Kafka 的高可用性和高可靠性與它的 ISR機制密切相關。那么，什么是 ISR？它是如何工作的？這篇文章，我們來詳解 Kafka 的 ISR 機制。

什么是 ISR機制？

ISR 的全稱叫做In-Sync Replicas(同步副本集)，ISR 動態維護了一個和 Leader 副本保持同步副本集合，ISR 中的副本全部都和 Leader 的數據保持同步。

ISR 機制通過副本冗余機制，提供了 kafka 消息的高可靠性，做到故障轉移，保障服務的可用性。ISR 平衡了主從架構下，復制方案的選擇(同步 / 異步 / 少數服從多數)，讓使用者根據參數自行選擇。

ISR的作用

ISR的作用主要體現在以下幾個方面:

1.生產消息時的ACK確認機制

當我們生產消息的時候，到底要寫入多少副本才能算成功呢?通過 ISR 就可以知曉了哪些 follower 與 Leader 保持著同步，在寫入消息的時候，設置寫入處于 ISR 中所有的副本才算成功。Kafka提供了以下幾種ACK確認機制:

(1) acks=0

生產者不等待服務器的確認，消息發送后即認為成功，不管消息是否真正寫入 Kafka，這種方式效率最高，但可靠性最低，數據可能存在丟失。

(2) acks=1

生產者會等待來自 Leader分區的確認。Leader分區接收到消息并寫入本地日志后即返回確認。這種方式在 Leader分區可用時可靠，但如果 Leader分區發生故障，可能會丟失數據。從 Kafka 2.0 開始，默認值是 acks=1

(3) acks=all（或-1）

生產者等待所有 ISR（In-Sync Replica，同步副本）分區的確認。只有當消息被寫入所有同步副本后才返回確認，這種方式最可靠，但性能較低。

2.Leader選舉

當 Leader 掛了之后，我們應該選擇哪個 follower 來成為新的 Leader 呢?從 ISR 中選擇對應的 follower 成為新的 Leader。

3.最小 ISR副本數配置

Kafka提供了 min.insync.replicas 參數配置，這個參數可以配置最少 ISR 中需要多少個副本，才能繼續提供寫服務。如果設置為 2，一旦 ISR 中的個數小于 2，那么就不再提供寫服務，犧牲一定的可用性，來保障這種高可靠的場景需求。

ISR的原理

ISR機制的實現原理如下:

(1) Leader維護ISR

Leader負責維護ISR，當一個Follower趕上了Leader的進度，Leader會把它加入到ISR中;當一個Follower長時間未趕上Leader，或者主動退出同步，Leader會把它從ISR中移除，變成OSR(Out-of-Sync Replicas)。

(2) 生產者發送消息

生產者發送消息給Leader，Leader會把消息append到本地log，并且復制給ISR中的所有Follower。

(3) 消息提交

當ISR中的所有Follower都完成了復制，Leader會更新HW(High Watermark，最高提交偏移量)，此時消息才算真正提交。

(4) 消費者消費消息

消費者只能消費提交的消息，即位于HW之前的消息。

(5) Follower同步數據

Follower定期主動從Leader拉取數據，保持與Leader的同步。當Follower死機或長時間未同步時，會被從ISR中移除。

(6) Leader選舉

當Leader所在的broker失效時，ISR中的其他Follower會選出一個新的Leader。選舉規則是:選擇ISR中最新的Follower。

實例分析

為了更好地理解 ISR機制，我們通過一個示例來講解。

假設一個 Kafka 集群中有一個 Topic test，該 Topic 有一個分區 partition-0，該分區有 3 個副本，分別在 Broker 1、Broker 2 和 Broker 3 上。

• 在初始狀態時：Leader 副本：Broker 1 Follower 副本：Broker 2, Broker 3 所有的副本都工作良好，所以 ISR 集合為：[Broker 1, Broker 2, Broker 3]
• 假如 Broker 2 失效：Broker 2 從 ISR 集合中移除，因此，ISR 集合變成了：[Broker 1, Broker 3]
• 接著 Broker 1 也失效了：Broker 3 被選為新的 Leader，SR 集合變成了：[Broker 3]
• 再然后，Broker 2 恢復：Broker 2 開始從 Broker 3 復制數據，Broker 2 追上 Broker 3 后，重新加入 ISR 集合，因此，ISR 集合變成了：[Broker 2, Broker 3]

ISR的優缺點

ISR機制的優點:

• 提供了消息的高可靠性，即使部分副本失效，只要ISR中還有副本存活，消息就不會丟失。
• 支持故障轉移，當 Leader失效時，ISR中的Follower可以順利接替成為新的 Leader，提高了系統的可用性。
• 通過ACK機制，生產者可以根據自己的需求，在可靠性和吞吐量之間進行權衡。

ISR機制的缺點:

• 同步復制會增加消息發送的延遲，因為生產者需要等待所有ISR中的副本完成復制。
• ISR中的副本越多，消息發送的延遲就越高。
• ISR中的副本數量受限于min.insync.replicas參數，如果副本數量低于該值，就無法提供寫服務，會降低系統的可用性。

總結

ISR機制是 Kafka實現高可靠性和高可用性的關鍵所在，它通過動態維護一個和Leader保持同步的副本集合，為消息的可靠性提供了保證。同時，ISR機制還支持故障轉移，當 Leader失效時，ISR中的 Follower可以順利接替成為新的 Leader。

不過，ISR機制也存在一些缺點，比如會增加消息發送的延遲，并且ISR中的副本數量受限于 min.insync.replicas參數。因此，在使用ISR機制時，需要根據實際的業務需求，在可靠性、可用性和吞吐量之間進行權衡。

總的來說，ISR機制是 Kafka實現高可靠性和高可用性的一個重要機制，它的出現大大提高了 Kafka的實用性，使其成為了大數據領域廣泛使用的消息隊列系統。