5分钟带你了解Kafka的技术架构

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大家都知道 Kafka 是一个非常牛逼的消息队列框架，阿里的 RocketMQ 也是在 Kafka 的基础上进行改进的。对于初学者来说，一开始面对这么一个庞然大物会不知道怎么入手。那么这篇文章就带你先了解一下 Kafka 的技术架构，让你从全局的视野认识 Kafka。了解了 Kafka 的整体架构和消息流程之后，脑海里就会有一个大致的结构，这时候再去学习每个部分就容易得多了。

我们先来看一下 Kafka 的整体架构图：

Kafka 的架构图可以分为四个部分：

Producer Cluster：生产者集群。一般由许多个实际的业务项目组成，其不断地往 Kafka 集群中写入数据。
Kafka Cluster：Kafka 服务器集群。这里就是 Kafka 作为重要的一部分，这里负责接收生产者写入的数据，并将其持久化到文件里，最终将消息提供给 Consumer Cluster。
Zookeeper Cluster：Zookeeper 集群。Zookeeper 负责维护整个 Kafka 集群的 Topic 信息、Kafka Controller 等信息。
Consumer Cluster：消费者集群。与 Producer Cluster 一样，其一般是由许多个实际的业务项目组成，不断地从 Kafka Cluster 中读取数据。

了解了 Kafka 的整体架构，那一个消息是怎么从生产者到 Kafka Server，又是如何从 Kafka Server 到消费者的呢？一般来说，一个消息的流转可以分为下面几个阶段：

服务器启动阶段
生产者发送消息阶段
Kafka存储消息阶段
消费者拉取消息阶段

服务器启动阶段

首先，我们会启动 Zookeeper 服务器，作为集群管理服务器。接着，启动 Kafka Server。Kafka Server 会向 Zookeeper 服务器注册信息，接着启动线程池监听客户端的连接请求。最后，启动生产者和消费者，连接到 Zookeeper 服务器，从 Zookeeper 服务器获取到对应的 Kafka Server 信息[1]。

生产者发送消息阶段

当需要将消息存入消息队列中时，生产者根据配置的分片算法，选择分到哪一个 partition 中。在发送一条消息时，可以指定这条消息的 key，Producer 根据这个 key 和 Partition 机制来判断应该将这条消息发送到哪个 Parition。

Paritition 机制可以通过指定 Producer 的 paritition.class 这一参数来指定，该 class 必须实现 kafka.producer.Partitioner 接口。如果不实现 Partition 接口，那么会使用默认的分区算法，即根据根据 key 哈希后取余[2]。

随后生产者与该 Partition Leader 建立联系，之后将消息发送至该 partition leader。之后生产者会根据设置的 request.required.acks 参数不同，选择等待或或直接发送下一条消息。

request.required.acks = 0 表示 Producer 不等待来自 Leader 的 ACK 确认，直接发送下一条消息。在这种情况下，如果 Leader 分片所在服务器发生宕机，那么这些已经发送的数据会丢失。
request.required.acks = 1 表示 Producer 等待来自 Leader 的 ACK 确认，当收到确认后才发送下一条消息。在这种情况下，消息一定会被写入到 Leader 服务器，但并不保证 Follow 节点已经同步完成。所以如果在消息已经被写入 Leader 分片，但是还未同步到 Follower 节点，此时Leader 分片所在服务器宕机了，那么这条消息也就丢失了，无法被消费到。
request.required.acks = -1 表示 Producer 等待来自 Leader 和所有 Follower 的 ACK 确认之后，才发送下一条消息。在这种情况下，除非 Leader 节点和所有 Follower 节点都宕机了，否则不会发生消息的丢失。

Kafka存储消息阶段

当 Kafka 接收到消息后，其并不直接将消息写入磁盘，而是先写入内存中。之后根据生产者设置参数的不同，选择是否回复 ack 给生产者。之后有一个线程会定期将内存中的数据刷入磁盘，这里有两个参数控制着这个过程：

# 数据达到多少条就将消息刷到磁盘
#log.flush.interval.messages=10000
# 多久将累积的消息刷到磁盘，任何一个达到指定值就触发写入
#log.flush.interval.ms=1000

如果我们设置 log.flush.interval.messages=1，那么每次来一条消息，就会刷一次磁盘。通过这种方式，就可以达到消息绝对不丢失的目的，这种情况我们称之为同步刷盘。反之，我们称之为异步刷盘。

于此同时，Kafka 服务器也会进行副本的复制，该 Partition 的 Follower 会从 Leader 节点拉取数据进行保存。然后将数据存储到 Partition 的 Follower 节点中。

消费者拉取消息阶段

在消费者启动时，其会连接到 zk 注册节点，之后根据所连接 topic 的 partition 个数和消费者个数，进行 partition 分配。一个 partition 最多只能被一个线程消费，但一个线程可以消费多个 partition。其分配算法如下：

1. 将目标 topic 下的所有 partirtion 排序，存于PT
2. 对某 consumer group 下所有 consumer 排序，存于 CG，第 i 个consumer 记为 Ci
3. N=size(PT)/size(CG)，向上取整
4. 解除 Ci 对原来分配的 partition 的消费权（i从0开始）
5. 将第i*N到（i+1）*N-1个 partition 分配给 Ci

我们用例子简单描述下这个算法的内容：假设我们连接的 topic 有 8 个 partition，此时有 3 个消费线程。那么 partition 的分配过程大致是这样的：

8/3=2.667，向上取整就是3，也就是说每个consumer分配3个分区。
那么给第一个消费者分配p0/p1/p2三个分区。
给第二个消费者分配p3/p4/p5三个分区。
给第三个消费者分配p6/p7两个分区。

接着消费者连接对应分区的 Kafka Server，并从该分区服务器拉取数据。

总结

这篇文章简单介绍了 Kafka 框架的技术架构以及消息流转过程，并介绍了其中的某些细节。通过这篇文章，相信大家对 Kafka 框架应该有个大致的了解。

参考资料

[1].kafka broker启动流程和server结构
[2].kafka发送消息分区选择策略详解

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