【Kafaka实现高吞吐量、低延迟的底层原理】

文章目录

Kafaka实现高吞吐量、低延迟的底层原理
- - 顺序写入
  - Page Cache
  - 零拷贝
  - 分区分段+索引
  - 批量读写
  - 批量压缩

Kafaka实现高吞吐量、低延迟的底层原理

Kafka虽然是基于磁盘做的数据存储，但却具有高并发、高吞吐量、低延时的特点，其吞吐量动辄几万、几十上百万。那Kafka怎么做到的呢？

顺序写入

众所周知Kafka是将消息记录持久化到本地磁盘中的，一般人会认为磁盘读写性能差，可能会对Kafka性能如何保证提出质疑。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。

Kafka的message是不断追加到本地磁盘文件末尾的，而不是随机的写入，这使得Kafka写入吞吐量得到了显著提升。

Page Cache

CPU如果要访问外部磁盘上的文件，需要首先将这些文件的内容拷贝到内存中，由于硬件的限制，从磁盘到内存的数据传输速度是很慢的，如果现在物理内存有空余，干嘛不用这些空闲内存来缓存一些磁盘的文件内容呢，这部分用作缓存磁盘文件的内存就叫做page cache。

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。

零拷贝

这里主要讲的是Kafka利用 linux 操作系统的 “零拷贝（zero-copy）” 机制在消费端做的优化。首先来了解下数据从文件发送到socket网络连接中的常规传输路径：

操作系统从磁盘读取数据到内核空间（ kernel space ）的Page Cache
应用程序读取Page Cache的数据到用户空间（user space）的缓冲区
应用程序将用户空间缓冲区的数据写回内核空间到socket缓冲区（ socket buffer ）
操作系统将数据从socket缓冲区复制到网络发送的NIC缓冲区

这个过程包含4次copy操作和2次系统上下文切换，性能其实非常低效。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。示意图如下：

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。

分区分段+索引

Kafka的message是按topic分类存储的，topic中的数据又是按照一个一个的partition即分区存储到不同broker节点。每个partition对应了操作系统上的一个文件夹，partition实际上又是按照segment分段存储的。这也非常符合分布式系统分区分桶的设计思想。

通过这种分区分段的设计，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。

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。