Kafka_01_Kafka初识

Kafka

Kafka: ZooKeeper协调的分布式消息系统

1. 基于Scala语言编写的高性能、多分区、多副本
2. Kafka高性能的原因：页缓存、顺序IO、零拷贝

具有以下特性：

1. 消息中间件: 系统解耦、冗余存储、流量消峰、异步通信等
2. 存储系统: 通过消息持久化和多副本机制实现消息落盘
3. 流处理: 为流式处理框架提供可靠的数据来源和库

Kafka组成: 若干个Producer、Consumer、Broker和ZooKeeper集群

1. Producer(生产者): 生产并发送消息到Broker(推送)
2. Consumer(消费者): 从Broker订阅并消费消息(拉取)
3. Broker(服务代理节点): 将从Producer收到的消息进行落盘
4. ZooKeeper集群：管理Kafka集群的元数据

// Broker可看成单个独立的Kafka服务实例, 多个Broker组成个Kafka集群

如: Kafka集群构成

基础概念

主题(Topic): Kafka中消息归类单位

1. Topic并不实际存在(仅逻辑上的概念)
2. Topic可细分为多个Partition, 但Partition仅属于单个Topic
3. 功能: Producer将消息发送到特定Topic, Consumer订阅Topic消费消息

分区(Partition): 组成Topic的单位(实际存储消息)

1. Partition在存储层面可视为: 可被追加的日志文件
2. 同一Topic下的不同Partition包含的消息是不同的
3. Partition可跨Broker(Topic可跨Broker)

偏移量(Offset): 消息追加到Partition时分配的标志位

1. Offset是消息在Partition中的唯一标识(保证Partition内的有序性)
2. Offset不支持跨Partition(Topic无序)

如: 消息追加写入Partition

1. 消息在发送到Broker之前, 都会先根据Partition规则分配到具体的Partition
2. Topic的Partition应避免都属于单个文件(避免机器的I/O成为性能瓶颈)

Partition中2个特殊的Offset:

1. HW(High Watermark): Consumer能拉取到消息的最大Offset
2. LEO(Log End Offset): Partition下条消息写入的Offset

// ISR中最小的LEO为该Partition的HW(最慢的follower)

如: Partition中的特殊Offset

副本(Replica): Partition的冗余

1. 功能: Kafka通过多副本机制提高容灾能力
2. 副本之间分为：leader(主副本)、follower(从副本)
3. 副本间仅存在一主多从关系, 且可实现自动故障转移
4. Producer和Consumer只能和leader进行交互(follower仅进行消息同步)

如: Kafka的多副本交互

副本相关名词:

1. AR(Assigned Replicas): 所有副本(包括leader)
2. ISR(In-Sync Replicas): 与leader保持同步的副本(包括leader)
3. OSR(Out-of-Synce Replicas): 与leader同步滞后过多的副本(数据不同步)

// 默认仅ISR中的副本才有资格选举为leader, 且负责动态管理ISR和OSR中的follower

延迟任务

时间轮(TimeingWheel): 以固定时间粒度为单位管理和调度事件的数据结构

1. 时间跨度(tickMs): 时间轮构成的基本单位, 个数固定
2. 表盘指针(currentTime): 指向当前所处的时间粒度
3. 时间轮对于插入/删除操作的时间复杂度为O(1)

定时器(SystemTimer): Kafka中各类延迟操作的触发

1. 本质: 基于时间轮机制和数组构成的环形队列
2. 定时任务项(TimerTaskEntry): 封装真正的定时/延迟任务(Task)
3. 定时任务列表(TimerTaskList): 存放时间粒度下所有TimerTaskEntry的双向链表

如: 定时器构成结构

1. 当添加TimerTaskEntry时, 会根据过期时间和currentTime算出应插入的TimerTaskList
2. 当计算结果超出总tickMs时, 会复用之前的TimerTaskList
3. TimerTaskList中都有个哑元节点方便操作(不存储数据)

层级时间轮(Hierarchical TimeingWheel): 分层处理不同tickMs的多级时间轮的组合结构

1. 本质: 通过划分每个时间轮处理的时间范围, 以保证时间轮的高性能
2. 升级: 当TimerTaskEntry的过期时间超出本层的时间范围时, 将交由上层时间轮
3. 降级: 当TimerTaskEntry在高层时间轮中过期时, 会将其减少已过的时间并重新提交到层级时间轮
4. TimerTask仅能由最底层的时间轮负责执行处理, 高层的时间轮仅根据时间粒度负责其的编排和重新提交

// Kafka中通过DelayQueue和ExpiredOperationReaper线程实现时间的推进(避免空转造成的性能浪费)

如: 层级时间轮

1. 层级时间轮创建时会以当前系统时间作为最底层时间轮的起始时间(startMs)
2. 高层时间轮的起始时间都为创建时上一层时间轮的currentTime
3. 每层时间轮的currentTIme都必须是tickMs的整数倍
4. Kafka仅持有最底层时间轮的引用

延迟操作管理器(DelayedOperationPurgatory, DOP): 管理/执行Kafka中各类延迟操作

1. 每个DOP都对应个定时器(超时管理)和监听池(监听Partition事件)
2. 当进行延迟拉取时, 会读取两次日志文件并等待足够数量的消息才会返回

如: Producer的延迟操作