6.2.1 副本管理器

如图6-42所示，上一节将日志作为人- ，分析了日志的读写，但并没有分析日志相关的上下文。本节会从服务端的人- 出发，通过副本管理器、分区、副本，一直到日志，将整个读写流程串联起来。图中分区到日志的虚线表示：业务逻辑层的一个分区对应物理存储层的一个日志。消息集到数据文件的虚线表示：客户端发送的消息集最终会写入日志分段对应的数据文件，存储至UKafka的消息、代理节点。

Kafka服务在启动时会先创建各种相关的组件，最后才会创建KafkaApi.s。业务组件一般都有后台的线程，除了创建组件后，也要启动这些后台线程。比如，日志管理器会启动日志管理相关的后台线程(详见6.1.5节)；网络服务端会启动处理器线程(详见2.3.1节)。相关代码如下：

从5.2.l节我们了解到，消费者客户端发送“加入组请求”和“同步组请求”给服务端，服务端通过KafkaApi.s~每请求的处理交给消费组的协调者(GroupCoordi.nator)。与之类似，本章客户端发送“生产请求”和“拉取请求”给服务端，服务端将请求的处理交给副本管理器(Repli.caManager)。与日志存储相关的业务组件是副本管理器，负责日志的底层类是日志管理器，副本管理器通过日志管理器间接地操作底层的日志。相关代码如下：

注意：服务端创建日志、读取日志、管理日志都只能通过日志管理器完成。实际上，日志管理器会传给副本管理器，而昌1］本管理器管理所有的分区，分区管理所有的副本，每个副本对应一个日志。分区在创建副本时才会创建日志。每个分区都需妥持有副本管理器的引用，才能通过日志管理器创建日志。

KafkaApis是服务端处理所有请求的人- ，它只负责将请求的具体处理将发给其他组件去处理。服务端处理客户端发送的生产请求和拉取请求，会先解析请求中的数据，不同的请求有不同的数据。生产请求包含：分区消息集、应答超时时间、是否需要应答。拉取请求包含：最长等待时间、最小拉取字节数、备份副本的编号。由于服务端处理请求最后都要返回响应结果给客户端，它们都要事先定义一个“发送响应结果的回调方法”，并作为参数传给副本管理器。相关代码如下：

服务端处理客户端的生产请求和拉取请求，都会通过副本管理器执行具体的业务处理逻辑。

6.2.1 副本管理器

追加消息时，生产者客户端会发送每个分区以及对应的消息集(l’lessagesPerParti.ti.on)；拉取消息时，客户端会发送每个分区以及对应的拉取信息(fetchlnfo)。服务端返回给客户端的响应结果也会按照分区分别返回，生产请求的响应结果(Parti.ti.onResponse)包含追加消息集到分区后返回的起始偏移量。拉取请求的响应结果(FetchResponseParti.ti.onData)包含每个分区的最高水位、每个分区的消息集。相关代码如下：

注意：为了快速理解服务端处理读写消息的流程，下面的代码暂时省略了与“延迟操作”相关的内容。服务端追加消息集通过appendMessages()调用appendTolocalLog()方法，将多个分区的消息集分别追加到分区对应的本地日志文件中。拉取消息集通过fetchMessages()方法调用readFroMLocallog()方法，从多个分区对应的本地日志文件中拉取出消息集。

追加和读取本地日志
服务端接收客户端发送的生产请求和拉取请求都会包括多个分区。追加消息集和读取消息集，首先都需要获取到分区对象，然后再获取到分区的主副本。针对本地日志文件的读写，追加和拉取在实现上稍微有些不同。

追加消息集时，在分区(Part"i.t"i.on)中获取主副本，并写入本地的日志文件。
读取消息集时，在副本管理器中获取分区的主副本，并读取本地的日志文件。

为了对比追加消息集和拉取消息集的不同，我们将追加消息集到分区的代码从分区中移动到副本管理器中。这样两者的使用方式就有点类似了，它们都会获取到本地副本的日志对象(localReplicalog)，然后分别调用日志(Log)的append()方法和read()方法。每个分区的消息集追加到本地日志文件后，都会返回一个LogReadResult对象。从每个分区的本地日志文件拉取归消息集后，都会返回一个LogReadResult对象。相关代码如下：

注意：appendMessages()和fetchMessages()中分别调用localProduceResults和logReadResults的l’lapValues()方法，这是因为转换Map的值时不需妥利用Map的键。而上面两段代码在迭代Map时会用到Map的键Ur分区)执行一些其他的操作，不能用l’lapValues()方法，而只能采用Map()方法。另外Map()方法也有两种使用模式：在case模式匹配中可以用变量匹配、对象匹西己。

在appendTolocalLog()方法中，每个分区的消息集追加到主副本对应的日志文件后，有两个“延迟操作”相关的方法：尝试完成延迟的拉取请求(tryCol’lpleteDelayedFetch)、尝试完成当前分区的延迟请求(tryCol’lpleteDelayedReq四sts)。同样地，拉取每个分区的消息集时，也有类似的“延迟操作”，只不过在实现上相关的代码比较隐蔽。副本管理器的fetchMessages()方法，在读取所有分区的拉取结果后，判断拉取请求：如果是来向备份副本，就会通过updateFollowerLogReadResults()方法调用每个分区的updateRepli.calogReadResult()方法更新每个分区的备份副本。下面的前两段代码去掉了分区的迭代，只专注于一个分区的处理：

为了方便理解“读写本地日志”与“延迟操作”的关联关系，上面3段代码都对源码进行了改造。
实际的源码与上面代码有几个不同点，如下。

appendTolocallog()和readFr01TJLocallog()会循环所有的分区，每个分区都会读写日志。这里只列出一个分区的处理方式。
appendTolocallog()方法写入主副本日志的逻辑在分区类中，这里移到副本管理器。这是为了和readFr01TJLocallog()形成对比，readFrol’llocallog()方法在副本管理器中读取主副本的日志。
副本管理器调用完readFr01TJLocallog()，才会调用叩dateRepli.calogReadRes1」lt()方法更新每个分区的备份副本。而这里把更新分区的备份副本，移到了readFrOl’llO日llog()读取主副本日志之后，这是为了和appendTolocallog()形成对比。
appendTolocallog()方法在写入主副本日志后，会尝试完成被延迟的拉取求。readFrOl’llocallog()方法在读取主副本日志后，会尝试完成被延迟的生产请求。
tryCol’lpleteDelayedRequests()方法在分区类中，它会尝试完成当前分区的生产请求和拉取请求。这里把它们移到副本管理器中，就需要给这个方法添加上分区参数。

如表6-4所示，副本管理器处理客户端发送的生产请求和拉取请求，整体上的处理方式是类似的。

生产者发送的生产请求会设置应答值，服务端会根据应答值判断是否需要创建延迟的生产对象。

生产者客户端设置的应答值
在2.1.1节中，生产者可以用同步和异步模式发送生产请求给服务端：同步模式下，生产者发送一条消息后，必须等待收到响应结果，才会接着发送下一条消息；异步模式下，生产者发送一条消息后，不用等待收到上一条消息的响应结果，就可以接着发送下一条消息。生产者发送的生产请求还有一个设置项(request.requi.red.acks)一一是杏需要等待服务端的应答，应答的值表示：生产者要求主副本收到指定数量的应答，才会认为生产请求完成了。应答的值有下面3种场景。

“应答值等于0”，表示生产者不会等待服务端的任何应答。客户端将消息添加到网络缓冲区(socketbuffer)后，就认为生产请求已经完成了。这种情况下，主副本收到的应答数量为0，意味着主副本可能都没有收到客户端发送的消息，消息有可能会丢失。客户端发送生产请求后，对应的响应结果需要返回每条消息在服务端的偏移filo应答值等于0时，每条消息的偏移革者F是－10如图6-43所示，生产者设置的应答值等于0，可能会丢失数据，具体步骤如下。

(l)生产者将消息发送到网络通道后就认为生产请求完成。
(2)消息l和消息2发送州去，它们都算完成了。但消息3没完全发送出去，就不算完成。
(3)主副本只收到了消息l，但不保证备份副本会复制这条消息。
(4)主副本挂掉了，它接收的消息l也没有备份，这条消息就丢失了。
(5)备份副本变为主副本后，客户端认为成功的消息l和消息2实际上都丢失了。

“应答值等于l”，表示生产者会等待主副本收到一个应答后，认为生产请求完成了。这一个应答，实际上就是主副本向己的应答。主副本收到客户端发送的消息，并存储到本地日志后，生产请求就算完成，服务端就可以返回响应结果给客户端。这种情况下，由于主副本只收到向己发送的应答(实际上主副本自己不会发送应答，只不过主副本写入成功，就算作一个应答)，没有收到备份副本发送的应答，仍然有可能丢失消息。比如主副本写入本地日志后，发送了它向己的应答，生产者认为请求完成了，但这时主副本挂掉了，备份副本都还没有及时地同步主副本写入本地日志的那些消息。

如图6-44所示，生产者设置的应答值等于l，也有可能会丢失数据，具体步骤如下。

(1)生产者将消息发送到网络通道后，需要等待一个副本的应答。
(2)主副本接收消息l和消息2并存储到本地日志。备份副本同步了消息l，但没有同步消息2。
(3)主副本将消息存储到主副本的本地日志，生产请求就算完成，消息3对应的生产请求不算完成。
(4)主副本挂掉了，它接收的消息2没有备份，但消息l在挂掉之前存在一个副本备份。
(5)备份副本变为主副本，客户端认为成功的消息l和消息2，只有消息1，丢失了消息2。

“应答值等于－1(或者all)”，表示生产者发送生产请求后，“所有处于同步的备份副本(ISRY’都向主副本发送了应答之后，生产请求才算完成。在这之前，如果这些备份副本只要有一个没有向主副本发送应答，主副本就会阻塞井等待，生产请求就不能完成。这种情况保证了：JSR中的副本只要有一个是存活的，消息就不会丢失。ISR一定会包括主副本，即使主副本挂掉了，只要还有一个备份副本存活，仍然可以保证消息不会丢失。

如图6-45所示，生产者设置的应答值等于－1，不会丢失数据，具体步骤如下。

(1)生产者将消息发送到网络通道后，需要等待多个副本的应答。
(2)主副本接收消息并存储到本地日志，备份副本都同步了消息l和消息2，但未完全同步消息3。
(3)主副本收到所有备份副本的应答，生产请求才算完成，消息3对应的生产请求不算完成。
(4)主副本挂掉了，消息1和消息2都有备份，但1肖息3不一定所有的副本都有备份。
(5)备份副本变为主副本，客户端认为成功的消息1和消息2，在所有备份副本中都存在，不会丢失。

对于应答值等于0，服务端并不保证一定会收到生产者客户端发送的消息集，但这并不意味着服务端不需要处理生产请求。服务端仍然需要处理生产请求，并将消息集追加到本地日志中。只不过消息存储到主副本的本地日志文件后，不再需要发送响应结果给生产者客户端。(因为生产者客户端在把生产请求发送到网络通道后，就会立即收到响应结果。如果服务端处理完成后还要发送响应结果给客户端，那客户端就收到了两次响应结果，而这显然是不必要的。)

对于应答值等于1，副本管理器的appendMessages()方法调用appendTolocallog()就确保消息集追加到主副本的木地日志文件中了。这时就可以调用回调方法，立即返回响应结果给客户端。

对于应答值等于－1，消息集只是追加到主副本还不够，主副本还需要等待ISR中的所有备份副本都向它发送应答。这意味着：消息集在写到主副本的本地日志文件之后，服务端还不能返回响应结果给客户端。服务端为了等待备份副本发送应答，可以采用阻塞的方式，但这种实现方式对服务端的性能影响较大。Kafka针对这种需要“延迟返回响应结果”给客户端的情况，专门会有一个“延迟的操作”。

注意：从服务端的角度来看，服务端会延迟返回响应结果给客户端。而从客户端的角度来看，客户端友送的请求需妥等待一段时间才能收到响应结果，生产请求的响应结果被延迟返回。

创建延迟的生产和延迟的拉取
服务端延迟返回响应结果是有一定限制条件的。对于生产请求，delayedProduceRequest()方法必须同时满足下面3个条件，服务端才需要“延迟返回生产结果”给客户端。

生产者等待所有ISR备份副本都向主副本发送应答：requi.redAcks==-1。
生产者发送的消息有数据：MessagesPerParti.ti.on.si.ze>0。
至少要有一个分区写入到主副本的本地日志文件是成功的。

如果不满足上面任意一个条件，服务端就会立即返回响应结果给客户端。比如，生产者设置的应答值等于l，或生产者发送的消息集根本没有数据，或所有分区写入到主副本的本地日志文件都失败了。服务端创建“延迟的生产”，意味着备份副本会向主副本拉取数据。如果没有创建“延迟的生产”，并不意味着备份副本不会向主副本拉取数据，只是生产者客户端不关心而已。相关代码如下：

对于拉取请求，必须同时满足下面4个条件，服务端才需要“延迟返回拉取结果”给客户端。

拉取请求设置等待时间：ti.l’leout>0。
拉取请求要有拉取分区：fetchinfo.si.ze>0。
本次拉取还没有收集足够的数据：bytesReadable<fetchMi.nBytes。
拉取分区时不能发生错误：！errOrReadi.ngDatao

追加消息集到主副本的本地日志文件后，如果满足“延迟生产”的限制条件，就会创建一个“延迟的生产”对象(DelayedProduce)。读取主副本的本地日志文件后，如果满足“延迟拉取”的限制条件，就会创建一个“延迟的拉取”对象(DelayedFetch)。相关代码如下：

回顾下第5章可知，协调者处理消费者“加入组请求”“同步组请求”“心跳请求”时，也会创建两种延迟操作：“延迟的加入”(DelayedJoin)、“延迟的心跳”(DelayedHeartbeat)。相关代码如下：

服务端创建延迟操作对象后，会立即尝试是否能够完成这个延迟的操作，如果不能完成会加入“延迟缓存”。如l入延迟缓存中的延迟操作对象，有两种完成方式：超时或者外部事件。超时后，服务端必须返回响应结果给客户端。外部事件导致“限制条件”不再满足，服务端可以立即返回响应结果给客户端。创建延迟操作对象，并加入延迟缓存的步骤如下。

(1)获取延迟操作的超时时间。“延迟生产”和“延迟拉取”的超时时间都是客户端设置的，“延迟加入”是消费组的再平衡时间，“延迟心跳”是消费组的会话时间。
(2)创建延迟的操作对象。除了设置超时时间，还要传递相关的元数据，即延迟操作对象是有状态的。
(3)指定延迟操作的键。“延迟生产”和“延迟拉取”的键都是分区，“延迟加入”的键是消费组编号，“延迟心跳”的键是消费者成员编号。
(4)通过延迟缓存执行第一次的尝试完成操作。如果完成不了，将延迟操作对象加入延迟缓存的监控。

如表6-5所示，列举了服务端创建的4种延迟操作对象，以及它们分别在对应的外部事件触发下，返回响应结果给客户端需要满足的条件。“延迟加入”的外部事件是：消费组中的所有｜｜二｜消费者全部重新发送了“加入组请求”。这时“延迟的加入”操作才认为不再被延迟了，服务端会返回“加入组响应结果”给每个消费者。“延迟生产”的外部事件是：！SR的所有备份副本都向主副本发送了应答。这时“延迟的生产”操作才认为不再被延迟，服务端会返回“生产响应结果”给生产者。

除了上面的外部事件会完成延迟的操作外，针对“延迟的生产”和“延迟的拉取”，还有其他事件会尝试完成延迟的操作对象。

延迟的操作与外部事件的关系
如表6-6所示，服务端处理生产请求，追加消息集到主副本的本地日志后，会尝试完成延迟的拉取；服务端处理备份副本的拉取请求，向主副本的本地日志读取消息集后，会尝试完成延迟的生产。

服务端处理的拉取请求可以来自消费者和备份副本。备份副本拉取主副本的消息、，会尝试完成“延迟的生产”，而消费者拉取主副本的消息时，并不会尝试完成“延迟的生产”。不过，生产者追加消息、到主副本的本地日志后，则可能会尝试完成消费者创建的“延迟拉取”。如图6-46所示，生产者在追加消息集后(中图)，会创建延迟的生产请求；消费者(左图)和备份副本(右图)在读取消息集后，会创建延迟的拉取请求。图中生产者、消费者、备份副本之间的虚线连线表示：不同的外部事件尝试完成不同的延迟操作。

生产者追加消息集到主副本的本地日志、备份副本读取主副本的本地日志，这两者看起来没有什么关联关系。但是在服务端中，通过“延迟的生产”和“延迟的拉取“，两者联系在一起了。理解上面几条虚线之间的关系，要理解下面两个问题。

(1)当不能返回响应结果时，什么限制条件需要让服务端创建一个延迟操作对象。
(2)当发生限制条件对应的外部事件时，就可以尝试完成第一步创建的延迟操作。

如图6-47所示，生产者追加消息创建延迟的生产(问题1)，它的限制条件是：所有备份副本发送应答给主副本。当备份副本投取消息，表示备价副本发送应答给主副本，就会尝试完成延迟的生产请求(问题2)。同样地，备份副本拉取消息创建延迟的拉取(问题I)，它的限制条件是：拉取到足够的消息。~生产者追加消息到主副本后，表示有新的消息，就会尝试完成延迟的拉取请求(问题2)。

关于延迟操作和延迟缓存，以及延迟操作的尝试完成、真正完成，会在6.3节再深入分析，接下来看存储层上的分区。副本管理器追加消息到分区，或者从分区拉取消息，都需要操作分区对象。

注意：分区是Kafka的一个重妥概念，Kafka源码中和分区相关的类也有很多。比如，2.1.1节的分区信息(Partitioninfo)记录了分区的信息，包括主题、分区、主副本、所有副本、同步的副本。3.2.3节的分区主题信息对象(PartitionTopicinfo)记录了消费者的分配信息，包括主题、分区、队列、偏移量、拉取大小。
另外，还有两个只记录了主题和分区编号的对象一一TopicAndPartition和TopicPartition,前者是一个Scala类，后者是一个Java类，它们主要用在客户端。下面分析的分区对象(Partition)则用于服务端。如果把客户端的两个分区类看作元状态的，服务端则是有状态的。服务端的分区对象除了有主题和分区编号，它还要管理所有的副本，包括主副本、备份副本。

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