Kafka 分区重分配源码分析

上一篇跟大家描述了 Kafka 集群扩容的方案与过程，这次就跟大家详细描述 Kafka 分区重分配的实现细节。

Kafka 为用户提供了分区重分配的执行脚本 kafka-reassign-partitions.sh，脚本内容如下：

ReassignPartitionsCommand 类为我们提供了分区重分配的功能，主要有如下方法：

1. generateAssignment() 函数：对应执行脚本的 --generate 参数，为用户生成新的分配方案，输出格式为 json 字符串；
   
2. executeAssignment() 函数：对应执行脚本中的 --execute 参数，需要注意的一点是，这并不是真正执行分区数据迁移的动作，只不过是将新的分配方案保存在 zk 中，路径为 /admin/reassign_partitions。
   

以下是源码执行过程：

1、--execute 命令执行分区重分配任务，kafka 会在 zk 的节点 /admin/reassign_partitions，并将分配策略存储到上面：

kafka.admin.ReassignPartitionsCommand#executeAssignment：

在调用脚本向 zk 提交 Partition 的分区重分配策略，将策略提交到到 zk 前需要进行一步判断，如果分区重分配还在进行，那么本次执行计划是无法提交的，意味着集群当前只能有一个分区重分配执行。

2、将分配策略更新到 zk 上

kafka.admin.ReassignPartitionsCommand#reassignPartitions：

3、Kafka Controller 有一个监听器，监听 zk 节点 /admin/reassign_partitions 变化，将分配策略更新到 zk 上，该监听器就会被触发，然后执行分区重分配逻辑：

kafka.controller.KafkaController.PartitionReassignment：

该监听器会将正在迁移的 Partition 添加到 partitionsBeingReassigned 中，记录当前正在迁移的 Partition 列表。

4、触发分区重分配前，判断如果分区没有变更，则不执行分配，实现的逻辑如下所示：

kafka.controller.KafkaController#maybeTriggerPartitionReassignment：

5、如果分区变更，执行真正的分区重分配策略：

kafka.controller.KafkaController#onPartitionReassignment：

以上 onPartitionReassignment 是 Kafka 执行分区重分配真正的核心方法，从注释可看出有几个专有名词，特此说明一下：

• RAR：Reassigned replicas，即 --generation 参数生成的新分配副本列表；
• OAR：Original list of replicas for partition，原来的分区副本列表；
• AR：current assigned replicas，当前副本列表 ，随着分配过程不断变化，最终会等于 RAR + OAR；
• RAR-OAR：RAR 与 OAR 的差集，即需要创建、数据迁移的新副本；
• OAR-RAR：OAR 与 RAR 的差集，即不需要创建、数据迁移的副本。

从源码注释可看出，整个分区重分配共有 12 个步骤，我将这个过程主要归类分为以下几个大步骤：

1. 将新的分配（RAR + OAR）保存到 zk，并触发 controller 进行分区重分配；
2. 创建 RAR 的副本，并与 leader 同步，同步完后设置成在线状态，此时该分区的 ISR 列表集合变成了 RAR + OAR；
3. 在 RAR + OAR 中进行 Leader 选举；
4. 将 OAR-RAR 得到的差集踢出 ISR，并进行删除；
5. 删除 zk 对应节点，并通知 broker 更新 Metadata。

举个例子：

现在有个分区，它原来的副本列表 OAR = {1, 0, 2}，新分配的后的副本列表 RAR = {2, 3, 5}，那么在分区重分配过程中，该分区的 AR、Leader 以及 ISR 变化如下：

1. AR {1,0,2} -> Leader/ISR 1/{1,0,2} ：初始状态；
2. AR {1,0,2,3,5} -> Leader/ISR 1/{1,0,2} ：创建 RAR - OAR 差集的新副本；
3. AR {1,0,2,3,5} -> Leader/ISR 1/{1,0,2,3,5} ：新的副本追上了 Leader 的位移，并加入 ISR；
4. AR {1,0,2,3,5} -> Leader/ISR 2/{1,0,2,3,5} ：Preferred Leader 选举；
5. AR {1,0,2,3,5} -> Leader/ISR 2/{2,3,5} ：将 OAR - RAR 差集的副本踢出 ISR；
6. AR {2,3,5} -> Leader/ISR 2/{2,3,5} ：删除 OAR - RAR 差集的副本。

这里需要说明一下需要 Leader 选举的两种情况：

1. 如果 RAR 中的 Preferred Leader 副本与 OAR 中的 Preferred Leader 副本不一样，则需要重新选举；
2. 以上条件满足，但 Preferred Leader 所在的 Broker 崩溃了。

把以上分析的几大步骤，再结合「记一次 Kafka 集群线上扩容」这篇文章中 kafka-manage 的截图数据，就更加好理解了。