Kafka系列之Kafka知识超强总结

一、Kafka简介

Kafka是什么

Kafka是一种高吞吐量的分布式发布订阅消息系统（消息引擎系统），它可以处理消费者在网站中的所有动作流数据。这种动作（网页浏览，
搜索和其他用户的行动）是在现代网络上的许多社会功能的一个关键因素。这些数据通常是由于吞吐量的要求而通过处理日志和日志聚合来
解决。对于像Hadoop一样的日志数据和离线分析系统，但又要求实时处理的限制，这是一个可行的解决方案。Kafka的目的是通过Hadoop
的并行加载机制来统一线上和离线的消息处理，也是为了通过集群来提供实时的消息。

其实我们简单点理解就是系统A发送消息给kafka（消息引擎系统），系统B从kafka中读取A发送的消息。而kafka就是个中间商。

1.1 Kafka的特性:

高吞吐量、低延迟：kafka每秒可以处理几十万条消息，它的延迟最低只有几毫秒，每个topic可以分多个partition, consumer group 对partition进行consume操作。
可扩展性：kafka集群支持热扩展
持久性、可靠性：消息被持久化到本地磁盘，并且支持数据备份防止数据丢失
容错性：允许集群中节点失败（若副本数量为n,则允许n-1个节点失败）
高并发：支持数千个客户端同时读写

1.2 Kafka的使用场景：

Kafaka经常用于削峰、解耦、异步。

日志收集：一个公司可以用Kafka可以收集各种服务的log，通过kafka以统一接口服务的方式开放给各种consumer，例如hadoop、Hbase、Solr等。
消息系统：解耦生产者和消费者、缓存消息等。
用户活动跟踪：Kafka经常被用来记录web用户或者app用户的各种活动，如浏览网页、搜索、点击等活动，这些活动信息被各个服务器发布到kafka的topic中，然后订阅者通过订阅这些topic来做实时的监控分析，或者装载到hadoop、数据仓库中做离线分析和挖掘。
运营指标：Kafka也经常用来记录运营监控数据。包括收集各种分布式应用的数据，生产各种操作的集中反馈，比如报警和报告。
流式处理：比如spark streaming和storm
事件源

1.3 Kakfa的设计思想

Kakfa Broker Leader的选举：Kakfa Broker集群受Zookeeper管理。所有的Kafka Broker节点一起去Zookeeper上注册一个临时节点，因为只有一个Kafka Broker会注册成功，其他的都会失败，所以这个成功在Zookeeper上注册临时节点的这个Kafka Broker会成为Kafka Broker Controller，其他的Kafka broker叫Kafka Broker follower。（这个过程叫Controller在ZooKeeper注册Watch）。这个Controller会监听其他的Kafka Broker的所有信息，如果这个kafka broker controller宕机了，在zookeeper上面的那个临时节点就会消失，此时所有的kafka broker又会一起去Zookeeper上注册一个临时节点，因为只有一个Kafka Broker会注册成功，其他的都会失败，所以这个成功在Zookeeper上注册临时节点的这个Kafka Broker会成为Kafka Broker Controller，其他的Kafka broker叫Kafka Broker follower。例如：一旦有一个broker宕机了，这个kafka broker controller会读取该宕机broker上所有的partition在zookeeper上的状态，并选取ISR列表中的一个replica作为partition leader（如果ISR列表中的replica全挂，选一个幸存的replica作为leader; 如果该partition的所有的replica都宕机了，则将新的leader设置为-1，等待恢复，等待ISR中的任一个Replica“活”过来，并且选它作为Leader；或选择第一个“活”过来的Replica（不一定是ISR中的）作为Leader），这个broker宕机的事情，kafka controller也会通知zookeeper，zookeeper就会通知其他的kafka broker。

二、Kafka架构

Kafka拓扑结构

在这里插入图片描述

三、Kafka中的术语解释概述

Broker【服务器节点】

Kafka 集群包含一个或多个服务器，服务器节点称为broker。broker存储topic的数据。

如果某topic有N个partition，集群有N个broker，那么每个broker存储该topic的一个partition。
如果某topic有N个partition，集群有(N+M)个broker，那么其中有N个broker存储该topic的一个partition，剩下的M个broker不存储该topic的partition数据。
如果某topic有N个partition，集群中broker数目少于N个，那么一个broker存储该topic的一个或多个partition。在实际生产环境中，尽量避免这种情况的发生，这种情况容易导致Kafka集群数据不均衡。

Topic【主题】

每条发布到Kafka集群的消息都有一个类别，这个类别被称为Topic。（物理上不同Topic的消息分开存储，逻辑上一个Topic的消息虽然保存于
一个或多个broker上但用户只需指定消息的Topic即可生产或消费数据而不必关心数据存于何处）。类似于数据库的表名。在每个broker上都
可以创建多个topic。

Partition【分区】

在这里插入图片描述

topic中的数据分割为一个或多个partition。每个topic至少有一个partition。topic的数据数据会写入到不同的partition。
每个Partition在物理上对应一个文件夹，该文件夹下存储这个Partition的所有消息和索引文件。
partition中的数据是有序的，不同partition间的数据丢失了数据的顺序。
如果topic有多个partition，消费数据时就不能保证数据的顺序。
在需要严格保证消息的消费顺序的场景下，需要将partition数目设为1。

上面说到数据会写入到不同的分区，那kafka为什么要做分区呢？相信大家应该也能猜到，分区的主要目的是：

方便扩展。因为一个topic可以有多个partition，所以我们可以通过扩展机器去轻松的应对日益增长的数据量。
提高并发。以partition为读写单位，可以多个消费者同时消费数据，提高了消息的处理效率。

熟悉负载均衡的朋友应该知道，当我们向某个服务器发送请求的时候，服务端可能会对请求做一个负载，将流量分发到不同的服务器，那在kafka中，如果某个topic有多个partition，producer又怎么知道该将数据发往哪个partition呢？

kafka中有几个原则：

partition在写入的时候可以指定需要写入的partition，如果有指定，则写入对应的partition。
如果没有指定partition，但是设置了数据的key，则会根据key的值hash出一个partition。
如果既没指定partition，又没有设置key，则会轮询选出一个partition。

保证消息不丢失是一个消息队列中间件的基本保证，那producer在向kafka写入消息的时候，怎么保证消息不丢失呢？

那就是通过ACK应答机制！在生产者向队列写入数据的时候可以设置参数来确定是否确认kafka接收到数据，这个参数可设置的值为0、1、all。

0代表producer往集群发送数据不需要等到集群的返回，不确保消息发送成功。安全性最低但是效率最高。
1代表producer往集群发送数据只要leader应答就可以发送下一条，只确保leader发送成功。
all代表producer往集群发送数据需要所有的follower都完成从leader的同步才会发送下一条，确保leader发送成功和所有的副本都完成备份。安全性最高，但是效率最低。

最后要注意的是，如果往不存在的topic写数据，能不能写入成功呢？kafka会自动创建topic，分区和副本的数量根据默认配置都是1。

Producer【生产者】

生产者即数据的发布者，该角色将消息发布到Kafka的topic中。broker接收到生产者发送的消息后，broker将该消息追加到当前用于追加数据的segment文件中。生产者发送的消息，存储到一个partition中，生产者也可以指定数据存储的partition。

Consumer【消费者】

消费者可以从broker中读取数据。消费者可以消费多个topic中的数据。

Consumer Group【消费者组】

每个Consumer属于一个特定的Consumer Group（可为每个Consumer指定group name，若不指定group name则属于默认的group）。

同一个topic下的每个partition中message只能被组（Consumer group ）中的一个consumer消费，如果想让一个message可以被多个consumer消费的话，那么这些consumer必须在不同的Consumer group。所以如果想同时对一个topic做消费的话，启动多个consumer group就可以了，但是要注意的是，这里的多个consumer的消费都必须是顺序读取partition里面的message，新启动的consumer默认从partition队列最头端最新的地方开始阻塞的读message。它不能像AMQ那样可以多个BET作为consumer去互斥的（for update悲观锁）并发处理message，这是因为多个BET去消费一个Queue中的数据的时候，由于要保证不能多个线程拿同一条message，所以就需要行级别悲观所（for update）,这就导致了consume的性能下降，吞吐量不够。而kafka为了保证吞吐量，只允许同一个consumer group下的一个consumer线程去访问一个partition。如果觉得效率不高的时候，可以加partition的数量来横向扩展，那么再加新的consumer thread去消费。如果想多个不同的业务都需要这个topic的数据，起多个consumer group就好了，大家都是顺序的读取message，offsite的值互不影响。这样没有锁竞争，充分发挥了横向的扩展性，吞吐量极高。这也就形成了分布式消费的概念。

当启动一个consumer group去消费一个topic的时候，无论topic里面有多少个partition，无论我们consumer group里面配置了多少个consumer thread，这个consumer group下面的所有consumer thread一定会消费全部的partition；即便这个consumer group下只有一个consumer thread，那么这个consumer thread也会去消费所有的partition。因此，最优的设计就是，consumer group下的consumer thread的数量等于partition数量，这样效率是最高的。

当consumer group里面的consumer数量小于这个topic下的partition数量的时候，就会出现一个conusmer thread消费多个partition的情况，总之是这个topic下的partition都会被消费。
如果consumer group里面的consumer数量等于这个topic下的partition数量的时候，此时效率是最高的，每个partition都有一个consumer thread去消费。
当consumer group里面的consumer数量大于这个topic下的partition数量的时候，就会有consumer thread空闲。

多个Consumer Group下的consumer可以消费同一条message，但是这种消费也是以o（1）的方式顺序的读取message去消费,，所以一定会重复消费这批message的，不能向AMQ那样多个BET作为consumer消费（对message加锁，消费的时候不能重复消费message）

Leader【领导者】

每个partition有多个副本，其中有且仅有一个作为Leader，Leader是当前负责数据的读写的partition。

Follower【跟随者】

Follower跟随Leader，所有写请求都通过Leader路由，数据变更会广播给所有Follower，Follower与Leader保持数据同步。
如果Leader失效，则从Follower中选举出一个新的Leader。
当Follower与Leader挂掉、卡住或者同步太慢，leader会把这个follower从“in sync replicas”（ISR）列表中删除，重新创建一个Follower。

Replica【副本】

每个partition可以在其他的kafka broker节点上存副本，以便某个kafka broker节点宕机不会影响这个kafka集群。
存replica副本的方式是按照kafka broker的顺序存。
例如有5个kafka broker节点，某个topic有3个partition，每个partition存2个副本，那么partition1存broker1,broker2，partition2存broker2,broker3。。。以此类推（replica副本数目不能大于kafka broker节点的数目，否则报错。这里的replica数其实就是partition的副本总数，其中包括一个leader，其他的就是copy副本）。这样如果某个broker宕机，其实整个kafka内数据依然是完整的。但是，replica副本数越高，系统虽然越稳定，但是会带来资源和性能上的下降；replica副本少的话，也会造成系统丢数据的风险。

传送消息：producer先把message发送到partition leader，再由leader发送给其他partition follower（如果让producer发送给每个replica那就太慢了）。再向Producer发送ACK前需要保证有多少个Replica已经收到该消息：根据ack配的个数而定。
处理某个Replica不工作的情况：如果这个部工作的partition replica不在ack列表中，就是producer在发送消息到partition leader上，partition leader向partition follower发送message没有响应而已，这个不会影响整个系统，也不会有什么问题。如果这个不工作的partition replica在ack列表中的话，producer发送的message的时候会等待这个不工作的partition replca写message成功，但是会等到time out，然后返回失败因为某个ack列表中的partition replica没有响应，此时kafka会自动的把这个部工作的partition replica从ack列表中移除，以后的producer发送message的时候就不会有这个ack列表下的这个部工作的partition replica了。
处理Failed Replica恢复回来的情况：如果这个partition replica之前不在ack列表中，那么启动后重新受Zookeeper管理即可，之后producer发送message的时候，partition leader会继续发送message到这个partition follower上。如果这个partition replica之前在ack列表中，此时重启后，需要把这个partition replica再手动加到ack列表中。（ack列表是手动添加的，出现某个部工作的partition replica的时候自动从ack列表中移除的）。