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第3章 Kafka架构深入

3.3 Kafka消费者

3.3.1 消费方式

consumer采用pull（拉）模式从broker中读取数据。

push（推）模式很难适应消费速率不同的消费者，因为消息发送速率是由broker决定的。

它的目标是尽可能以最快速度传递消息，但是这样很容易造成consumer来不及处理消息，典型的表现就是拒绝服务以及网络拥塞。而pull模式则可以根据consumer的消费能力以适当的速率消费消息。

pull模式不足之处是，如果kafka没有数据，消费者可能会陷入循环中，一直返回空数据。针对这一点，Kafka的消费者在消费数据时会传入一个时长参数timeout，如果当前没有数据可供消费，consumer会等待一段时间之后再返回，这段时长即为timeout。

3.3.2 分区分配策略

一个consumer group中有多个consumer，一个 topic有多个partition，所以必然会涉及到partition的分配问题，即确定那个partition由哪个consumer来消费。

Kafka有两种分配策略，一是roundrobin，一是range。

1. roundrobin
   

2. range
   

3.3.3 offset的维护

由于consumer在消费过程中可能会出现断电宕机等故障，consumer恢复后，需要从故障前的位置的继续消费，所以consumer需要实时记录自己消费到了哪个offset，以便故障恢复后继续消费。

Kafka 0.9版本之前，consumer默认将offset保存在Zookeeper中，从0.9版本开始，consumer默认将offset保存在Kafka一个内置的topic中，该topic为__consumer_offsets。

3.4 Kafka高效读写数据

1. 顺序写磁盘
   Kafka的producer生产数据，要写入到log文件中，写的过程是一直追加到文件末端，为顺序写。官网有数据表明，同样的磁盘，顺序写能到到600M/s，而随机写只有100k/s。这与磁盘的机械机构有关，顺序写之所以快，是因为其省去了大量磁头寻址的时间。
2. 应用Pagecache
   Kafka数据持久化是直接持久化到Pagecache中，这样会产生以下几个好处：

• I/O Scheduler 会将连续的小块写组装成大块的物理写从而提高性能
• I/O Scheduler 会尝试将一些写操作重新按顺序排好，从而减少磁盘头的移动时间
• 充分利用所有空闲内存（非 JVM 内存）。如果使用应用层 Cache（即 JVM 堆内存），会增加 GC 负担
• 读操作可直接在 Page Cache 内进行。如果消费和生产速度相当，甚至不需要通过物理磁盘（直接通过 Page Cache）交换数据
• 如果进程重启，JVM 内的 Cache 会失效，但 Page Cache 仍然可用

尽管持久化到Pagecache上可能会造成宕机丢失数据的情况，但这可以被Kafka的Replication机制解决。如果为了保证这种情况下数据不丢失而强制将 Page Cache 中的数据 Flush 到磁盘，反而会降低性能。

3. 零复制技术
   

3.5 Zookeeper在Kafka中的作用

Kafka集群中有一个broker会被选举为Controller，负责管理集群broker的上下线，所有topic的分区副本分配和leader选举等工作。

Controller的管理工作都是依赖于Zookeeper的。

以下为partition的leader选举过程：

3.6 Kafka事务

Kafka从0.11版本开始引入了事务支持。事务可以保证Kafka在Exactly Once语义的基础上，生产和消费可以跨分区和会话，要么全部成功，要么全部失败。

3.6.1 Producer事务

为了实现跨分区跨会话的事务，需要引入一个全局唯一的Transaction ID，并将Producer获得的PID和Transaction ID绑定。这样当Producer重启后就可以通过正在进行的Transaction ID获得原来的PID。

为了管理Transaction，Kafka引入了一个新的组件Transaction Coordinator。Producer就是通过和Transaction Coordinator交互获得Transaction ID对应的任务状态。Transaction Coordinator还负责将事务所有写入Kafka的一个内部Topic，这样即使整个服务重启，由于事务状态得到保存，进行中的事务状态可以得到恢复，从而继续进行。

3.6.2 Consumer事务（精准一次性消费）

上述事务机制主要是从Producer方面考虑，对于Consumer而言，事务的保证就会相对较弱，尤其时无法保证Commit的信息被精确消费。这是由于Consumer可以通过offset访问任意信息，而且不同的Segment File生命周期不同，同一事务的消息可能会出现重启后被删除的情况。

如果想完成Consumer端的精准一次性消费，那么需要kafka消费端将消费过程和提交offset过程做原子绑定。此时我们需要将kafka的offset保存到支持事务的自定义介质中（比如mysql）。这部分知识会在后续项目部分涉及。

第4章 Kafka API

4.1 Producer API

4.1.1 消息发送流程

Kafka的Producer发送消息采用的是异步发送的方式。在消息发送的过程中，涉及到了两个线程——main线程和Sender线程，以及一个线程共享变量——RecordAccumulator。main线程将消息发送给RecordAccumulator，Sender线程不断从RecordAccumulator中拉取消息发送到Kafka broker。

KafkaProducer 发送消息流程:

相关参数：

• batch.size：只有数据积累到batch.size之后，sender才会发送数据。
• linger.ms：如果数据迟迟未达到batch.size，sender等待linger.time之后就会发送数据。

4.1.2 异步发送API

1. 导入依赖

<dependency><groupId>org.apache.kafka</groupId><artifactId>kafka-clients</artifactId><version>2.4.1</version>
</dependency>

2. 编写代码

需要用到的类：

• KafkaProducer：需要创建一个生产者对象，用来发送数据
• ProducerConfig：获取所需的一系列配置参数
• ProducerRecord：每条数据都要封装成一个ProducerRecord对象

不带回调函数的API：

package com.atguigu.kafka;import org.apache.kafka.clients.producer.*;import java.util.Properties;
import java.util.concurrent.ExecutionException;public class CustomProducer {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {Properties props = new Properties();props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");//kafka集群，broker-listprops.put("acks", "all");props.put("retries", 1);//重试次数props.put("batch.size", 16384);//批次大小props.put("linger.ms", 1);//等待时间props.put("buffer.memory", 33554432);//RecordAccumulator缓冲区大小props.put("key.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");props.put("value.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");Producer<String, String> producer = new KafkaProducer<>(props);for (int i = 0; i < 100; i++) {producer.send(new ProducerRecord<String, String>("first", Integer.toString(i), Integer.toString(i)));}producer.close();}
}

带回调函数的API：

回调函数会在producer收到ack时调用，为异步调用，该方法有两个参数，分别是RecordMetadata和Exception，如果Exception为null，说明消息发送成功，如果Exception不为null，说明消息发送失败。

注意：消息发送失败会自动重试，不需要我们在回调函数中手动重试。

package com.atguigu.kafka;import org.apache.kafka.clients.producer.*;import java.util.Properties;
import java.util.concurrent.ExecutionException;public class CustomProducer {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {Properties props = new Properties();props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");//kafka集群，broker-listprops.put("acks", "all");props.put("retries", 1);//重试次数props.put("batch.size", 16384);//批次大小props.put("linger.ms", 1);//等待时间props.put("buffer.memory", 33554432);//RecordAccumulator缓冲区大小props.put("key.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");props.put("value.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");Producer<String, String> producer = new KafkaProducer<>(props);for (int i = 0; i < 100; i++) {producer.send(new ProducerRecord<String, String>("first", Integer.toString(i), Integer.toString(i)), new Callback() {//回调函数，该方法会在Producer收到ack时调用，为异步调用@Overridepublic void onCompletion(RecordMetadata metadata, Exception exception) {if (exception == null) {System.out.println("success->" + metadata.offset());} else {exception.printStackTrace();}}});}producer.close();}
}

4.1.3 同步发送API

同步发送的意思就是，一条消息发送之后，会阻塞当前线程，直至返回ack。

由于send方法返回的是一个Future对象，根据Futrue对象的特点，我们也可以实现同步发送的效果，只需在调用Future对象的get方发即可。

package com.atguigu.kafka;import org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer;
import org.apache.kafka.clients.producer.Producer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;import java.util.Properties;
import java.util.concurrent.ExecutionException;public class CustomProducer {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {Properties props = new Properties();props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");//kafka集群，broker-listprops.put("acks", "all");props.put("retries", 1);//重试次数props.put("batch.size", 16384);//批次大小props.put("linger.ms", 1);//等待时间props.put("buffer.memory", 33554432);//RecordAccumulator缓冲区大小props.put("key.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");props.put("value.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");Producer<String, String> producer = new KafkaProducer<>(props);for (int i = 0; i < 100; i++) {producer.send(new ProducerRecord<String, String>("first", Integer.toString(i), Integer.toString(i))).get();}producer.close();}
}

4.2 Consumer API

Consumer消费数据时的可靠性是很容易保证的，因为数据在Kafka中是持久化的，故不用担心数据丢失问题。

由于consumer在消费过程中可能会出现断电宕机等故障，consumer恢复后，需要从故障前的位置的继续消费，所以consumer需要实时记录自己消费到了哪个offset，以便故障恢复后继续消费。

所以offset的维护是Consumer消费数据是必须考虑的问题。

4.2.1 自动提交offset

1. 导入依赖

<dependency><groupId>org.apache.kafka</groupId><artifactId>kafka-clients</artifactId><version>2.4.1</version>
</dependency>

2. 编写代码

需要用到的类：

• KafkaConsumer：需要创建一个消费者对象，用来消费数据
• ConsumerConfig：获取所需的一系列配置参数
• ConsuemrRecord：每条数据都要封装成一个ConsumerRecord对象

为了使我们能够专注于自己的业务逻辑，Kafka提供了自动提交offset的功能。

自动提交offset的相关参数：

enable.auto.commit：是否开启自动提交offset功能
auto.commit.interval.ms：自动提交offset的时间间隔

以下为自动提交offset的代码：

package com.atguigu.kafka;import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecords;
import org.apache.kafka.clients.consumer.KafkaConsumer;import java.util.Arrays;
import java.util.Properties;public class CustomConsumer {public static void main(String[] args) {Properties props = new Properties();props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");props.put("group.id", "test");props.put("enable.auto.commit", "true");props.put("auto.commit.interval.ms", "1000");props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);consumer.subscribe(Arrays.asList("first"));while (true) {ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);for (ConsumerRecord<String, String> record : records)System.out.printf("offset = %d, key = %s, value = %s%n", record.offset(), record.key(), record.value());}}
}

4.2.2 手动提交offset

虽然自动提交offset十分简介便利，但由于其是基于时间提交的，开发人员难以把握offset提交的时机。因此Kafka还提供了手动提交offset的API。

手动提交offset的方法有两种：分别是commitSync（同步提交）和commitAsync（异步提交）。两者的相同点是，都会将本次poll的一批数据最高的偏移量提交；不同点是，commitSync阻塞当前线程，一直到提交成功，并且会自动失败重试（由不可控因素导致，也会出现提交失败）；而commitAsync则没有失败重试机制，故有可能提交失败。

1. 同步提交offset

由于同步提交offset有失败重试机制，故更加可靠，以下为同步提交offset的示例。

package com.atguigu.kafka.consumer;import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecords;
import org.apache.kafka.clients.consumer.KafkaConsumer;import java.util.Arrays;
import java.util.Properties;/*** @author liubo*/
public class CustomComsumer {public static void main(String[] args) {Properties props = new Properties();props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");//Kafka集群props.put("group.id", "test");//消费者组，只要group.id相同，就属于同一个消费者组props.put("enable.auto.commit", "false");//关闭自动提交offsetprops.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);consumer.subscribe(Arrays.asList("first"));//消费者订阅主题while (true) {ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);//消费者拉取数据for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {System.out.printf("offset = %d, key = %s, value = %s%n", record.offset(), record.key(), record.value());}consumer.commitSync();//同步提交，当前线程会阻塞知道offset提交成功}}
}

2. 异步提交offset

虽然同步提交offset更可靠一些，但是由于其会阻塞当前线程，直到提交成功。因此吞吐量会收到很大的影响。因此更多的情况下，会选用异步提交offset的方式。

以下为异步提交offset的示例：

package com.atguigu.kafka.consumer;import org.apache.kafka.clients.consumer.*;
import org.apache.kafka.common.TopicPartition;import java.util.Arrays;
import java.util.Map;
import java.util.Properties;/*** @author liubo*/
public class CustomConsumer {public static void main(String[] args) {Properties props = new Properties();props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");//Kafka集群props.put("group.id", "test");//消费者组，只要group.id相同，就属于同一个消费者组props.put("enable.auto.commit", "false");//关闭自动提交offsetprops.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);consumer.subscribe(Arrays.asList("first"));//消费者订阅主题while (true) {ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);//消费者拉取数据for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {System.out.printf("offset = %d, key = %s, value = %s%n", record.offset(), record.key(), record.value());}consumer.commitAsync(new OffsetCommitCallback() {@Overridepublic void onComplete(Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> offsets, Exception exception) {if (exception != null) {System.err.println("Commit failed for" + offsets);}}});//异步提交}}
}

3. 数据漏消费和重复消费分析

无论是同步提交还是异步提交offset，都有可能会造成数据的漏消费或者重复消费。先提交offset后消费，有可能造成数据的漏消费；而先消费后提交offset，有可能会造成数据的重复消费。

数据重复消费问题：