由淺到深學習Kafka：生產者消息分區機制原理
在使用Apache Kafka生產和消費消息的時候，肯定是希望能夠將數據均勻地分配到所有服務器上。
比如很多公司使用Kafka收集應用服務器的日志數據，這種數據都是很多的，特別是對于那種大批量機器組成的集群環境，每分鐘產生的日志量都能以GB數，因此如何將這么大的數據量均勻地分配到Kafka的各個Broker上，就成為一個非常重要的問題。
為什么分區?
Topic的概念，它是承載真實數據的邏輯容器，而在主題之下還分為若干個分區，也就是說Kafka的消息組織方式實際上是三級結構：主題-分區-消息。主題下的每條消息只會保存在某一個分區中，而不會在多個分區中被保存多份。官網上的這張圖非常清晰地展示了。
Kafka的三級結構，如下所示：
看到了這張圖，我有幾個問題，為什么Kafka要做這樣的設計?為什么使用分區而不是直接使用多個Topic呢?
分區的作用
其實，分區的作用就是提供負載均衡的能力，或者說對數據進行分區的主要原因，就是為了實現系統的高伸縮性(Scalability)
不同的分區能夠被放置到不同節點的機器上，而數據的讀寫操作也都是針對分區這個粒度而進行的，這樣每個節點的機器都能獨立地執行各自分區的讀寫請求處理，并且，我們還可以通過添加新的節點機器來增加整體系統的吞吐量
實際上分區的概念以及分區數據庫早在1980年就已經有大牛們在做了，比如那時候有個叫Teradata的數據庫就引入了分區的概念
在不同的分布式系統對分區的叫法也不盡相同：比如在Kafka中叫分區，在MongoDB和Elasticsearch中就叫分片Shard，而在HBase中則叫Region，在Cassandra中又被稱作vnode
從表面看起來，它們實現原理可能不盡相同，但對底層分區(Partitioning)的整體思想卻從未改變
除了提供負載均衡這種最核心的功能之外，利用分區也可以實現其他一些業務級別的需求，比如實現業務級別的消息順序的問題
Kafka中的分區策略
Kafka中的分區策略，就是決定生產者將消息發送到哪個分區的算法
Kafka提供了默認的分區策略，同時，也支持自定義分區策略
- 默認分區策略
- 自定義分區策略
默認分區策略
- 輪詢策略(Round-robin)
- 隨機策略(Randomness)(已過時)
- 消息鍵策略(Key-ordering)
- 地理分區策略
輪詢策略
也稱Round-robin策略，即順序分配
比如一個主題下有3個分區，那么第一條消息被發送到分區0，第二條被發送到分區1，第三條被發送到分區2，以此類推。當生產第4條消息時又會重新開始，即將其分配到分區0，如下圖所示
如果你未指定partitioner.class參數，那么你的生產者程序會按照輪詢的方式在Topic的所有分區間均勻地“存放”消息
輪詢策略有非常優秀的負載均衡表現，它總是能保證消息最大限度地被平均分配到所有分區上，默認情況下它是最合理的分區策略，也是我們最常用的分區策略之一
隨機策略
也稱Randomness策略，所謂隨機就是我們隨意地將消息放置到任意一個分區上，如下圖所示
如果要實現隨機策略版的partition方法，很簡單，只需要兩行代碼即可：
- List<PartitionInfo> partitions = cluster.partitionsForTopic(topic);
- return ThreadLocalRandom.current().nextInt(partitions.size());
先計算出該Topic總的分區數，然后隨機地返回一個小于它的正整數
本質上看隨機策略也是力求將數據均勻地打散到各個分區，但從實際表現來看，它要遜于輪詢策略，所以如果追求數據的均勻分布，還是使用輪詢策略比較好
事實上，隨機策略是老版本生產者使用的分區策略，在新版本中已經改為輪詢了
消息鍵策略
也稱Key-ordering策略，Kafka允許為每條消息定義消息鍵，簡稱為Key
這個Key的作用非常大，它可以是一個有著明確業務含義的字符串，比如客戶代碼、部門編號或是業務ID等;也可以用來表征消息元數據
特別是在Kafka不支持時間戳的年代，在一些場景中，工程師們都是直接將消息創建時間封裝進Key里面的
一旦消息被定義了Key，那么你就可以保證同一個Key的所有消息都進入到相同的分區里面，由于每個分區下的消息處理都是有順序的，故這個策略被稱為按消息鍵策略，如下圖所示
實現這個策略的partition方法同樣簡單，只需要下面兩行代碼即可：
- List<PartitionInfo> partitions = cluster.partitionsForTopic(topic);
- return Math.abs(key.hashCode()) % partitions.size();
先計算出該Topic總的分區數，然后計算出key的hashCode與分區數取模的絕對值
Kafka在默認分區策略的選擇：如果指定了Key，那么默認實現按消息鍵策略;如果沒有指定Key，則使用輪詢策略
地理分區策略
上面這幾種分區策略都是比較基礎的策略，其實還有一種比較常見的，即所謂的基于地理位置的分區策略
當然這種策略一般只針對那些大規模的Kafka集群，特別是跨城市、跨國家甚至是跨大洲的集群
自定義分區策略
說完了默認分區，來說說自定義分區
Kafka中如果要自定義分區策略，你需要顯式地配置生產者端的參數partitioner.class
這個參數該怎么設定呢?方法很簡單，在編寫生產者程序時，你可以編寫一個具體的類實現org.apache.kafka.clients.producer.Partitioner接口
這個接口也很簡單，只定義了兩個方法：partition()和close()，通常你只需要實現最重要的partition方法，代碼如下所示
- /**
- * Compute the partition for the given record.
- *
- * @param topic The topic name
- * @param key The key to partition on (or null if no key)
- * @param keyBytes The serialized key to partition on( or null if no key)
- * @param value The value to partition on or null
- * @param valueBytes The serialized value to partition on or null
- * @param cluster The current cluster metadata
- */
- public int partition(String topic, Object key, byte[] keyBytes, Object value, byte[] valueBytes, Cluster cluster);
- /**
- * This is called when partitioner is closed.
- */
- public void close();
這里的topic、key、keyBytes、value和valueBytes都屬于消息數據，cluster則是集群信息(比如當前Kafka集群共有多少主題、多少Broker等)
Kafka給你這么多信息，就是希望讓你能夠充分地利用這些信息對消息進行分區，計算出它要被發送到哪個分區中
只要你自己的實現類定義好了partition方法，同時設置partitioner.class參數為你自己實現類的Full Qualified Name，那么生產者程序就會按照你的代碼邏輯對消息進行分區
結語
今天學習了Kafka生產者消息分區的機制以及常見的幾種分區策略
分區是實現負載均衡以及高吞吐量的關鍵，故在生產者這一端就要仔細盤算合適的分區策略，避免造成消息數據的傾斜，使得某些分區成為性能瓶頸，這樣極易引發下游數據消費的性能下降
