科普文:万字梳理高性能 Kafka快的8个原因

概叙

科普文:万字详解Kafka基本原理和应用-CSDN博客

科普文:万字梳理31个Kafka问题-CSDN博客

我们都知道 Kafka 是基于磁盘进行存储的,但 Kafka 官方又称其具有高性能、高吞吐、低延时的特点,其吞吐量动辄几十上百万。

在座的靓仔和靓女们是不是有点困惑了,一般认为在磁盘上读写数据是会降低性能的,因为寻址会比较消耗时间。那 Kafka 又是怎么做到其吞吐量动辄几十上百万的呢?

Kafka 通过无锁轻量级 offset 的设计,实现了高性能、高吞吐和低延时的目标。

其 Reactor I/O 网络模型、磁盘顺序写入、内存映射文件、零拷贝、数据压缩和批量处理等技术,为 Kafka 提供了强大的数据处理能力和高效的消息队列服务。

  • Reactor I/O 网络模型:通过 I/O 多路复用机制,Kafka 能够同时处理大量的网络连接请求,而不需要为每个连接创建一个线程,从而节省了系统资源。

  • 顺序写入:Kafka 使用顺序写入的方式将消息追加到日志文件的末尾,避免了文件位置的频繁变动,从而减少了锁的使用。

  • MMAP 内存映射文件:Kafka 使用内存映射文件(Memory Mapped File)来访问日志数据和索引文件。这种方式使得文件数据可以直接映射到进程的虚拟地址空间中,从而减少了系统调用的开销,提高了数据访问的效率。

  • 零拷贝:Kafka 使用零拷贝(Zero Copy)技术,将数据从磁盘直接传输到网络,绕过了用户态的复制过程,大大提高了数据传输的效率。

  • 数据压缩和批量处理:数据压缩在 Kafka 中有助于减少磁盘空间的使用和网络带宽的消耗,从而提升整体性能。;Kafka 支持批量处理消息,在一个批次中同时处理多个消息,减少了网络和 I/O 的开销。

下面将详细说明这8点

01Kafka Reactor I/O 网络模型

Reactor I/O 网络模型是一种非阻塞 I/O 模型,利用事件驱动机制来处理网络请求。

该模型通过 Reactor 模式实现,即一个或多个 I/O 多路复用器(如 Java 的 Selector)监听多个通道的事件,当某个通道准备好进行 I/O 操作时,触发相应的事件处理器进行处理。

这种模型在高并发场景下具有很高的效率,能够同时处理大量的网络连接请求,而不需要为每个连接创建一个线程,从而节省系统资源。

Reactor 线程模型如图 2 所示。

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图 2

Reacotr 模型主要分为三个角色。

  • Reactor:把 I/O 事件根据类型分配给分配给对应的 Handler 处理。

  • Acceptor:处理客户端连接事件。

  • Handler:处理读写等任务。

Kafka 基于 Reactor 模型架构如图 3 所示。

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图 3

Kafka 的网络通信模型基于 NIO(New Input/Output)库,通过 Reactor 模式实现,具体包括以下几个关键组件:

  • SocketServer:管理所有的网络连接,包括初始化 Acceptor 和 Processor 线程。

  • Acceptor:监听客户端的连接请求,并将其分配给 Processor 线程。Acceptor 使用 Java NIO 的 Selector 进行 I/O 多路复用,并注册 OP_ACCEPT 事件来监听新的连接请求。每当有新的连接到达时,Acceptor 会接受连接并创建一个 SocketChannel,然后将其分配给一个 Processor 线程进行处理。

  • Processor:处理具体的 I/O 操作,包括读取客户端请求和写入响应数据。Processor 同样使用 Selector 进行 I/O 多路复用,注册 OP_READ 和 OP_WRITE 事件来处理读写操作。每个 Processor 线程都有一个独立的 Selector,用于管理多个 SocketChannel

  • RequestChannel:充当 Processor 和请求处理线程之间的缓冲区,存储请求和响应数据。Processor 将读取的请求放入 RequestChannel 的请求队列,而请求处理线程则从该队列中取出请求进行处理。

  • KafkaRequestHandler:请求处理线程,从 RequestChannel 中读取请求,调用 KafkaApis 进行业务逻辑处理,并将响应放回 RequestChannel 的响应队列。KafkaRequestHandler 线程池中的线程数量由配置参数 num.io.threads 决定。

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图 4

Chaya:该模型和如何提高 kafka 的性能和效率?

高并发处理能力:通过 I/O 多路复用机制,Kafka 能够同时处理大量的网络连接请求,而不需要为每个连接创建一个线程,从而节省了系统资源。

低延迟:非阻塞 I/O 操作避免了线程的阻塞等待,使得 I/O 操作能够更快地完成,从而降低了系统的响应延迟。

资源节省:通过减少线程的数量和上下文切换,Kafka 在处理高并发请求时能够更有效地利用 CPU 和内存资源。

扩展性强:Reactor 模式的分层设计使得 Kafka 的网络模块具有很好的扩展性,可以根据需要增加更多的 I/O 线程或调整事件处理器的逻辑。

02零拷贝技术的运用

零拷贝技术是一种计算机操作系统技术,用于在内存和存储设备之间进行数据传输时,避免 CPU 的参与,从而减少 CPU 的负担并提高数据传输效率。

Kafka 使用零拷贝技术来优化数据传输,特别是在生产者将数据写入 Kafka 和消费者从 Kafka 读取数据的过程中。在 Kafka 中,零拷贝主要通过以下几种方式实现:

  • sendfile() 系统调用:在发送数据时,Kafka 使用操作系统的 sendfile() 系统调用直接将文件从磁盘发送到网络套接字,而无需将数据复制到应用程序的用户空间。这减少了数据复制次数,提高了传输效率。

  • 文件内存映射(Memory-Mapped Files):Kafka 使用文件内存映射技术(mmap),将磁盘上的日志文件映射到内存中,使得读写操作可以在内存中直接进行,无需进行额外的数据复制。

比如 Broker 读取磁盘数据并把数据发送给 Consumer 的过程,传统 I/O 经历以下步骤。

  1. 读取数据:通过read 系统调用将磁盘数据通过 DMA copy 到内核空间缓冲区(Read buffer)。

  2. 拷贝数据:将数据从内核空间缓冲区(Read buffer) 通过 CPU copy 到用户空间缓冲区(Application buffer)。

  3. 写入数据:通过write()系统调用将数据从用户空间缓冲区(Application) CPU copy 到内核空间的网络缓冲区(Socket buffer)。

  4. 发送数据:将内核空间的网络缓冲区(Socket buffer)DMA copy 到网卡目标端口,通过网卡将数据发送到目标主机。

这一过程经过的四次 copy 如图 5 所示。

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图 5

Chaya:零拷贝技术如何提高 Kakfa 的性能?

零拷贝技术通过减少 CPU 负担和内存带宽消耗,提高了 Kakfa 性能。

  • 降低 CPU 使用率:由于数据不需要在内核空间和用户空间之间多次复制,CPU 的参与减少,从而降低了 CPU 使用率,腾出更多的 CPU 资源用于其他任务。

  • 提高数据传输速度:直接从磁盘到网络的传输路径减少了中间步骤,使得数据传输更加高效,延迟更低。

  • 减少内存带宽消耗:通过减少数据在内存中的复制次数,降低了内存带宽的消耗,使得系统能够处理更多的并发请求。

03Partition 并发和分区负载均衡

在说 Topic patition 分区并发之前,我们先了解下 kafka 架构设计。

03.1Kafka 架构

一个典型的 Kafka 架构包含以下几个重要组件,如图 6 所示。

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图 6

  1. Producer(生产者):发送消息的一方,负责发布消息到 Kafka 主题(Topic)。

  2. Consumer(消费者):接受消息的一方,订阅主题并处理消息。Kafka 有ConsumerGroup 的概念,每个Consumer 只能消费所分配到的 Partition 的消息,每一个Partition只能被一个ConsumerGroup 中的一个Consumer 所消费,所以同一个ConsumerGroup 中Consumer 的数量如果超过了Partiton 的数量,将会出现有些Consumer 分配不到 partition 消费。

  3. Broker(代理):服务代理节点,Kafka 集群中的一台服务器就是一个 broker,可以水平无限扩展,同一个 Topic 的消息可以分布在多个 broker 中

  4. Topic(主题)与 Partition(分区) :Kafka 中的消息以 Topic 为单位进行划分,生产者将消息发送到特定的 Topic,而消费者负责订阅 Topic 的消息并进行消费。图中 TopicA 有三个 Partiton(TopicA-par0、TopicA-par1、TopicA-par2)

    为了提升整个集群的吞吐量,Topic 在物理上还可以细分多个Partition,一个 Partition 在磁盘上对应一个文件夹。

  5. Replica(副本):副本,是 Kafka 保证数据高可用的方式,Kafka 同一 Partition 的数据可以在多 Broker 上存在多个副本,通常只有 leader 副本对外提供读写服务,当 leader副本所在 broker 崩溃或发生网络一场,Kafka 会在 Controller 的管理下会重新选择新的 Leader 副本对外提供读写服务。

  6. ZooKeeper:管理 Kafka 集群的元数据和分布式协调。

03.2Topic 主题

Topic 是 Kafka 中数据的逻辑分类单元,可以理解成一个队列。Broker 是所有队列部署的机器,Producer 将消息发送到特定的 Topic,而 Consumer 则从特定的 Topic 中消费消息。

03.3Partition

为了提高并行处理能力和扩展性,Kafka 将一个 Topic 分为多个 Partition。每个 Partition 是一个有序的消息队列,消息在 Partition 内部是有序的,但在不同的 Partition 之间没有顺序保证。

Producer 可以并行地将消息发送到不同的 Partition,Consumer 也可以并行地消费不同的 Partition,从而提升整体处理能力。

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因此,可以说,每增加一个 Paritition 就增加了一个消费并发。Partition的引入不仅提高了系统的可扩展性,还使得数据处理更加灵活。

03.4Partition 分区策略

码楼:“生产者将消息发送到哪个分区是如何实现的?不合理的分配会导致消息集中在某些 Broker 上,岂不是完犊子。”

主要有以下几种分区策略:

  1. 轮询策略:也称Round-robin策略,即顺序分配。

  2. 随机策略:也称Randomness策略。所谓随机就是我们随意地将消息放置到任意一个分区上。

  3. 按消息键保序策略

  4. 基于地理位置分区策略。

轮询策略

比如一个 Topic 下有 3个分区,那么第一条消息被发送到分区0,第二条被发送到分区1,第三条被发送到分区2,以此类推。

当生产第4条消息时又会重新开始,即将其分配到分区0,如图 5 所示。

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轮询策略有非常优秀的负载均衡表现,它总是能保证消息最大限度地被平均分配到所有分区上,故默认情况下它是最合理的分区策略,也是我们最常用的分区策略之一。

随机策略

所谓随机就是我们随意地将消息放置到任意一个分区上。如图所示,9 条消息随机分配到不同分区。

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按消息键分配策略

一旦消息被定义了 Key,那么你就可以保证同一个 Key 的所有消息都进入到相同的分区里面,比如订单 ID,那么绑定同一个 订单 ID 的消息都会发布到同一个分区,由于每个分区下的消息处理都是有顺序的,故这个策略被称为按消息键保序策略,如图所示。

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基于地理位置

这种策略一般只针对那些大规模的 Kafka 集群,特别是跨城市、跨国家甚至是跨大洲的集群。

我们就可以根据 Broker 所在的 IP 地址实现定制化的分区策略。比如下面这段代码:

List<PartitionInfo> partitions = cluster.partitionsForTopic(topic);
return partitions.stream().filter(p -> isSouth(p.leader().host())).map(PartitionInfo::partition).findAny().get();

我们可以从所有分区中找出那些Leader副本在南方的所有分区,然后随机挑选一个进行消息发送。

04Segment 日志文件和稀疏索引

前面已经介绍过,Kafka 的 Topic 可以分为多个 Partition,每个 Partition 有多个副本,你可以理解为副本才是存储消息的物理存在。其实每个副本都是以日志(Log)的形式存储。

码楼:“日志文件过大怎么办?”

为了解决单一日志文件过大的问题,kafka采用了分段(Segment)的形式进行存储

所谓 Segment,就是当一个日志文件大小到达一定条件之后,就新建一个新的 Segment,然后在新的Segment写入数据。Topic、Partition、和日志的关系如图 8 所示。

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图 8

一个 segment 对应磁盘上多个文件。

  • .index : 消息的 offset 索引文件。

  • .timeindex : 消息的时间索引文件(0.8版本加入的)。

  • .log  : 存储实际的消息数据。

  • .snapshot : 记录了 producer 的事务信息。

  • .swap : 用于 Segment 恢复。

  • .txnindex 文件,记录了中断的事务信息。

.log 文件存储实际的 message,kafka为每一个日志文件添加了2 个索引文件 .index以及 .timeindex

segment 文件命名规则:partition 第一个 segment 从 0 开始,后续每个 segment 文件名为上一个 segment 文件最后一条消息的 offset 值。数值最大为 64 位 long 大小,19 位数字字符长度,没有数字用 0 填充。

码楼:“为什么要有 .index 文件?”

为了提高查找消息的性能。kafka 为消息数据建了两种稀疏索引,一种是方便 offset 查找的 .index 稀疏索引,还有一种是方便时间查找的 .timeindex 稀疏索引

04.1稀疏索引

Chaya:“为什么不创建一个哈希索引,从 offset 到物理消息日志文件偏移量的映射关系?”

万万不可,Kafka 作为海量数据处理的中间件,每秒高达几百万的消息写入,这个哈希索引会把把内存撑爆炸。

稀疏索引不会为每个记录都保存索引,而是写入一定的记录之后才会增加一个索引值,具体这个间隔有多大则通过 log.index.interval.bytes 参数进行控制,默认大小为 4 KB,意味着 Kafka 至少写入 4KB 消息数据之后,才会在索引文件中增加一个索引项。

哈希稀疏索引把消息划分为多个 block ,只索引每个 block 第一条消息的 offset 即可 。

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  • Offset 偏移量:表示第几个消息。

  • position:消息在磁盘的物理位置。

Chaya:如果消费者要查找 Offset 为 4 的消息,查找过程是怎样的?

  • 首先用二分法定位消息在哪个 Segment ,Segment 文件命名是 Partition 第一个 segment 从 0 开始,后续每个 segment 文件名为上一个 segment 文件最后一条消息的 offset 值。

  • 打开这个 Segment 对应的 index 索引文件,用二分法查找 offset 不大于 4 的索引条目,对应上图第二条条目,也就是 offset = 3 的那个索引。通过索引我们可以知道 offset 为 4 的消息所在的日志文件磁盘物理位置为 495。

  • 打开日志文件,从 Position 为 495 位置开始开始顺序扫描文件,将扫描过程中每条消息的 offset 与 4 比较,直到找到 offset 为 4 的那条Message。

.timeindex 文件同理,只不过它的查找结果是 offset,之后还要在走一遍 .index 索引查找流程。

由于 kafka 设计为顺序读写磁盘,因此遍历区间的数据并对速度有太大的影响,而选择稀疏索引还能节约大量的磁盘空间。

04.2mmap

有了稀疏索引,当给定一个 offset 时,Kafka 采用的是二分查找来扫描索引定位不大于 offset 的物理位移 position,再到日志文件找到目标消息。

利用稀疏索引,已经基本解决了高效查询的问题,但是这个过程中仍然有进一步的优化空间,那便是通过 mmap(memory mapped files) 读写上面提到的稀疏索引文件,进一步提高查询消息的速度

就是基于 JDK nio 包下的 MappedByteBuffer 的 map 函数,将磁盘文件映射到内存中。

进程通过调用mmap系统函数,将文件或物理内存的一部分映射到其虚拟地址空间。这个过程中,操作系统会为映射的内存区域分配一个虚拟地址,并将这个地址与文件或物理内存的实际内容关联起来。

一旦内存映射完成,进程就可以通过指针直接访问映射的内存区域。这种访问方式就像访问普通内存一样简单和高效。

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图引自《码农的荒岛求生》

05顺序读写磁盘

码楼:“不管如何,Kafka 读写消息都要读写磁盘,如何变快呢?”

磁盘就一定很慢么?人们普遍错误地认为硬盘很慢。然而,存储介质的性能,很大程度上依赖于数据被访问的模式。

同样在一块普通的7200 RPM SATA硬盘上,随机I/O(random I/O)与顺序I/O相比,随机I/O的性能要比顺序I/O慢3到4个数量级。

合理的方式可以让磁盘写操作更加高效,减少了寻道时间和旋转延迟。

码楼,你还留着课本吗?来,翻到讲磁盘的章节,让我们回顾一下磁盘的运行原理。

码楼:“鬼还留着哦,课程还没上到一半书就没了。要不是考试俺眼神好,就挂科了。”

磁盘的运行原理如图所示。

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硬盘在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区。硬盘的每个盘片的每个面都有一个读写磁头。

完成一次磁盘 I/O ,需要经过寻道旋转数据传输三个步骤。

  1. 寻道:首先必须找到柱面,即磁头需要移动到相应磁道,这个过程叫做寻道,所耗费时间叫做寻道时间。寻道时间越短,I/O 操作越快,目前磁盘的平均寻道时间一般在 3-15ms。

  2. 旋转:磁盘旋转将目标扇区旋转到磁头下。这个过程耗费的时间叫做旋转时间。旋转延迟取决于磁盘转速,通常用磁盘旋转一周所需时间的 1/2 表示。比如:7200rpm 的磁盘平均旋转延迟大约为 60*1000/7200/2 = 4.17ms,而转速为 15000rpm 的磁盘其平均旋转延迟为 2ms。

  3. 数据传输:数据在磁盘与内存之间的实际传输。

因此,如果在写磁盘的时候省去寻道旋转可以极大地提高磁盘读写的性能。

Kafka 采用顺序写文件的方式来提高磁盘写入性能。顺序写文件,顺序 I/O 的时候,磁头几乎不用换道,或者换道的时间很短。减少了磁盘寻道旋转的次数。磁头再也不用在磁道上乱舞了,而是一路向前飞速前行。

Kafka 中每个Partition 是一个有序的,不可变的消息序列,新的消息可以不断追加到 Partition 的末尾,在 Kafka 中 Partition 只是一个逻辑概念,每个Partition 划分为多个 Segment,每个 Segment 对应一个物理文件,Kafka 对 Segment 文件追加写,这就是顺序写文件。

每条消息在发送前会根据负载均衡策略计算出要发往的目标 Partition 中,broker 收到消息之后把该条消息按照追加的方式顺序写入 Partition 的日志文件中。

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如下图所示,可以看到磁盘顺序写的性能远高于磁盘随机写,甚至比内存随机写还快。

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06PageCache

Chaya:“码哥,使用稀疏索引和 mmap 内存映射技术提高读消息的性能;Topic Partition 加磁盘顺序写持久化消息的设计已经很快了,但是与内存顺序写还是慢了,还有优化空间么?”

小姑娘,你的想法很好,作为快到令人发指的 Kafka,确实想到了一个方式来提高读写写磁盘文件的性能。这就是接下来的主角 Page Cache 。

简而言之:利用操作系统的缓存技术,在读写磁盘日志文件时,操作的是内存,而不是文件,由操作系统决定什么在某个时间将 Page Cache 的数据刷写到磁盘中。

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  1. Producer 发送消息到 Broker 时,Broker 会使用 pwrite() 系统调用写入数据,此时数据都会先写入page cache

  2. Consumer 消费消息时,Broker 使用 sendfile() 系统调用函数,通零拷贝技术地将 Page Cache 中的数据传输到 Broker 的 Socket buffer,再通过网络传输到 Consumer。

  3. leader 与 follower 之间的同步,与上面 consumer 消费数据的过程是同理的。

Kafka重度依赖底层操作系统提供的PageCache功能。当上层有写操作时,操作系统只是将数据写入PageCache,同时标记Page属性为Dirty。

当读操作发生时,先从PageCache中查找,如果发生缺页才进行磁盘调度,最终返回需要的数据。

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于是我们得到一个重要结论:如果Kafka producer的生产速率与consumer的消费速率相差不大,那么就能几乎只靠对broker page cache的读写完成整个生产-消费过程,磁盘访问非常少。

实际上PageCache是把尽可能多的空闲内存都当做了磁盘缓存来使用。

07数据压缩和批量处理

数据压缩在 Kafka 中有助于减少磁盘空间的使用和网络带宽的消耗,从而提升整体性能。

通过减少消息的大小,压缩可以显著降低生产者和消费者之间的数据传输时间。

Chaya:Kafka 支持的压缩算法有哪些?

在Kafka 2.1.0版本之前,Kafka支持3种压缩算法:GZIP、Snappy和LZ4。从2.1.0开始,Kafka正式支持Zstandard算法(简写为zstd)。

Chaya:这么多压缩算法,我如何选择?

一个压缩算法的优劣,有两个重要的指标:压缩比,文件压缩前的大小与压缩后的大小之比,比如源文件占用 1000 M 内存,经过压缩后变成了 200 M,压缩比 = 1000 /200 = 5,压缩比越高越高;另一个指标是压缩/解压缩吞吐量,比如每秒能压缩或者解压缩多少 M 数据,吞吐量越高越好。

07.1生产者压缩

Kafka 的数据压缩主要在生产者端进行。具体步骤如下:

  1. 生产者配置压缩方式:在 KafkaProducer 配置中设置 compression.type 参数,可以选择 gzipsnappylz4 或 zstd

  2. 消息压缩:生产者将消息批量收集到一个 batch 中,然后对整个 batch 进行压缩。这种批量压缩方式可以获得更高的压缩率。

  3. 压缩消息存储:压缩后的 batch 以压缩格式存储在 Kafka 的主题(Topic)分区中。

  4. 消费者解压缩:消费者从 Kafka 主题中获取消息时,首先对接收到的 batch 进行解压缩,然后处理其中的每一条消息。

07.2解压缩

有压缩,那必有解压缩。通常情况下,Producer 发送压缩后的消息到 Broker ,原样保存起来。

Consumer 消费这些消息的时候,Broker 原样发给 Consumer,由 Consumer 执行解压缩还原出原本的信息。

Chaya:Consumer 咋知道用什么压缩算法解压缩?

Kafka会将启用了哪种压缩算法封装进消息集合中,这样当Consumer读取到消息集合时,它自然就知道了这些消息使用的是哪种压缩算法。

总之一句话:Producer端压缩、Broker端保持、Consumer端解压缩。

07.3批量数据处理

Kafka Producer 向 Broker 发送消息不是一条消息一条消息的发送,将多条消息打包成一个批次发送。

批量数据处理可以显著提高 Kafka 的吞吐量并减少网络开销。

Kafka Producer 的执行流程如下图所示:

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发送消息依次经过以下处理器:

  • Serialize:键和值都根据传递的序列化器进行序列化。优秀的序列化方式可以提高网络传输的效率。

  • Partition:决定将消息写入主题的哪个分区,默认情况下遵循 murmur2 算法。自定义分区程序也可以传递给生产者,以控制应将消息写入哪个分区。

  • Compression:默认情况下,在 Kafka 生产者中不启用压缩。Compression 不仅可以更快地从生产者传输到代理,还可以在复制过程中进行更快的传输。压缩有助于提高吞吐量,降低延迟并提高磁盘利用率。

  • Record Accumulator:Accumulate顾名思义,就是一个消息累计器。其内部为每个 Partition 维护一个Deque双端队列,队列保存将要发送的 Batch批次数据Accumulate将数据累计到一定数量,或者在一定过期时间内,便将数据以批次的方式发送出去。记录被累积在主题每个分区的缓冲区中。根据生产者批次大小属性将记录分组。主题中的每个分区都有一个单独的累加器 / 缓冲区。

  • Group Send:记录累积器中分区的批次按将它们发送到的代理分组。批处理中的记录基于 batch.size 和 linger.ms 属性发送到代理。记录由生产者根据两个条件发送。当达到定义的批次大小或达到定义的延迟时间时。

  • Send Thread:发送线程,从 Accumulator 的队列取出待发送的 Batch 批次消息发送到 Broker。

  • Broker 端处理:Kafka Broker 接收到 batch 后,将其存储在对应的主题分区中。

  • 消费者端的批量消费:消费者可以配置一次拉取多条消息的数量,通过 fetch.min.bytes 和 fetch.max.wait.ms 参数控制批量大小和等待时间。

08无锁轻量级 offset

Offset 是 Kafka 中的一个重要概念,用于标识消息在分区中的位置。

每个分区中的消息都有一个唯一的 offset,消费者通过维护自己的 offset 来确保准确消费消息。offset 的高效管理对于 Kafka 的性能至关重要。

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offset 是从 0 开始的,每当有新的消息写入分区时,offset 就会加 1。offset 是不可变的,即使消息被删除或过期,offset 也不会改变或重用。

Consumer需要向Kafka汇报自己的位移数据,这个汇报过程被称为提交位移(Committing Offsets)。因为Consumer能够同时消费多个partition的数据,所以位移的提交实际上是在partition粒度上进行的,即Consumer需要为分配给它的每个partition提交各自的位移数据

提交位移主要是为了表征Consumer的消费进度,这样当Consumer发生故障重启之后,就能够从Kafka中读取之前提交的位移值,然后从相应的位移处继续消费。

在传统的消息队列系统中,offset 通常需要通过锁机制来保证一致性,但这会带来性能瓶颈。Kafka 的设计哲学是尽量减少锁的使用,以提升并发处理能力和整体性能。

08.1无锁设计思想

Kafka 在 offset 设计中采用了一系列无锁的技术,使其能够在高并发的环境中保持高效。

  • 顺序写入:Kafka 使用顺序写入的方式将消息追加到日志文件的末尾,避免了文件位置的频繁变动,从而减少了锁的使用。

  • MMAP 内存映射文件:Kafka 使用内存映射文件(Memory Mapped File)来访问日志数据和索引文件。这种方式使得文件数据可以直接映射到进程的虚拟地址空间中,从而减少了系统调用的开销,提高了数据访问的效率。

  • 零拷贝:Kafka 使用零拷贝(Zero Copy)技术,将数据从磁盘直接传输到网络,绕过了用户态的复制过程,大大提高了数据传输的效率。

  • 批量处理:Kafka 支持批量处理消息,在一个批次中同时处理多个消息,减少了网络和 I/O 的开销。

08.2消费者 Offset 管理流程

graph TD;A[启动消费者] --> B[从分区读取消息];B --> C[处理消息];C --> D{是否成功处理?};D --> |是| E[更新 Offset];D --> |否| F[记录失败, 重新处理];E --> G[提交 Offset];G --> H[继续处理下一个消息];F --> B;H --> B;
  • 启动消费者:消费者启动并订阅 Kafka 主题的某个分区。

  • 从分区读取消息:消费者从指定分区中读取消息。

  • 处理消息:消费者处理读取到的消息。

  • 是否成功处理:判断消息是否成功处理。

    • 如果成功处理,更新 Offset。

    • 如果处理失败,记录失败原因并准备重新处理。

  • 更新 Offset:成功处理消息后,更新 Offset 以记录已处理消息的位置。

  • 提交 Offset:将更新后的 Offset 提交到 Kafka,以确保消息处理进度的持久化。

  • 继续处理下一个消息:提交 Offset 后,继续读取并处理下一个消息。

Kafka 通过无锁轻量级 offset 的设计,实现了高性能、高吞吐和低延时的目标。

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商品的每一条规格和属性在数据库里都是单一的一条数据&#xff0c;从数据库里查出来后&#xff0c;该怎么归类为对应的规格和属性值&#xff1f;如下图&#xff1a; 在商城模块&#xff0c;商品的单规格、多规格、单属性、多属性功能可以说是非常完整&#xff0c;如下图&#x…

web、http协议、apache服务、nginx服务

web基本概念和常识 概念 web&#xff1a;为用户提供的一种在互联网上浏览信息的服务&#xff0c;是动态的、可交互的、跨平台的和图形化的&#xff1b; 为用户提供各种互联网服务&#xff0c;这些服务包括浏览服务以及各种交互式服务&#xff0c;包括聊天、购物等&#xff1…

shp格式数据详解

还是大剑师兰特&#xff1a;曾是美国某知名大学计算机专业研究生&#xff0c;现为航空航海领域高级前端工程师&#xff1b;CSDN知名博主&#xff0c;GIS领域优质创作者&#xff0c;深耕openlayers、leaflet、mapbox、cesium&#xff0c;canvas&#xff0c;webgl&#xff0c;ech…

MATLAB中“varargin”的作用

varargin是什么&#xff1f; 在MATLAB中&#xff0c;varargin是一个特殊的变量&#xff0c;用于接收函数输入参数中的可变数量的参数。它允许用户在调用函数时传递不确定数量的参数。 varargin的本质是一个包含了所有可变参数的cell数组。在函数内部&#xff0c;可以使用cell…

鸿蒙HarmonyOS开发:@Observed装饰器和@ObjectLink装饰器:嵌套类对象属性变化

文章目录 一、装饰器二、概述三、限制条件四、装饰器说明五、Toggle组件1、子组件2、接口3、ToggleType枚举4、事件 六、示例演示1、代码2、效果 一、装饰器 State装饰器&#xff1a;组件内状态Prop装饰器&#xff1a;父子单向同步Link装饰器&#xff1a;父子双向同步Provide装…

.NET周刊【7月第4期 2024-07-28】

国内文章 .NET 高性能缓冲队列实现 BufferQueue https://mp.weixin.qq.com/s/fUhJpyPqwcmb3whuV3CDyg BufferQueue 是一个用 .NET 编写的高性能的缓冲队列实现&#xff0c;支持多线程并发操作。 项目地址&#xff1a;https://github.com/eventhorizon-cli/BufferQueue 项目…

【Python】基础学习技能提升代码样例6:日志logging

logging 模块实现了python的日志能力。本文通过几个示例展示一些重点概念与用法。 一、线程安全介绍 logging 模块的目标是使客户端不必执行任何特殊操作即可确保线程安全。 它通过使用线程锁来达成这个目标&#xff1b;用一个锁来序列化对模块共享数据的访问&#xff0c;并且…

upload-labs靶场练习

文件上传函数的常见函数&#xff1a; 在PHP中&#xff0c;‌文件上传涉及的主要函数包括move_uploaded_file(), is_uploaded_file(), get_file_extension(), 和 mkdir()。‌这些函数共同协作&#xff0c;‌使得用户可以通过HTTP POST方法上传文件&#xff0c;‌并在服务器上保存…