消息中间件—简谈Kafka中的NIO网络通信模型

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前面写的两篇RocketMQ源码研究笔记系列：

1. 消息中间件—RocketMQ的RPC通信（一）

2. 消息中间件—RocketMQ的RPC通信（二）

基本上已经较为详细地将RocketMQ这款分布式消息队列的RPC通信部分的协议格式、消息编解码、通信方式(同步/异步/单向)、消息收发流程和Netty的Reactor多线程分离处理架构讲了一遍。同时，联想业界大名鼎鼎的另一款开源分布式消息队列—Kafka，具备高吞吐量和高并发的特性，其网络通信层是如何做到消息的高效传输的呢？为了解开自己心中的疑虑，就查阅了Kafka的Network通信模块的源码，乘机会写本篇文章。

本文主要通过对Kafka源码的分析来简述其Reactor的多线程网络通信模型和总体框架结构，同时简要介绍Kafka网络通信层的设计与具体实现。

一、Kafka网络通信模型的整体框架概述

Kafka的网络通信模型是基于NIO的Reactor多线程模型来设计的。这里先引用Kafka源码中注释的一段话：

An NIO socket server. The threading model is 1 Acceptor thread that handles new connections. Acceptor has N Processor threads that each have their own selector and read requests from sockets. M Handler threads that handle requests and produce responses back to the processor threads for writing.

相信大家看了上面的这段引文注释后，大致可以了解到Kafka的网络通信层模型，主要采用了1（1个Acceptor线程）+N（N个Processor线程）+M（M个业务处理线程）。下面的表格简要的列举了下（这里先简单的看下后面还会详细说明）：

线程数	线程名	线程具体说明
1	kafka-socket-acceptor_%x	Acceptor线程，负责监听Client端发起的请求
N	kafka-network-thread_%d	Processor线程，负责对Socket进行读写
M	kafka-request-handler-_%d	Worker线程，处理具体的业务逻辑并生成Response返回

Kafka网络通信层的完整框架图如下图所示：

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刚开始看到上面的这个框架图可能会有一些不太理解，并不要紧，这里可以先对Kafka的网络通信层框架结构有一个大致了解。本文后面会结合Kafka的部分重要源码来详细阐述上面的过程。这里可以简单总结一下其网络通信模型中的几个重要概念：

(1) Acceptor：1个接收线程，负责监听新的连接请求，同时注册OPACCEPT 事件，将新的连接按照"round robin"方式交给对应的 Processor 线程处理；

(2) Processor：N个处理器线程，其中每个 Processor 都有自己的 selector，它会向 Acceptor 分配的 SocketChannel 注册相应的 OPREAD 事件，N 的大小由“num.networker.threads”决定；

(3) KafkaRequestHandler：M个请求处理线程，包含在线程池—KafkaRequestHandlerPool内部，从RequestChannel的全局请求队列—requestQueue中获取请求数据并交给KafkaApis处理，M的大小由“num.io.threads”决定；

(4) RequestChannel：其为Kafka服务端的请求通道，该数据结构中包含了一个全局的请求队列 requestQueue和多个与Processor处理器相对应的响应队列responseQueue，提供给Processor与请求处理线程KafkaRequestHandler和KafkaApis交换数据的地方；

(5) NetworkClient：其底层是对 Java NIO 进行相应的封装，位于Kafka的网络接口层。Kafka消息生产者对象—KafkaProducer的send方法主要调用NetworkClient完成消息发送；

(6) SocketServer：其是一个NIO的服务，它同时启动一个Acceptor接收线程和多个Processor处理器线程。提供了一种典型的Reactor多线程模式，将接收客户端请求和处理请求相分离；

(7) KafkaServer：代表了一个Kafka Broker的实例；其startup方法为实例启动的入口；

(8) KafkaApis：Kafka的业务逻辑处理Api，负责处理不同类型的请求；比如“发送消息”、“获取消息偏移量—offset”和“处理心跳请求”等；

二、Kafka网络通信层的设计与具体实现

这一节将结合Kafka网络通信层的源码来分析其设计与实现，这里主要详细介绍网络通信层的几个重要元素——SocketServer、Acceptor、Processor、RequestChannel、KafkaRequestHandler 和 KafkaApis。本文分析的源码部分均基于 Kafka 的 0.11.0 版本。

1、SocketServer

SocketServer是接收客户端Socket请求连接、处理请求并返回处理结果的核心类，Acceptor及Processor的初始化、处理逻辑都是在这里实现的。在KafkaServer实例启动时会调用其startup的初始化方法，会初始化1个 Acceptor和N个Processor线程（每个EndPoint都会初始化，一般来说一个Server只会设置一个端口），其实现如下：

def startup() {
this.synchronized {
connectionQuotas = new ConnectionQuotas(maxConnectionsPerIp, maxConnectionsPerIpOverrides)
val sendBufferSize = config.socketSendBufferBytes
val recvBufferSize = config.socketReceiveBufferBytes
val brokerId = config.brokerId
var processorBeginIndex = 0
// 一个broker一般只设置一个端口
config.listeners.foreach { endpoint =>
val listenerName = endpoint.listenerName
val securityProtocol = endpoint.securityProtocol
val processorEndIndex = processorBeginIndex + numProcessorThreads
//N 个 processor
for (i <- processorBeginIndex until processorEndIndex)
processors(i) = newProcessor(i, connectionQuotas, listenerName, securityProtocol, memoryPool)
//1个 Acceptor
val acceptor = new Acceptor(endpoint, sendBufferSize, recvBufferSize, brokerId,
processors.slice(processorBeginIndex, processorEndIndex), connectionQuotas)
acceptors.put(endpoint, acceptor)
KafkaThread.nonDaemon(s"kafka-socket-acceptor-$listenerName-$securityProtocol-${endpoint.port}", acceptor).start()
acceptor.awaitStartup()
processorBeginIndex = processorEndIndex
}
}

2、Acceptor

Acceptor是一个继承自抽象类AbstractServerThread的线程类。Acceptor的主要任务是监听并且接收客户端的请求，同时建立数据传输通道—SocketChannel，然后以轮询的方式交给一个后端的Processor线程处理（具体的方式是添加socketChannel至并发队列并唤醒Processor线程处理）。

在该线程类中主要可以关注以下两个重要的变量：

(1) nioSelector：通过NSelector.open()方法创建的变量，封装了JAVA NIO Selector的相关操作；

(2) serverChannel：用于监听端口的服务端Socket套接字对象；

下面来看下Acceptor主要的run方法的源码：

def run() {
//首先注册OP_ACCEPT事件
serverChannel.register(nioSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT)
startupComplete()
try {
var currentProcessor = 0
//以轮询方式查询并等待关注的事件发生
while (isRunning) {
try {
val ready = nioSelector.select(500)
if (ready > 0) {
val keys = nioSelector.selectedKeys()
val iter = keys.iterator()
while (iter.hasNext && isRunning) {
try {
val key = iter.next
iter.remove()
if (key.isAcceptable)
//如果事件发生则调用accept方法对OP_ACCEPT事件处理
accept(key, processors(currentProcessor))
else
throw new IllegalStateException("Unrecognized key state for acceptor thread.")
//轮询算法
// round robin to the next processor thread
currentProcessor = (currentProcessor + 1) % processors.length
} catch {
case e: Throwable => error("Error while accepting connection", e)
}
}
}
}
//代码省略
}
def accept(key: SelectionKey, processor: Processor) {
val serverSocketChannel = key.channel().asInstanceOf[ServerSocketChannel]
val socketChannel = serverSocketChannel.accept()
try {
connectionQuotas.inc(socketChannel.socket().getInetAddress)
socketChannel.configureBlocking(false)
socketChannel.socket().setTcpNoDelay(true)
socketChannel.socket().setKeepAlive(true)
if (sendBufferSize != Selectable.USE_DEFAULT_BUFFER_SIZE)
socketChannel.socket().setSendBufferSize(sendBufferSize)
processor.accept(socketChannel)
} catch {
//省略部分代码
}
}
def accept(socketChannel: SocketChannel) {
newConnections.add(socketChannel)
wakeup()
}

在上面源码中可以看到，Acceptor线程启动后，首先会向用于监听端口的服务端套接字对象—ServerSocketChannel上注册OPACCEPT 事件。然后以轮询的方式等待所关注的事件发生。如果该事件发生，则调用accept()方法对OPACCEPT事件进行处理。这里，Processor是通过round robin方法选择的，这样可以保证后面多个Processor线程的负载基本均匀。 Acceptor的accept()方法的作用主要如下：

(1) 通过SelectionKey取得与之对应的serverSocketChannel实例，并调用它的accept()方法与客户端建立连接；

(2) 调用connectionQuotas.inc()方法增加连接统计计数；并同时设置第 (1) 步中创建返回的socketChannel属性（如sendBufferSize、KeepAlive、TcpNoDelay、configureBlocking等）；

(3) 将socketChannel交给processor.accept()方法进行处理。这里主要是将socketChannel加入Processor处理器的并发队列newConnections队列中，然后唤醒Processor线程从队列中获取socketChannel并处理。其中，newConnections会被Acceptor线程和Processor线程并发访问操作，所以newConnections是ConcurrentLinkedQueue队列（一个基于链接节点的无界线程安全队列）

3、Processor

Processor同Acceptor一样，也是一个线程类，继承了抽象类AbstractServerThread。其主要是从客户端的请求中读取数据和将KafkaRequestHandler处理完响应结果返回给客户端。在该线程类中主要关注以下几个重要的变量：

(1) newConnections：在上面的Acceptor一节中已经提到过，它是一种ConcurrentLinkedQueue[SocketChannel]类型的队列，用于保存新连接交由Processor处理的socketChannel；

(2) inflightResponses：是一个Map[String, RequestChannel.Response]类型的集合，用于记录尚未发送的响应；

(3) selector：是一个类型为KSelector变量，用于管理网络连接；下面先给出Processor处理器线程run方法执行的流程图：

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从上面的流程图中能够可以看出Processor处理器线程在其主流程中主要完成了这样子几步操作：

(1) 处理newConnections队列中的socketChannel。遍历取出队列中的每个socketChannel并将其在selector上注册OPREAD事件；

(2) 处理RequestChannel中与当前Processor对应响应队列中的Response。在这一步中会根据responseAction的类型（NoOpAction/SendAction/CloseConnectionAction）进行判断，若为“NoOpAction”，表示该连接对应的请求无需响应；若为“SendAction”，表示该Response需要发送给客户端，则会通过“selector.send”注册OPWRITE事件，并且将该Response从responseQueue响应队列中移至inflightResponses集合中；“CloseConnectionAction”，表示该连接是要关闭的；

(3) 调用selector.poll()方法进行处理。该方法底层即为调用nioSelector.select()方法进行处理。

(4) 处理已接受完成的数据包队列—completedReceives。在processCompletedReceives方法中调用“requestChannel.sendRequest”方法将请求Request添加至requestChannel的全局请求队列—requestQueue中，等待KafkaRequestHandler来处理。同时，调用“selector.mute”方法取消与该请求对应的连接通道上的OPREAD事件；

(5) 处理已发送完的队列—completedSends。当已经完成将response发送给客户端，则将其从inflightResponses移除，同时通过调用“selector.unmute”方法为对应的连接通道重新注册OPREAD事件；

(6) 处理断开连接的队列。将该response从inflightResponses集合中移除，同时将connectionQuotas统计计数减1；

4、RequestChannel

在Kafka的网络通信层中，RequestChannel为Processor处理器线程与KafkaRequestHandler线程之间的数据交换提供了一个数据缓冲区，是通信过程中Request和Response缓存的地方。因此，其作用就是在通信中起到了一个数据缓冲队列的作用。Processor线程将读取到的请求添加至RequestChannel的全局请求队列—requestQueue中；KafkaRequestHandler线程从请求队列中获取并处理，处理完以后将Response添加至RequestChannel的响应队列—responseQueue中，并通过responseListeners唤醒对应的Processor线程，最后Processor线程从响应队列中取出后发送至客户端。

5、KafkaRequestHandler

KafkaRequestHandler也是一种线程类，在KafkaServer实例启动时候会实例化一个线程池—KafkaRequestHandlerPool对象（包含了若干个KafkaRequestHandler线程），这些线程以守护线程的方式在后台运行。在KafkaRequestHandler的run方法中会循环地从RequestChannel中阻塞式读取request，读取后再交由KafkaApis来具体处理。

6、KafkaApis

KafkaApis是用于处理对通信网络传输过来的业务消息请求的中心转发组件。该组件反映出Kafka Broker Server可以提供哪些服务。

三、总结

仔细阅读Kafka的NIO网络通信层的源码过程中还是可以收获不少关于NIO网络通信模块的关键技术。Apache的任何一款开源中间件都有其设计独到之处，值得借鉴和学习。对于任何一位使用Kafka这款分布式消息队列的同学来说，如果能够在一定实践的基础上，再通过阅读其源码能起到更为深入理解的效果，对于大规模Kafka集群的性能调优和问题定位都大有裨益。对于刚接触Kafka的同学来说，想要自己掌握其NIO网络通信层模型的关键设计，还需要不断地使用本地环境进行debug调试和阅读源码反复思考。限于笔者的才疏学浅，对本文内容可能还有理解不到位的地方，如有阐述不合理之处还望留言一起探讨。后续还会根据自己的实践和研发，陆续发布关于Kafka分布式消息队列的其他相关技术文章，敬请关注。