Kafka中的分区副本机制
生产者的分区写入策略
- 轮询(按照消息尽量保证每个分区的负载)策略,消息会均匀地分布到每个partition
- 写入消息的时候,key为null的时候,默认使用的是轮询策略
- 随机策略(不使用)
- 按key写入策略,key.hash() % 分区的数量
- 自定义分区策略(类似于MapReduce指定分区)
乱序问题
- 在Kafka中生产者是有写入策略,如果topic有多个分区,就会将数据分散在不同的partition中存储
- 当partition数量大于1的时候,数据(消息)会打散分布在不同的partition中
- 如果只有一个分区,消息是有序的
消费组Consumer Group Rebalance机制
- 再均衡:在某些情况下,消费者组中的消费者消费的分区会产生变化,会导致消费者分配不均匀(例如:有两个消费者消费3个,因为某个partition崩溃了,还有一个消费者当前没有分区要削峰),Kafka Consumer Group就会启用rebalance机制,重新平衡这个Consumer Group内的消费者消费的分区分配。
- 触发时机
- 消费者数量发生变化
- 某个消费者crash
- 新增消费者
- topic的数量发生变化
- 某个topic被删除
- partition的数量发生变化
- 删除partition
- 新增partition
- 不良影响
- 发生rebalance,所有的consumer将不再工作,共同来参与再均衡,直到每个消费者都已经被成功分配所需要消费的分区为止(rebalance结束)
消费者的分区分配策略
分区分配策略:保障每个消费者尽量能够均衡地消费分区的数据,不能出现某个消费者消费分区的数量特别多,某个消费者消费的分区特别少
- Range分配策略(范围分配策略):Kafka默认的分配策略
- n:分区的数量 / 消费者数量
- m:分区的数量 % 消费者数量
- 前m个消费者消费n+1个分区
- 剩余的消费者消费n个分区
- RoundRobin分配策略(轮询分配策略)
- 消费者挨个分配消费的分区
- Striky粘性分配策略
- 在没有发生rebalance跟轮询分配策略是一致的
- 发生了rebalance,轮询分配策略,重新走一遍轮询分配的过程。而粘性会保证跟上一次的尽量一致,只是将新的需要分配的分区,均匀的分配到现有可用的消费者中即可
- 减少上下文的切换
副本的ACK机制
producer是不断地往Kafka中写入数据,写入数据会有一个返回结果,表示是否写入成功。这里对应有一个ACKs的配置。
- acks = 0:生产者只管写入,不管是否写入成功,可能会数据丢失。性能是最好的
- acks = 1:生产者会等到leader分区写入成功后,返回成功,接着发送下一条
- acks = -1/all:确保消息写入到leader分区、还确保消息写入到对应副本都成功后,接着发送下一条,性能是最差的
根据业务情况来选择ack机制,是要求性能最高,一部分数据丢失影响不大,可以选择0/1。如果要求数据一定不能丢失,就得配置为-1/all。
分区中是有leader和follower的概念,为了确保消费者消费的数据是一致的,只能从分区leader去读写消息,follower做的事情就是同步数据,Backup。
高级API(High-Level API)、低级API(Low-Level API)
- 高级API就是直接让Kafka帮助管理、处理分配、数据
- offset存储在ZK中
- 由kafka的rebalance来控制消费者分配的分区
- 开发起来比较简单,无需开发者关注底层细节
- 无法做到细粒度的控制
- 低级API:由编写的程序自己控制逻辑
- 自己来管理Offset,可以将offset存储在ZK、MySQL、Redis、HBase、Flink的状态存储
- 指定消费者拉取某个分区的数据
- 可以做到细粒度的控制
- 原有的Kafka的策略会失效,需要我们自己来实现消费机制
Kafka原理
leader和follower
- Kafka中的leader和follower是相对分区有意义,不是相对broker
- Kafka在创建topic的时候,会尽量分配分区的leader在不同的broker中,其实就是负载均衡
- leader职责:读写数据
- follower职责:同步数据、参与选举(leader crash之后,会选举一个follower重新成为分区的leader
- 注意和ZooKeeper区分
- ZK的leader负责读、写,follower可以读取
- Kafka的leader负责读写、follower不能读写数据(确保每个消费者消费的数据是一致的),Kafka一个topic有多个分区leader,一样可以实现数据操作的负载均衡
AR\ISR\OSR
- AR表示一个topic下的所有副本
- ISR:In Sync Replicas,正在同步的副本(可以理解为当前有几个follower是存活的)
- OSR:Out of Sync Replicas,不再同步的副本
- AR = ISR + OSR
leader选举
- Controller:controller是kafka集群的老大,是针对Broker的一个角色
- Controller是高可用的,是用过ZK来进行选举
- Leader:是针对partition的一个角色
- Leader是通过ISR来进行快速选举
- 如果Kafka是基于ZK来进行选举,ZK的压力可能会比较大。例如:某个节点崩溃,这个节点上不仅仅只有一个leader,是有不少的leader需要选举。通过ISR快速进行选举。
- leader的负载均衡
- 如果某个broker crash之后,就可能会导致partition的leader分布不均匀,就是一个broker上存在一个topic下不同partition的leader
- 通过以下指令,可以将leader分配到优先的leader对应的broker,确保leader是均匀分配的
bin/kafka-leader-election.sh --bootstrap-server node1.itcast.cn:9092 --topic test --partition=2 --election-type preferred
Kafka读写流程
- 写流程
- 通过ZooKeeper找partition对应的leader,leader是负责写的
- producer开始写入数据
- ISR里面的follower开始同步数据,并返回给leader ACK
- 返回给producer ACK
- 读流程
- 通过ZooKeeper找partition对应的leader,leader是负责读的
- 通过ZooKeeper找到消费者对应的offset
- 然后开始从offset往后顺序拉取数据
- 提交offset(自动提交——每隔多少秒提交一次offset、手动提交——放入到事务中提交)
Kafka的物理存储
- Kafka的数据组织结构
- topic
- partition
- segment
- .log数据文件
- .index(稀疏索引)
- .timeindex(根据时间做的索引)
- 深入了解读数据的流程
- 消费者的offset是一个针对partition全局offset
- 可以根据这个offset找到segment段
- 接着需要将全局的offset转换成segment的局部offset
- 根据局部的offset,就可以从(.index稀疏索引)找到对应的数据位置
- 开始顺序读取
消息传递的语义性
Flink里面有对应的每种不同机制的保证,提供Exactly-Once保障(二阶段事务提交方式)
- At-most once:最多一次(只管把数据消费到,不管有没有成功,可能会有数据丢失)
- At-least once:最少一次(有可能会出现重复消费)
- Exactly-Once:仅有一次(事务性性的保障,保证消息有且仅被处理一次)
Kafka的消息不丢失
- broker消息不丢失:因为有副本relicas的存在,会不断地从leader中同步副本,所以,一个broker crash,不会导致数据丢失,除非是只有一个副本。
- 生产者消息不丢失:ACK机制(配置成ALL/-1)、配置0或者1有可能会存在丢失
- 消费者消费不丢失:重点控制offset
- At-least once:一种数据可能会重复消费
- Exactly-Once:仅被一次消费
数据积压
- 数据积压指的是消费者因为有一些外部的IO、一些比较耗时的操作(Full GC——Stop the world),就会造成消息在partition中一直存在得不到消费,就会产生数据积压
- 在企业中,我们要有监控系统,如果出现这种情况,需要尽快处理。虽然后续的Spark Streaming/Flink可以实现背压机制,但是数据累积太多一定对实时系统它的实时性是有说影响的
数据清理&配额限速
- 数据清理
- Log Deletion(日志删除):如果消息达到一定的条件(时间、日志大小、offset大小),Kafka就会自动将日志设置为待删除(segment端的后缀名会以 .delete结尾),日志管理程序会定期清理这些日志
- 默认是7天过期
- Log Compaction(日志合并)
- 如果在一些key-value数据中,一个key可以对应多个不同版本的value
- 经过日志合并,就会只保留最新的一个版本
- 配额限速
- 可以限制Producer、Consumer的速率
- 防止Kafka的速度过快,占用整个服务器(broker)的所有IO资源