Kafka基础与核心概念

本文，我们将试图回答什么是apache kafka。

kafka是一个分布式流平台或者分布式消息提交日志

分布式

Kafka 由一个或多个节点组成的工作集群，这些节点可以位于不同的数据中心，我们可以在 Kafka 集群的不同节点之间分布数据/负载，并且它天生具有可扩展性、可用性和容错性。

流平台

Kafka 将数据存储为可以用不同方法处理的连续记录流。

提交日志

当您将数据推送到 Kafka 时，它会将它们附加到记录流中，例如将日志附加到日志文件中，该数据流可以“重放”或从任何时间点读取。

kafka是不是消息队列

它当然可以充当消息队列，但不限于此。它可以充当 FIFO 队列、发布/订阅消息系统、实时流媒体平台。并且由于 Kafka 的持久存储能力，它甚至可以用作数据库。

综上所述，Kafka 通常用于实时流数据管道，即在系统之间传输数据、构建转换连续流动数据的系统以及构建事件驱动系统。

我们现在将进入核心 Kafka 概念。

消息

消息是 Kafka 数据的原子单位。假设你正在构建一个日志监控系统，你将每条日志记录推送到 Kafka 中，你的日志消息是一个具有这种结构的 JSON。

{
  "level" : "ERROR",
  "message" : "NullPointerException"
}

当您将此 JSON 推送到 Kafka 时，您实际上是在推送 1 条消息。 Kafka 将这个 JSON 保存为字节数组，而那个字节数组就是给 Kafka 的消息。这就是那个原子单元，一个具有两个键“level”和“message”的 JSON。但这并不意味着你不能向 Kafka 推送任何其他内容，你可以向 Kafka 推送 String、Integer、不同模式的 JSON 以及其他所有内容，但我们通常会将不同类型的消息推送到不同的主题。

消息可能有一个关联的“key”，它只是一些元数据，用于确定消息的目标分区。

主题

Topic，顾名思义，就是Kafka中消息的逻辑分类，是同类型数据的流。回到我们之前的日志系统示例，假设我们的系统生成应用程序日志、入口日志和数据库日志，并将它们推送到 Kafka 以供其他服务使用。现在，这三类日志在逻辑上可以分为三个主题，appLogs、ingressLogs、dbLogs。我们可以在 Kafka 中创建这三个主题，每当有应用日志消息时，我们将其推送到 appLogs 主题，对于数据库日志，我们将其推送到 dbLogs 主题。这样我们就在消息之间进行了逻辑隔离，有点像用不同的表来保存不同类型的数据。

分区

分区类似于数据库中的分片，是 Kafka 扩展能力背后的核心概念。假设我们的系统变得非常流行，因此每秒有数百万条日志消息。所以现在 appLogs 主题所在的节点无法保存所有传入的数据。我们最初通过向我们的节点添加更多存储来解决这个问题，即垂直缩放。但众所周知，垂直扩展有其局限性，一旦达到该阈值，我们就需要水平扩展，这意味着我们需要添加更多节点并在节点之间拆分数据。当我们将一个主题的数据拆分为多个流时，我们将所有这些较小的流称为该主题的“分区”。

此图描述了分区的概念，其中单个主题有 4 个分区，并且所有分区都包含一组不同的数据。您在此处看到的块是该分区中的不同消息。假设主题是一个数组，现在由于内存限制，我们将单个数组拆分为 4 个不同的较小数组。当我们向主题写入新消息时，会选择相关分区，然后将该消息添加到数组的末尾。

消息的偏移量是该消息的数组索引。此图中块上的数字表示偏移量，第一个块位于第 0 个偏移量，最后一个块将位于第 (n-1) 个偏移量。系统的性能还取决于您设置分区的方式，我们将在本文后面进行研究。（请注意，在 Kafka 上，它不是一个实际的数组，而是一个符号数组）

生产者

生产者是向 Kafka 主题发布消息的 Kafka 客户端。此外，生产者的核心职责之一是决定将消息发送到哪个分区。根据各种配置和参数，生产者决定目标分区，让我们更深入地了解一下。

未指定key => 当消息中未指定key时，生产者将随机决定分区并尝试平衡所有分区上的消息总数。
指定key => 当消息指定了一个键时，生产者使用一致性哈希将键映射到一个分区。如果您不知道什么是一致性哈希，请不要担心，简而言之，它是一种哈希机制，始终为相同的key生成相同的哈希，并且它最大限度地减少了重新哈希场景或将节点添加到集群中的key的重新分配。因此，假设在我们的日志系统中，我们使用源节点 ID 作为键，那么同一节点的日志将始终进入同一分区。这与 Kafka 中消息的顺序保证非常相关，我们很快就会看到如何。
指定分区 => 您也可以对目标分区进行硬编码。
自定义分区逻辑 => 我们可以根据分区编写一些规则。

消费者

到目前为止，我们已经生成了消息，我们使用 Kafka 消费者读取这些消息。消费者以有序的方式从分区中读取消息。因此，如果将 1、2、3、4 插入到主题中，消费者将以相同的顺序阅读它。由于每条消息都有一个偏移量，每次消费者读取消息时，它都会将偏移量值存储到 Kafka 或 Zookeeper 中，表示这是消费者读取的最后一条消息。因此，万一消费者节点出现故障，它可以返回并从上次读取的位置恢复。此外，如果在任何时间点消费者需要回到过去并阅读旧消息，它可以通过重置偏移位置来实现。

消费者组

消费者组是一起工作以从主题中读取消息的消费者的集合。这里有一些非常有趣的概念，让我们来看看它们。

Fan out exchange => 单个主题可以被多个消费者组订阅。假设您正在构建 OTP 服务。
现在您需要发送文本和电子邮件 OTP。所以你的OTP服务可以把OTP放到Kafka里面，然后SMS Service consumer group和Email Service consumer group都可以收到消息，然后可以发送SMS和email出去。
顺序保证=> 既然知道了topic是可以分区的，多个consumers可以从同一个topic消费，那么大家可能会问，consumer端消息的顺序怎么维护。好问题。一个分区不能被同一消费者组中的多个消费者读取。这仅由消费者组启用，组中只有一个消费者可以从单个分区读取数据。

所以你的生产者产生了 6 条消息。每条消息都是一个键值对，键“A”的值为“1”，“C”的值为“1”，“B”的值为“1”，“C”的值为“2”…… .. “B”值为“2”。（请注意，我所说的键是指我们之前讨论的消息键，而不是 JSON 或 Map 键）。我们的主题有 3 个分区，由于具有相同键的一致性哈希消息总是进入同一个分区，所以所有以“A”为键的消息将被分成一组，B 和 C 也是如此。现在每个分区都只有一个消费者，他们只能按顺序获取消息。所以消费者将在 A2 之前收到 A1，在 B2 之前收到 B1，因此顺序得以维持。回到我们的日志系统示例，键是源节点 ID，然后节点 1 的所有日志将始终进入同一个分区。由于消息总是发送到同一个分区，我们将保持消息的顺序。

如果同一个分区在同一个组中有多个消费者，这将是不可能的。如果您在不同组中的不同消费者中读取相同的分区，那么对于每个消费者组，消息最终也会按顺序排列。

所以对于 3 个分区，你最多可以有 3 个消费者，如果你有 4 个消费者，一个消费者将闲置。但是对于 3 个分区，您可以有 2 个消费者，然后一个消费者将从一个分区读取，一个消费者将从两个分区读取。如果在这种情况下一个消费者宕机，最后一个幸存的消费者将最终从所有三个分区读取数据，当新的消费者被添加回来时，分区将再次在消费者之间拆分，这称为重新平衡。

Broker

broker是单个 Kafka 服务器。 broker从生产者那里接收消息，为它们分配偏移量，然后将它们提交到分区日志，这基本上是将数据写入磁盘，这赋予了 Kafka 持久性。

集群

Kafka 集群是一组协同工作以提供可伸缩性、可用性和容错性的broker节点。集群中的一个节点作为控制器工作，它基本上将分区分配给broker，监控broker是否无法执行某些管理工作。

在集群中，分区根据主题的复制因子被复制到多个broker上以具有故障转移能力。我的意思是，对于一个复制因子为 3 的主题，该主题的每个分区将存在于 3 个不同的broker上。当一个分区被复制到 3 个 broker 上时，其中一个 broker 将充当该分区的领导者，其余两个将成为追随者。数据总是写在 leader broker 上，然后复制到 followers。这样我们就不会丢失数据，也不会丢失集群的可用性，如果 leader 宕机，另一个 leader 会被选举出来。

让我们看一个实际的例子。我在本地运行一个 5 节点的 Kafka 集群，我运行这个命令

bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server 192.168.49.2:30092 --topic applog --partitions 5 --replication-factor 3 --create

集群将

创建主题
创建该主题的 5 个分区
并将所有 5 个主题的数据复制到总共 3 个节点中

让我们以分区 0 为例，该分区的领导节点是节点 2。该分区的数据在节点 2,5 和 1 上复制。所以一个分区在 3 个节点上复制，并且对所有 5 个分区重复此行为。而且如果你看到的话，每个分区的所有领导节点都是不同的。因此，为了正确利用节点，Kafka controller broker 将分区均匀分布在所有节点上。您还可以观察到复制也是均匀分布的，没有节点过载。所有这些都是在 Zookeeper或者KRaft（3.3.1生产可用）的帮助下由控制器 Broker 完成的。

由于您现在已经理解了集群，您可以看到我们可以对一个主题进行更多分区，并且对于每个分区，我们可以添加一个专用的消费者节点，这样我们就可以水平扩展。

高级点的东西

除此之外，还有一些你应该知道的稍微高级的东西，只是简单介绍一下。

Producer

你可以以3种方式发送数据到kafka

发送即忘记
同步发送
异步发送

他们都有自己的性能与一致性陷阱。

您也可以在生产者上配置确认特征。

ACK 0：不要等待确认 |FASTEST
ACK 1：考虑在 leader broker 收到消息时发送确认 |FASTER
ACK All：当所有副本收到消息时考虑发送确认|FAST

在发送给broker之前，您可以在生产者上压缩和以批的方式处理消息。

它提供高吞吐量并降低磁盘使用率，但会提高 CPU 使用率。

Avro 序列化器/反序列化器

如果您使用 Avro 作为序列化器/反序列化器而不是普通的 JSON，您将必须预先声明您的模式，这会提供更好的性能并节省存储空间。

Consumer

循环轮询

Kafka 消费者不断从broker轮询数据，反之亦然。

可以配置分区分配策略

Range：Consumer获取连续的partitions

循环法：循环往分区写数据

Sticky：重新平衡保持大部分分配不变同时创建最小影响

Cooperative sticky：Sticky分区方法，但允许合作再平衡

批大小

我们可以配置每次轮询调用返回多少条记录和多少数据。

提交偏移量

在读取消息时，我们可以更新消费者的偏移量位置，这称为提交偏移量。可以启用自动提交，或者应用程序可以显式提交偏移量。这可以同步和异步完成。

End

Kafka 是一款很棒的软件，具有大量功能，可用于各种用例。 Kafka 非常适合现代分布式系统，因为它是按分布式进行设计的。它最初创建于 LinkedIn，目前由 Confluent 维护。 Uber、Netflix、Activision、Spotify、Slack、Pinterest、Coursera 等顶级科技公司都在使用它。