一、Kafka概述

Kafka是一个分布式的基于发布/订阅模式的消息队列，主要应用于大数据实时处理领域。

1.1 MQ应用场景和优缺点

https://hucheng.blog.csdn.net/article/details/102961102

1.2 消息队列的两种模式

①点对点模式（一对一，消费者主动拉取数据，消息收到后消息清除）

消息生产者生产消息发送到Queue中，然后消息消费者从Queue中取出并且消费消息。

消息被消费以后，Queue中不再有存储，所以消息消费者不可能消费到已经被消费的消息。Queue支持存在多个消费者，但是对一个消息而言，只会有一个消费者可以消费。
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②发布/订阅模式（一对多，消费者消费数据之后不会清除消息）

消息生产者（发布）将消息发布到topic中，同时有多个消息消费者（订阅）消费该消息。和点对点方式不同，发布到topic的消息会被所有订阅者消费。
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1.3 Kafka基础架构

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Provider： 消息生产者，就是向kafka broker发消息的客户端。

Consumer： 消息消费者，向kafka broker取消息的客户端。

Consumer Group （CG）： 消费者组由多个consumer组成。消费者组内每个消费者负责消费不同分区的数据，一个分区只能由一个消费者消费；消费者组之间互不影响。所有的消费者都属于某个消费者组，即消费者组是逻辑上的一个订阅者。

Broker ： 一台kafka服务器就是一个broker。一个集群由多个broker组成。一个broker可以容纳多个topic。

Topic ： 可以理解为一个队列，生产者和消费者面向的都是一个topic；

Partition： 为了实现扩展性，一个非常大的topic可以分布到多个broker（即服务器）上，一个topic可以分为多个partition，每个partition是一个有序的队列；

Replica： 副本，为保证集群中的某个节点发生故障时，该节点上的partition数据不丢失，且kafka仍然能够继续工作，kafka提供了副本机制，一个topic的每个分区都有若干个副本，一个leader和若干个follower。

leader： 每个分区多个副本的“主”，生产者发送数据的对象，以及消费者消费数据的对象都是leader。

follower： 每个分区多个副本中的“从”，实时从leader中同步数据，保持和leader数据的同步。leader发生故障时，某个follower会成为新的leader。

二、Kafka快速入门

2.1 安装部署

集群规划：

hadoop100	hadoop101	hadoop102
zk	zk	zk
kafka	kafka	kafka

集群部署：

解压安装包

[root@hadoop100 software]# tar -zxvf kafka_2.11-0.11.0.0.tgz -C /opt/module/

修改解压后的文件名称

[root@hadoop100 module]# mv kafka_2.11-0.11.0.0/ kafka-0.11.0.0

在kafka目录下创建logs文件夹

[root@hadoop100 kafka-0.11.0.0]# mkdir logs

修改配置文件server.properties
配置环境变量

[root@hadoop100 module]# vi /etc/profile

#KAFKA_HOME
export KAFKA_HOME= /opt/module/kafka-0.11.0.2
export PATH=$PATH:$KAFKA_HOME/bin

[root@hadoop100 module]# source /etc/profile

分发kafka安装包和环境变量，并修改配置文件中broke.id为1、2。
启动集群

[root@hadoop100 kafka-0.11.0.0]#  bin/kafka-server-start.sh -daemon config/server.properties
[root@hadoop101 kafka-0.11.0.0]#  bin/kafka-server-start.sh -daemon config/server.properties
[root@hadoop102 kafka-0.11.0.0]#  bin/kafka-server-start.sh -daemon config/server.properties

关闭集群

[root@hadoop100 kafka-0.11.0.0]#  bin/kafka-server-stop.sh stop
[root@hadoop101 kafka-0.11.0.0]#  bin/kafka-server-stop.sh stop
[root@hadoop102 kafka-0.11.0.0]#  bin/kafka-server-stop.sh stop

kafka群起脚本

for i in `cat /opt/module/hadoop-2.7.2/etc/hadoop/slaves`
do
echo "========== $i ==========" 
ssh $i 'source /etc/profile&&/opt/module/kafka-0.11.0.2/bin/kafka-server-start.sh -daemon 
 /opt/module/kafka-0.11.0.2/config/server.properties &'
echo $?
done

2.2 Kafka命令行操作

查看当前服务器中的所有topic

[root@hadoop100 kafka-0.11.0.0]# bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop100:2181 --list

创建topic

[root@hadoop100 kafka-0.11.0.0]# bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop100:2181 \
--create --replication-factor 3 --partitions 1 --topic first

选项说明：
--topic：定义topic名
--replication-factor ：定义副本数
--partitions ：定义分区数

删除topic

[root@hadoop100 kafka-0.11.0.0]# bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop100:2181 \
--delete --topic first

需要server.properties中设置delete.topic.enable=true否则只是标记删除。

发送消息

[root@hadoop100 kafka-0.11.0.0]# bin/kafka-console-producer.sh \
--broker-list hadoop100:9092 --topic first
>hello
>world

消费消息

[root@hadoop101 kafka-0.11.0.0]# bin/kafka-console-consumer.sh \
--bootstrap-server hadoop100:9092 --from-beginning --topic first

hello
world

--from-beginning：会把主题中以往所有的数据都读取出来。

查看某个Topic的详情

[root@hadoop100 kafka-0.11.0.0]# bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop102:2181 \
--describe --topic firs

修改分区数(修改的分区数只能大于之前的分区数)

[root@hadoop100 kafka-0.11.0.0]# bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop102:2181
 --alter --topic first --partitions 6

三、Kafka架构深入

3.1 Kafka工作流程

在这里插入图片描述
Kafka中消息是以topic进行分类的，生产者生产消息，消费者消费消息，都是面向topic的。

topic是逻辑上的概念，而partition是物理上的概念，每个partition对应于一个log文件，该log文件中存储的就是producer生产的数据。Producer生产的数据会被不断追加到该log文件末端，且每条数据都有自己的offset。消费者组中的每个消费者，都会实时记录自己消费到了哪个offset，以便出错恢复时，从上次的位置继续消费。

3.2 Kafka文件存储机制

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由于生产者生产的消息会不断追加到log文件末尾，为防止log文件过大导致数据定位效率低下，Kafka采取了分片和索引机制，将每个partition分为多个segment。每个segment对应两个文件：.index文件和.log文件。这些文件位于一个文件夹下，该文件夹的命名规则为：topic名称+分区序号。例如，first这个topic有三个分区，则其对应的文件夹为first-0,first-1,first-2。
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index和log文件以当前segment的第一条消息的offset命名，下图为index文件和log文件的结构示意图：

.index文件存储大量的索引信息，.log文件存储大量的数据，索引文件中的元数据指向对应数据文件中message的物理偏移地址。

3.3 Kafka生产者

① 分区策略

分区的原因：

方便在集群中扩展，每个Partition可以通过调整以适应它所在的机器，而一个topic又可以有多个Partition组成，因此整个集群就可以适应任意大小的数据了；
可以提高并发，因为可以以Partition为单位读写了。

分区的原则：

我们需要将producer发送的数据封装成一个ProducerRecord对象。
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指明partition的情况下，直接将指明的值直接作为partiton值;
没有指明partition值但有key的情况下，将key的hash值与topic的partition数进行取余得到partition值;
既没有partition值又没有key值的情况下，第一次调用时随机生成一个整数（后面每次调用在这个整数上自增），将这个值与topic可用的partition总数取余得到partition值，也就是常说的round-robin算法。

② 数据可靠性保证

为保证producer发送的数据，能可靠的发送到指定的topic，topic的每个partition收到producer发送的数据后，都需要向producer发送ack（acknowledgement确认收到），如果producer收到ack，就会进行下一轮的发送，否则重新发送数据。
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1.副本数据同步策略

方案	优点	缺点
半数以上完成同步，就发送ack	延迟低	选举新的leader时，容忍n台节点的故障，需要2n+1个副本
全部完成同步，才发送ack	选举新的leader时，容忍n台节点的故障，需要n+1个副本	延迟高

Kafka选择了第二种方案，原因如下：

同样为了容忍n台节点的故障，第一种方案需要2n+1个副本，而第二种方案只需要n+1个副本，而Kafka的每个分区都有大量的数据，第一种方案会造成大量数据的冗余。
虽然第二种方案的网络延迟会比较高，但网络延迟对Kafka的影响较小。

2.ISR

采用第二种方案之后，设想以下情景：leader收到数据，所有follower都开始同步数据，但有一个follower，因为某种故障，迟迟不能与leader进行同步，那leader就要一直等下去，直到它完成同步，才能发送ack。这个问题怎么解决呢？

Leader维护了一个动态的in-sync replica set (ISR)，意为和Leader保持同步的follower集合。当ISR中的follower完成数据的同步之后，leader就会给follower发送ack。如果follower长时间未向leader同步数据，则该follower将被踢出ISR，该时间阈值由replica.lag.time.max.ms参数设定。Leader发生故障之后，就会从ISR中选举新的leader。

3.ack应答机制

对于某些不太重要的数据，对数据的可靠性要求不是很高，能够容忍数据的少量丢失，所以没必要等ISR中的follower全部接收成功。所以Kafka为用户提供了三种可靠性级别，用户根据对可靠性和延迟的要求进行权衡，选择以下的配置。

acks参数配置：

0：producer不等待broker的ack，这一操作提供了一个最低的延迟，broker一接收到还没有写入磁盘就已经返回，当broker故障时有可能丢失数据；
1：producer等待broker的ack，partition的leader落盘成功后返回ack。如果在follower同步成功之前leader故障，那么将会丢失数据；
-1：producer等待broker的ack，partition的leader和follower全部落盘成功后才返回ack。但是如果在follower同步完成后，broker发送ack之前，leader发生故障，那么会造成数据重复。

4.故障处理细节

LEO：每个副本的最后一个offset；
HW：所有副本中最小的LEO。

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follower故障
follower发生故障后会被临时踢出ISR，待该follower恢复后，follower会读取本地磁盘记录的上次的HW，并将log文件高于HW的部分截取掉，从HW开始向leader进行同步。等该follower的LEO大于等于该Partition的HW，即follower追上leader之后，就可以重新加入ISR了。
leader故障
leader发生故障之后，会从ISR中选出一个新的leader，之后，为保证多个副本之间的数据一致性，其余的follower会先将各自的log文件高于HW的部分截掉，然后从新的leader同步数据。
注意：这只能保证副本之间的数据一致性，并不能保证数据不丢失或者不重复。

③ Exactly Once语义

对于某些比较重要的消息，我们需要保证exactly once语义，即保证每条消息被发送且仅被发送一次。

在0.11版本之后，Kafka引入了幂等性机制（idempotent），配合acks = -1时的at least once语义，实现了producer到broker的exactly once语义。

idempotent + at least once = exactly once

使用时，只需将enable.idempotence属性设置为true，kafka自动将acks属性设为-1。

3.4 Kafka消费者

① 消费方式

consumer采用pull（拉）模式从broker中读取数据。

push（推）模式很难适应消费速率不同的消费者，因为消息发送速率是由broker决定的。它的目标是尽可能以最快速度传递消息，但是这样很容易造成consumer来不及处理消息，典型的表现就是拒绝服务以及网络拥塞。而pull模式则可以根据consumer的消费能力以适当的速率消费消息。

pull模式不足之处是，如果kafka没有数据，消费者可能会陷入循环中，一直返回空数据。针对这一点，Kafka的消费者在消费数据时会传入一个时长参数timeout，如果当前没有数据可供消费，consumer会等待一段时间之后再返回，这段时长即为timeout。

② 分区分配策略

一个consumer group中有多个consumer，一个topic有多个partition，所以必然会涉及到partition的分配问题，即确定那个partition由哪个consumer来消费。

Kafka有两种分配策略，一是round robin（轮询，默认），一是range。range分配是以topic分配partition，当有多个topic时，可能会造成partition分配不均匀

③ offset的维护

由于consumer在消费过程中可能会出现断电宕机等故障，consumer恢复后，需要从故障前的位置的继续消费，所以consumer需要实时记录自己消费到了哪个offset，以便故障恢复后继续消费。

Kafka 0.9版本之前，consumer默认将offset保存在Zookeeper中，从0.9版本开始，consumer默认将offset保存在Kafka一个内置的topic中，该topic为__consumer_offsets。

3.5 Kafka 高效读写数据

①顺序写磁盘

Kafka的producer生产数据，要写入到log文件中，写的过程是一直追加到文件末端，为顺序写。官网有数据表明，同样的磁盘，顺序写能到到600M/s，而随机写只有100k/s。这与磁盘的机械机构有关，顺序写之所以快，是因为其省去了大量磁头寻址的时间。

②零复制技术
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3.6 Zookeeper在Kafka中的作用

Kafka集群中有一个broker会被选举为Controller，负责管理集群broker的上下线，所有topic的分区副本分配和leader选举等工作。Controller的管理工作都是依赖于Zookeeper的。

以下为partition的leader选举过程：
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Kafka(一)：概述

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