[[357091]]

前言

好了，開始進入正題。今天給大家?guī)淼牡氖顷P(guān)于我們的老朋友Kafka的來世今生。

隨著對實時性的要求越來越高，那么在龐大的數(shù)據(jù)的傳輸過程中怎么能保證數(shù)據(jù)的快速傳遞呢，由此，消息隊列產(chǎn)生了。

“消息”是在兩臺計算機間傳送的數(shù)據(jù)單位。消息可以非常簡單，例如只包含文本字符串;也可以更復雜，可能包含嵌入對象。

消息被發(fā)送到隊列中。“消息隊列”是在消息的傳輸過程中保存消息的容器。Kafka是一個分布式消息隊列對我們來說掌握它是必不可少的。

本文對 Kafka 的基本組件的實現(xiàn)細節(jié)及其基本應用進行了詳細介紹，同時，也熬了幾天夜畫了圖解，希望能讓大家對 Kafka 核心知識的有了更深刻的理解，最后也總結(jié)了 Kafka 在實際業(yè)務中的應用。跟著小羽一起再來熟悉一下這些屬于Kafka的小秘密吧：

Kafka 概念

Kafka 是一種高吞吐量、分布式、基于發(fā)布/訂閱的消息系統(tǒng)，最初由 LinkedIn 公司開發(fā)，使用Scala 語言編寫，目前是 Apache 的開源項目。

Kafka 主要組件

• broker：Kafka 服務器，負責消息存儲和轉(zhuǎn)發(fā)
• topic：消息類別，Kafka 按照 topic 來分類消息

partition：topic 的分區(qū)，一個 topic 可以包含多個 partition，topic 消息保存在各個 partition 上

offset：消息在日志中的位置，可以理解是消息在 partition 上的偏移量，也是代表該消息的唯一序號

• Producer：消息生產(chǎn)者
• Consumer：消息消費者
• Consumer Group：消費者分組，每個 Consumer 必須屬于一個 group
• Zookeeper：保存著集群 broker、topic、partition 等 meta 數(shù)據(jù);另外，還負責 broker 故障發(fā)現(xiàn)，partition leader 選舉，負載均衡等功能

Kafka 優(yōu)點

• 解耦：消息系統(tǒng)在處理過程中間插入了一個隱含的、基于數(shù)據(jù)的接口層，兩邊的處理過程都要實現(xiàn)這一接口。這允許你獨立的擴展或修改兩邊的處理過程，只要確保它們遵守同樣的接口約束。
• 冗余：消息隊列把數(shù)據(jù)進行持久化直到它們已經(jīng)被完全處理，通過這一方式規(guī)避了數(shù)據(jù)丟失風險。許多消息隊列所采用的"插入-獲取-刪除"范式中，在把一個消息從隊列中刪除之前，需要你的處理系統(tǒng)明確的指出該消息已經(jīng)被處理完畢，從而確保你的數(shù)據(jù)被安全的保存直到你使用完畢。
• 擴展性：因為消息隊列解耦了你的處理過程，所以增大消息入隊和處理的頻率是很容易的，只要另外增加處理過程即可。不需要改變代碼、不需要調(diào)節(jié)參數(shù)。擴展就像調(diào)大電力按鈕一樣簡單。
• 靈活性 & 峰值處理能力：使用消息隊列能夠使關(guān)鍵組件頂住突發(fā)的訪問壓力，而不會因為突發(fā)的超負荷的請求而完全崩潰。
• 可恢復性：消息隊列降低了進程間的耦合度，所以即使一個處理消息的進程掛掉，加入隊列中的消息仍然可以在系統(tǒng)恢復后被處理。
• 順序保證：大部分消息隊列本來就是排序的，并且能保證數(shù)據(jù)會按照特定的順序來處理。Kafka保證一個Partition內(nèi)的消息的有序性。
• 緩沖：消息隊列通過一個緩沖層來幫助任務最高效率的執(zhí)行。寫入隊列的處理會盡可能的快速。該緩沖有助于控制和優(yōu)化數(shù)據(jù)流經(jīng)過系統(tǒng)的速度。
• 異步通信：消息隊列提供了異步處理機制，允許用戶把一個消息放入隊列，但并不立即處理它。想向隊列中放入多少消息就放多少，然后在需要的時候再去處理它們。

Kafka 應用場景

• 活動追蹤：跟蹤網(wǎng)站?用戶與前端應?用程序發(fā)?生的交互，如：網(wǎng)站PV/UV分析
• 傳遞消息：系統(tǒng)間異步的信息交互，如：營銷活動(注冊后發(fā)送券碼福利利)
• 日志收集：收集系統(tǒng)及應?用程序的度量量指標及?日志，如：應用監(jiān)控和告警
• 提交日志：將數(shù)據(jù)庫的更更新發(fā)布到kafka上，如：交易統(tǒng)計

Kafka 數(shù)據(jù)存儲設計

partition 的數(shù)據(jù)文件

partition 中的每條 Message 包含三個屬性：offset，MessageSize，data，其中 offset 表 示 Message 在這個 partition 中的偏移量，offset 不是該 Message 在 partition 數(shù)據(jù)文件中的實際存儲位置，而是邏輯上一個值，它唯一確定了 partition 中的一條 Message，可以認為 offset 是 partition 中 Message 的 id;MessageSize 表示消息內(nèi)容 data 的大小;data 為 Message 的具體內(nèi)容。

數(shù)據(jù)文件分段 segment

partition 物理上由多個 segment 文件組成，每個 segment 大小相等，順序讀寫。每個 segment數(shù)據(jù)文件以該段中最小的 offset 命名，文件擴展名為.log。這樣在查找指定 offset 的 Message 的時候，用二分查找就可以定位到該 Message 在哪個 segment 數(shù)據(jù)文件中。

數(shù)據(jù)文件索引

Kafka 為每個分段后的數(shù)據(jù)文件建立了索引文件，文件名與數(shù)據(jù)文件的名字是一樣的，只是文件擴展名為.index。index 文件中并沒有為數(shù)據(jù)文件中的每條 Message 建立索引，而是采用了稀疏存儲的方式，每隔一定字節(jié)的數(shù)據(jù)建立一條索引。這樣避免了索引文件占用過多的空間，從而可以將索引文件保留在內(nèi)存中。

Zookeeper 在 kafka 的作用

無論是 kafka 集群，還是 producer 和 consumer 都依賴于 zookeeper 來保證系統(tǒng)可用性集群保存一些meta信息。

Kafka 使用 zookeeper 作為其分布式協(xié)調(diào)框架，很好的將消息生產(chǎn)、消息存儲、消息消費的過程結(jié)合在一起。

同時借助 zookeeper，kafka 能夠生產(chǎn)者、消費者和 broker 在內(nèi)的所以組件在無狀態(tài)的情況下，建立起生產(chǎn)者和消費者的訂閱關(guān)系，并實現(xiàn)生產(chǎn)者與消費者的負載均衡。

生產(chǎn)者設計

負載均衡

由于消息 topic 由多個 partition 組成，且 partition 會均衡分布到不同 broker 上，因此，為了有效利用 broker 集群的性能，提高消息的吞吐量，producer 可以通過隨機或者 hash 等方式，將消息平均發(fā)送到多個 partition 上，以實現(xiàn)負載均衡。

批量發(fā)送

是提高消息吞吐量重要的方式，Producer 端可以在內(nèi)存中合并多條消息后，以一次請求的方式發(fā)送了批量的消息給 broker，從而大大減少 broker 存儲消息的 IO 操作次數(shù)。但也一定程度上影響了消息的實時性，相當于以時延代價，換取更好的吞吐量。

壓縮

Kafka支持以集合(batch)為單位發(fā)送消息，在此基礎(chǔ)上，Kafka還支持對消息集合進行壓縮，Producer 端可以通過 GZIP 或 Snappy 格式對消息集合進行壓縮。Producer 端進行壓縮之后，在Consumer 端需進行解壓。壓縮的好處就是減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減輕對網(wǎng)絡傳輸?shù)膲毫Γ趯Υ髷?shù)據(jù)處理上，瓶頸往往體現(xiàn)在網(wǎng)絡上而不是 CPU(壓縮和解壓會耗掉部分 CPU 資源)。

那么如何區(qū)分消息是壓縮的還是未壓縮的呢，Kafka在消息頭部添加了一個描述壓縮屬性字節(jié)，這個字節(jié)的后兩位表示消息的壓縮采用的編碼，如果后兩位為0，則表示消息未被壓縮。

消費者設計

Consumer Group

同一 Consumer Group 中的多個 Consumer 實例，不同時消費同一個 partition，等效于隊列模式。partition 內(nèi)消息是有序的，Consumer 通過 pull 方式消費消息。Kafka 不刪除已消費的消息對于 partition，順序讀寫磁盤數(shù)據(jù)，以時間復雜度 O(1)方式提供消息持久化能力。

實踐應用

Kafka 作為消息系統(tǒng)

kafka 通過在主題中具有并行性概念 - 分區(qū) - ，Kafka能夠在消費者流程池中提供訂購保證和負載平衡。這是通過將主題中的分區(qū)分配給使用者組中的使用者來實現(xiàn)的，以便每個分區(qū)僅由該組中的一個使用者使用。通過這樣做，我們確保使用者是該分區(qū)的唯一讀者并按順序使用數(shù)據(jù)。由于有許多分區(qū)，這仍然可以平衡許多消費者實例的負載。但請注意，消費者組中的消費者實例不能超過分區(qū)。

Kafka 作為存儲系統(tǒng)

Kafka是一個非常好的存儲系統(tǒng)。寫入Kafka的數(shù)據(jù)將寫入磁盤并進行復制以實現(xiàn)容錯。Kafka允許生產(chǎn)者等待確認，以便在完全復制之前寫入不被認為是完整的，并且即使寫入的服務器失敗也保證寫入仍然存在。

磁盤結(jié)構(gòu)Kafka很好地使用了規(guī)模 - 無論服務器上有50 KB還是50 TB的持久數(shù)據(jù)，Kafka都會執(zhí)行相同的操作。

由于認真對待存儲并允許客戶端控制其讀取位置，您可以將Kafka視為一種專用于高性能，低延遲提交日志存儲，復制和傳播的專用分布式文件系統(tǒng)。

Kafka 用于流處理

對于復雜的轉(zhuǎn)換，Kafka提供了完全集成的Streams API。這允許構(gòu)建執(zhí)行非平凡處理的應用程序，這些應用程序可以計算流的聚合或?qū)⒘鬟B接在一起。

此工具有助于解決此類應用程序面臨的難題：處理無序數(shù)據(jù)，在代碼更改時重新處理輸入，執(zhí)行有狀態(tài)計算等。

流API構(gòu)建在Kafka提供的核心原理上：它使用生產(chǎn)者和消費者API進行輸入，使用Kafka進行8有狀態(tài)存儲，并在流處理器實例之間使用相同的組機制來實現(xiàn)容錯*。