafka中的每一條消息都有一個(gè)topic喻括。一般來(lái)說(shuō)在我們應(yīng)用中產(chǎn)生不同類型的數(shù)據(jù)，都可以設(shè)置不同的主題贫奠。一個(gè)主題一般會(huì)有多個(gè)消息的訂閱者唬血，當(dāng)生產(chǎn)者發(fā)布消息到某個(gè)主題時(shí)，訂閱了這個(gè)主題的消費(fèi)者都可以接收到生產(chǎn)者寫(xiě)入的新消息唤崭。
kafka為每個(gè)主題維護(hù)了分布式的分區(qū)(partition)日志文件拷恨，每個(gè)partition在kafka存儲(chǔ)層面是append log。任何發(fā)布到此partition的消息都會(huì)被追加到log文件的尾部谢肾，在分區(qū)中的每條消息都會(huì)按照時(shí)間順序分配到一個(gè)單調(diào)遞增的順序編號(hào)腕侄，也就是我們的offset,offset是一個(gè)long型的數(shù)字，我們通過(guò)這個(gè)offset可以確定一條在該partition下的唯一消息芦疏。在partition下面是保證了有序性冕杠，但是在topic下面沒(méi)有保證有序性。
在上圖中在我們的生產(chǎn)者會(huì)決定發(fā)送到哪個(gè)Partition酸茴。
1.如果沒(méi)有Key值則進(jìn)行輪詢發(fā)送分预。
2.如果有Key值，對(duì)Key值進(jìn)行Hash薪捍，然后對(duì)分區(qū)數(shù)量取余笼痹，保證了同一個(gè)Key值的會(huì)被路由到同一個(gè)分區(qū)，如果想隊(duì)列的強(qiáng)順序一致性酪穿，可以讓所有的消息都設(shè)置為同一個(gè)Key与倡。
3.消費(fèi)模型
消息由生產(chǎn)者發(fā)送到kafka集群后，會(huì)被消費(fèi)者消費(fèi)昆稿。一般來(lái)說(shuō)我們的消費(fèi)模型有兩種:推送模型(psuh)和拉取模型(pull)
基于推送模型的消息系統(tǒng)纺座，由消息代理記錄消費(fèi)狀態(tài)。消息代理將消息推送到消費(fèi)者后溉潭，標(biāo)記這條消息為已經(jīng)被消費(fèi)净响，但是這種方式無(wú)法很好地保證消費(fèi)的處理語(yǔ)義。比如當(dāng)我們把已經(jīng)把消息發(fā)送給消費(fèi)者之后喳瓣，由于消費(fèi)進(jìn)程掛掉或者由于網(wǎng)絡(luò)原因沒(méi)有收到這條消息馋贤，如果我們?cè)谙M(fèi)代理將其標(biāo)記為已消費(fèi)，這個(gè)消息就永久丟失了畏陕。如果我們利用生產(chǎn)者收到消息后回復(fù)這種方法配乓，消息代理需要記錄消費(fèi)狀態(tài)，這種不可取。如果采用push犹芹，消息消費(fèi)的速率就完全由消費(fèi)代理控制崎页，一旦消費(fèi)者發(fā)生阻塞，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題腰埂。
Kafka采取拉取模型(poll)飒焦，由自己控制消費(fèi)速度，以及消費(fèi)的進(jìn)度屿笼，消費(fèi)者可以按照任意的偏移量進(jìn)行消費(fèi)牺荠。比如消費(fèi)者可以消費(fèi)已經(jīng)消費(fèi)過(guò)的消息進(jìn)行重新處理，或者消費(fèi)最近的消息等等驴一。
4.網(wǎng)絡(luò)模型
4.1 KafkaClient --單線程Selector
單線程模式適用于并發(fā)鏈接數(shù)小休雌，邏輯簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量小肝断。
在kafka中挑辆，consumer和producer都是使用的上面的單線程模式。這種模式不適合kafka的服務(wù)端孝情，在服務(wù)端中請(qǐng)求處理過(guò)程比較復(fù)雜，會(huì)造成線程阻塞洒嗤，一旦出現(xiàn)后續(xù)請(qǐng)求就會(huì)無(wú)法處理箫荡，會(huì)造成大量請(qǐng)求超時(shí)，引起雪崩渔隶。而在服務(wù)器中應(yīng)該充分利用多線程來(lái)處理執(zhí)行邏輯羔挡。
4.2 Kafka--server -- 多線程Selector
在kafka服務(wù)端采用的是多線程的Selector模型，Acceptor運(yùn)行在一個(gè)單獨(dú)的線程中间唉，對(duì)于讀取操作的線程池中的線程都會(huì)在selector注冊(cè)read事件绞灼，負(fù)責(zé)服務(wù)端讀取請(qǐng)求的邏輯。成功讀取后呈野，將請(qǐng)求放入message queue共享隊(duì)列中低矮。然后在寫(xiě)線程池中，取出這個(gè)請(qǐng)求被冒，對(duì)其進(jìn)行邏輯處理军掂，即使某個(gè)請(qǐng)求線程阻塞了，還有后續(xù)的縣城從消息隊(duì)列中獲取請(qǐng)求并進(jìn)行處理昨悼，在寫(xiě)線程中處理完邏輯處理蝗锥，由于注冊(cè)了OP_WIRTE事件，所以還需要對(duì)其發(fā)送響應(yīng)率触。
5.高可靠分布式存儲(chǔ)模型
在Kafka中保證高可靠模型的依靠的是副本機(jī)制终议，有了副本機(jī)制之后，就算機(jī)器宕機(jī)也不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。
5.1高性能的日志存儲(chǔ)
kafka一個(gè)topic下面的所有消息都是以partition的方式分布式的存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上穴张。同時(shí)在kafka的機(jī)器上细燎，每個(gè)Partition其實(shí)都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)日志目錄，在目錄下面會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)日志分段(LogSegment)陆馁。LogSegment文件由兩部分組成找颓，分別為“.index”文件和“.log”文件，分別表示為segment索引文件和數(shù)據(jù)文件叮贩。這兩個(gè)文件的命令規(guī)則為：partition全局的第一個(gè)segment從0開(kāi)始击狮，后續(xù)每個(gè)segment文件名為上一個(gè)segment文件最后一條消息的offset值，數(shù)值大小為64位益老，20位數(shù)字字符長(zhǎng)度彪蓬，沒(méi)有數(shù)字用0填充，如下捺萌，假設(shè)有1000條消息档冬，每個(gè)LogSegment大小為100，下面展現(xiàn)了900-1000的索引和Log：
由于kafka消息數(shù)據(jù)太大桃纯，如果全部建立索引酷誓，即占了空間又增加了耗時(shí)，所以kafka選擇了稀疏索引的方式态坦，這樣的話索引可以直接進(jìn)入內(nèi)存盐数，加快偏查詢速度。
簡(jiǎn)單介紹一下如何讀取數(shù)據(jù)伞梯，如果我們要讀取第911條數(shù)據(jù)首先第一步玫氢，找到他是屬于哪一段的，根據(jù)二分法查找到他屬于的文件谜诫，找到0000900.index和00000900.log之后漾峡，然后去index中去查找 (911-900) =11這個(gè)索引或者小于11最近的索引,在這里通過(guò)二分法我們找到了索引是[10,1367]然后我們通過(guò)這條索引的物理位置1367，開(kāi)始往后找喻旷，直到找到911條數(shù)據(jù)生逸。
上面講的是如果要找某個(gè)offset的流程，但是我們大多數(shù)時(shí)候并不需要查找某個(gè)offset,只需要按照順序讀即可且预，而在順序讀中牺陶，操作系統(tǒng)會(huì)對(duì)內(nèi)存和磁盤(pán)之間添加page cahe，也就是我們平常見(jiàn)到的預(yù)讀操作辣之，所以我們的順序讀操作時(shí)速度很快掰伸。但是kafka有個(gè)問(wèn)題，如果分區(qū)過(guò)多怀估，那么日志分段也會(huì)很多狮鸭，寫(xiě)的時(shí)候由于是批量寫(xiě)合搅，其實(shí)就會(huì)變成隨機(jī)寫(xiě)了，隨機(jī)I/O這個(gè)時(shí)候?qū)π阅苡绊懞艽笃缃丁Ｋ砸话銇?lái)說(shuō)Kafka不能有太多的partition灾部。針對(duì)這一點(diǎn)，RocketMQ把所有的日志都寫(xiě)在一個(gè)文件里面惯退，就能變成順序?qū)懚乃瑁ㄟ^(guò)一定優(yōu)化，讀也能接近于順序讀催跪。
可以思考一下:1.為什么需要分區(qū)锁蠕，也就是說(shuō)主題只有一個(gè)分區(qū)，難道不行嗎懊蒸？2.日志為什么需要分段
5.2副本機(jī)制
Kafka的副本機(jī)制是多個(gè)服務(wù)端節(jié)點(diǎn)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的主題分區(qū)的日志進(jìn)行復(fù)制荣倾。當(dāng)集群中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，訪問(wèn)故障節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求會(huì)被轉(zhuǎn)移到其他正常節(jié)點(diǎn)(這一過(guò)程通常叫Reblance),kafka每個(gè)主題的每個(gè)分區(qū)都有一個(gè)主副本以及0個(gè)或者多個(gè)副本骑丸，副本保持和主副本的數(shù)據(jù)同步舌仍，當(dāng)主副本出故障時(shí)就會(huì)被替代。
在Kafka中并不是所有的副本都能被拿來(lái)替代主副本通危，所以在kafka的leader節(jié)點(diǎn)中維護(hù)著一個(gè)ISR(In sync Replicas)集合铸豁，翻譯過(guò)來(lái)也叫正在同步中集合，在這個(gè)集合中的需要滿足兩個(gè)條件:
節(jié)點(diǎn)必須和ZK保持連接
在同步的過(guò)程中這個(gè)副本不能落后主副本太多
另外還有個(gè)AR(Assigned Replicas)用來(lái)標(biāo)識(shí)副本的全集,OSR用來(lái)表示由于落后被剔除的副本集合菊碟，所以公式如下:ISR = leader + 沒(méi)有落后太多的副本; AR = OSR+ ISR;
這里先要說(shuō)下兩個(gè)名詞:HW(高水位)是consumer能夠看到的此partition的位置节芥，LEO是每個(gè)partition的log最后一條Message的位置辙售。HW能保證leader所在的broker失效，該消息仍然可以從新選舉的leader中獲取撮奏，不會(huì)造成消息丟失锄俄。
當(dāng)producer向leader發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)request.required.acks參數(shù)來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)可靠性的級(jí)別：
1（默認(rèn)）：這意味著producer在ISR中的leader已成功收到的數(shù)據(jù)并得到確認(rèn)后發(fā)送下一條message棚放。如果leader宕機(jī)了，則會(huì)丟失數(shù)據(jù)。
0：這意味著producer無(wú)需等待來(lái)自broker的確認(rèn)而繼續(xù)發(fā)送下一批消息梅垄。這種情況下數(shù)據(jù)傳輸效率最高，但是數(shù)據(jù)可靠性確是最低的输玷。
-1：producer需要等待ISR中的所有follower都確認(rèn)接收到數(shù)據(jù)后才算一次發(fā)送完成队丝，可靠性最高。但是這樣也不能保證數(shù)據(jù)不丟失欲鹏，比如當(dāng)ISR中只有l(wèi)eader時(shí)(其他節(jié)點(diǎn)都和zk斷開(kāi)連接机久，或者都沒(méi)追上)，這樣就變成了acks=1的情況赔嚎。
