【kafka】浅谈kafka常考特性

Kafka

前几天聊完绩效的时候问了下今年还有没有涨薪，组长的原话是"很难。。。我尽量帮大家争取。。。"，我刚听完脑海的第一念头:"此处涨薪难，自有不难处！"。

冷静分析一波，今年整体大环境不行，还是苟着拿波年终吧，先不准备跳了，跟大家浅浅分享一下之前准备的kafka相关知识点，等看机会的时候可以拿来复习复习。kafka也算是面试常考的组件，一些基本概念就不再写了，就写写面试里常考常问的一些点。

kafka的基本组件

1. Broker：通俗理解成一台部署了kafka的服务器就是一个Broker，一个kafka集群由多个Broker组成，每个Broker包含多个Topic
2. Controller：broker的领导者，主写主读，它负责管理整个集群中所有分区和副本的状态
3. Producer：消息生产者，自己决定向哪个partaion发送数据，hash或轮询
4. Consumer：消息消费者，通过zookeeper维护offset
5. Consumer Group：消费者组，同一个组内不同消费者负责消费不同的partation，也就是一个分区只能由一个组内消费者消费；消费者组之间互不影响。每条消息只能被Consumer Group中的一个Consumer消费；但是可以被多个Consumer Group组消费。
6. Topic：消息主题，一类消息的总称/消息队里，逻辑概念，真实数据存放在partation中，一个 topic 由多个 partions 组成
7. Partation：分区,真实存储数据的地方，负载均衡与扩展性考虑，一个Topic可以分为多个Partition,物理存储在Kafka集群中的多个Broker上。可靠性上考虑，每个Partition都会有备份Replica。partation保持分区顺序
8. Replica副本：Partition的副本，为了保证集群中的某个节点发生故障时，该节点上的Partition数据不会丢失，且Kafka仍能继续工作，所以Kafka提供了副本机制，一个Topic的每个Partition都有若干个副本，一个Leader和若干个Follower。
9. Leader：Replica的主角色，Producer与Consumer只跟Leader交互。
10. Follwer：Replica的从角色，实时从Leader中同步数据，保持和Leader数据的同步。Leader发生故障时，经过一系列选举算法，某个Follower会变成新的Leader。
11. Offset：每个分区日志都有一个offset来唯一的标记一条消息,offset的值为8个字节的数字,表示此消息在此partition中所处的起始位置

kafka整体架构

文字描述：

• 整体架构分为producer、broker、consumer三部分，3.0版本之前依赖zookeeper做集群管理，3.0版本之后通过KRaft进行集群管理。
• consumer有消费者组概念，同一个组内不同消费者负责消费不同的partation，一个分区只能由一个组内消费者消费；消费者组之间互不影响
• 集群中的broker会选举出一个leader作为Controller负责管理整个集群中所有分区和副本的状态
• 每个topic由多个partation组成，partation为真实存储数据的地方，每个partation以文件夹的形式存储在文件系统中。每个对应的partation数据目录下存储*.index，*log ，*timeindex三个文件
• 每个partation都有对应的副本，分散在不同的broker中来实现分布式存储。
• 整体使用主写主读架构，通过partation分布不同的broker上，尽量保证每个broker既有replicas分区拉数据也有leader分区生产数据，实现负载

kafka replicas是如何管理的

• kafka为了保证数据安全性，在producer写入数据时会通过副本机制对当前数据进行复制备份，其他分区副本通过拉取的方式进行数据同步，依赖多副本机制进行故障转移。
• HW: 高水位，标识consumer可见的offset，取所有ISR中最小的那个，只有所有的副本都同步完成HW才会增加，消费者只能消费到HW之后的数据
• LEO: 每个partation的log最后一条message位置
• AR: 所有的分区副本集合
• ISR: 同步的分区集合队列，属于AR的一个子集，ISR中如果同步慢了或挂起会被t出ISR队列。
• OSR：从同步队列中被提出的分区集合、
• 当partation leader挂掉后由Controller在ISR集合中顺序查找出第一个选举新leader

kafka如何保证数据不丢失

• Producer保证发送数据不丢，生产者发送消息有三种模式，发完即忘、同步和异步，可以通过设置同步或异步的方式获取响应结果，失败做重试来保证消息在发送阶段不丢(broker接受produer数据做了幂等性保证)
• Broker保证接收数据保证不丢失，当生产者向leader发数据时通过request.required.acks参数设置数据可靠性的级别。

1. 1（默认）： producer在ISR中的leader已成功收到的数据并得到确认后发送下一条message。如果leader宕机了，则会丢失数据。
2. 0：producer无需等待来自broker的确认而继续发送下一批消息。这种情况下数据传输效率最高，但是数据可靠性确是最低的。
3. -1或者all：producer需要等待ISR中的所有follower都确认接收到数据后才算一次发送完成，可靠性最高。通过设置ack=1，broker内部做副本同步保证broker内部数据不丢失。

• Consumer保证消费数据不丢失，默认情况下，当消费者消费到消息后，会自动提交offse。但是如果消费者消费出错，没有进入真正的业务处理，那么就可能会导致这条消息消费失败，从而丢失。可以通过开启手动提交位移，等待业务正常处理完成后，再提交offset。

kafka为什么那么快，吞吐量高

1. kafka生产消息时通过异步发送机制，首先通过main线程将数据缓存起来，sender线程批量搬运数据，broker定时去poll数据。
2. 数据批量读写、批量压缩，消息发送到broker之前会压缩消息，达到一定数据量压缩一次性发送。
3. 顺序写磁盘：新的消息顺序添加到日志文件末尾，而且磁盘上的 数据不会一直存着，后台会维护一个线程 来定期检测是否有数据该删除。
4. PageCache页缓存：充分利用Linux操作系统对磁盘的访问优化，Cache层在内存种缓存了磁盘上的部分数据。（类似mysql的bufferpool）Broker收到数据后先将生产者的数据写入page cache，再定期刷到磁盘中
5. 零拷贝技术：通过 NIO 的 transferTo/transferFrom 调用操作系统的 sendfile 实现零拷贝(高频考点)。
6. 数据分区分段 + 稀疏索引：Kafka 的 message 消息实际上是分布式存储在一个一个小的segment中的，每次文件操作也是直接操作的 segment。为了进一步的查询优化，Kafka 又默认为分段后的数据文件建立了索引文件，就是文件系统上的 .index文件。这种分区分段+索引的设计，不仅提升了数据读取的效率，同时也提高了数据操作的并行度。

kafka数据存储原理

1. partation为真实存储数据的地方，每个partation以文件夹的形式存储在文件系统中。每个对应的每个partation文件夹下的日志被分割成很多segment段。
2. 日志分段名通过偏移量确定，比如segment1的段号是509，segment2的段号是1397，那么segment1就存储了偏移量509-1397的消息。
3. 定位到段后通过稀疏索引的方式，也就是利用*.index文件。之所以成为稀疏索引是因为并没有维护所有数据的索引，定位数据的时候要通过二分查找的方式定位索引的位置，再通过索引对应的真实数据的位置回表查询。
4. *.timeindex 和kafka清理数据有着密切的关系，kafka默认保留7天内的数据，对于超过7天的数据，会被清理掉，这里的清理逻辑主要根据timeindex时间索引文件里最大的时间来判断的，如果最大时间与当前时间差值超过7天，那么对应的数据段就会被清理掉

kafka rebalance

1. consumer group多个消费者组成起来的一个组，它们共同消费 topic 的所有消息，并且一个 topic 的一个 partition 只能被一个 consumer 消费。reblance就是为了kafka对提升消费效率做的优化，规定了一个ConsumerGroup下的所有consumer均匀分配订阅 Topic 的每个分区。
2. 触发时机：①新consumer加入consumer group ②组内consumer离开或崩溃
3. 触发原因：生产环境一般出现rebalance现象大部分原因是消费者心跳超时、消费者消费数据超时
4. 主要参数：

• session.timeout.ms 表示 consumer 向 broker 发送心跳的超时时间。例如 session.timeout.ms = 180000 表示在最长 180 秒内 broker 没收到 consumer 的心跳，那么 broker 就认为该 consumer 死亡了，会启动 rebalance。
• heartbeat.interval.msheart 表示 consumer 每次向 broker 发送心跳的时间间隔。heartbeat.interval.ms = 60000 表示 consumer 每 60 秒向 broker 发送一次心跳。一般来说，session.timeout.ms 的值是 heartbeat.interval.ms 值的 3 倍以上。
• max.poll.interval.ms
• max.poll.records 表示每次消费的时候，获取多少条消息。获取的消息条数越多，需要处理的时间越长。所以每次拉取的消息数不能太多，需要保证在 max.poll.interval.ms 设置的时间内能消费完，否则会发生 rebalance。

5. 解决方案：

• 心跳超时就调整session.timeout.ms和heartbeat.interval.ms.
• 消费处理超时一般是增加消费者处理的时间（max.poll.interval.ms），减少每次处理的消息数（max.poll.records）

如何增加消费能力

1. 可以考虑增加 topic 的分区数，并且同时提升消费组的消费者数量，消费者数=分区数。
2. 如果是消费者消费不及时，可以采用多线程的方式进行消费，并且优化业务方法流程，同样的分区数，查看为什么并发那么高。

kafka数据倾斜怎么办

1. 刚才提到kafka broker内部结构会出现随着topic数量不断增多，每个topic的分区数量又不一致，最终就会出现topic分区在Kafka集群内分配不均的情况。
2. 比如：topic1是10个分区、topic2是15个分区、topic3是3个分区，集群有6台机器。那6台broker上总会有4台broker有两个topic1的分区，有3台broke上有3个topic3分区等等。这样就会导致分区多的broker上的出入流量可能要比其他broker上要高，最终导致资源问题。
3. 出现这种情况如果仅仅知识新增broker扩展并不会起作用，要手动编辑内置副本迁移脚本vi topic-reassignment.json手动调整各broker与partation的关系。当然网上也有很多自动迁移工具。
4. 最近很火的pulsar天然支持动态伸缩能力，就不用这么费劲

kafka支持读写分离吗

1. kafka作为主写主读架构不支持读写分离
2. 读写分离本质上通过另一个节点分担主节点负载压力，而kafka有独特的副本机制去实现负载功能

分区数越多越好吗

1. 在一定条件下，分区数的数量是和吞吐量成正比的，分区数和性能也是成正比。
2. 超过了一定限度，客户端和服务端需要使用的内存会激增

• 服务端在很多组件中都维护了分区级别的缓存，分区数越大，缓存成本也就越大。
• 消费端的消费线程数是和分区数挂钩的，分区数越大消费线程数也就越多，线程的开销成本也就越大
• 生产者发送消息有缓存的概念，会为每个分区缓存消息，当积累到一定程度或者时间时会将消息发送到分区，分区越多，这部分的缓存也就越大

3. 文件句柄的开销，partation底层存储对应一个log文件，文件句柄数量增加
4. 增加数据同步负担，降低高可用