kafka消费组与重平衡机制详解

1.消费者组

1.1 介绍

消费者组，即 Consumer Group，应该算是 Kafka 比较有亮点的设计了。

那么何谓 Consumer Group 呢？

Consumer Group 是 Kafka 提供的可扩展且具有容错性的消费者机制。既然是一个组，那么组内必然可以有多个消费者或消费者实例（Consumer Instance），它们共享一个公共的 ID，这个 ID 被称为 Group ID。组内的所有消费者协调在一起来消费订阅主题（Subscribed Topics）的所有分区（Partition）。当然，每个分区只能由同一个消费者组内的一个 Consumer 实例来消费。

大概可以总结为以下三点：

Consumer Group 下可以有一个或多个 Consumer 实例。这里的实例可以是一个单独的进程，也可以是同一进程下的线程。在实际场景中，使用进程更为常见一些。
Group ID 是一个字符串，在一个 Kafka 集群中，它标识唯一的一个 Consumer Group。
Consumer Group 下所有实例订阅的主题的单个分区，只能分配给组内的某个 Consumer 实例消费。这个分区当然也可以被其他的 Group 消费。

Consumer Group 之间彼此独立，互不影响，它们能够订阅相同的一组主题而互不干涉。kafka可以利用这一机制，同时实现消息引擎的两大模型：点对点模型和发布/订阅模型：如果所有实例都属于同一个 Group，那么它实现的就是消息队列模型；如果所有实例分别属于不同的 Group，那么它实现的就是发布 / 订阅模型。

1.2 实例数量

在实际使用场景中，我怎么知道一个 Group 下该有多少个 Consumer 实例呢？理想情况下，Consumer 实例的数量应该等于该 Group 订阅主题的分区总数。

举个简单的例子，假设一个 Consumer Group 订阅了 3 个主题，分别是 A、B、C，它们的分区数依次是 1、2、3，那么通常情况下，为该 Group 设置 6 个 Consumer 实例是比较理想的情形，因为它能最大限度地实现高伸缩性。

如果你有 3 个实例，那么平均下来每个实例大约消费 2 个分区（6 / 3 = 2）；如果你设置了 8 个实例，那么很遗憾，有 2 个实例（8 – 6 = 2）将不会被分配任何分区，它们永远处于空闲状态。因此，在实际使用过程中一般不推荐设置大于总分区数的 Consumer 实例。设置多余的实例只会浪费资源，而没有任何好处。

2.重平衡机制

2.1 介绍

Rebalance 本质上是一种协议，规定了一个 Consumer Group 下的所有 Consumer 如何达成一致，来分配订阅 Topic 的每个分区。比如某个 Group 下有 20 个 Consumer 实例，它订阅了一个具有 100 个分区的 Topic。正常情况下，Kafka 平均会为每个 Consumer 分配 5 个分区。这个分配的过程就叫 Rebalance。

那么 Consumer Group 何时进行 Rebalance 呢？Rebalance 的触发条件有 3 个。

组成员数发生变更。比如有新的 Consumer 实例加入组或者离开组，抑或是有 Consumer 实例崩溃被“踢出”组。
订阅主题数发生变更。Consumer Group 可以使用正则表达式的方式订阅主题，比如 consumer.subscribe(Pattern.compile(“t.*c”)) 就表明该 Group 订阅所有以字母 t 开头、字母 c 结尾的主题。在 Consumer Group 的运行过程中，你新创建了一个满足这样条件的主题，那么该 Group 就会发生 Rebalance。
订阅主题的分区数发生变更。Kafka 当前只能允许增加一个主题的分区数。当分区数增加时，就会触发订阅该主题的所有 Group 开启 Rebalance。

Rebalance 发生时，Group 下所有的 Consumer 实例都会协调在一起共同参与。你可能会问，每个 Consumer 实例怎么知道应该消费订阅主题的哪些分区呢？这就需要分配策略的协助了。

当前 Kafka 默认提供了 3 种分配策略，每种策略都有一定的优势和劣势。

三种策略具体介绍：https://blog.csdn.net/fy_java1995/article/details/106405169

2.2 注意点

首先，Rebalance 过程对 Consumer Group 消费过程有极大的影响。如果你了解 JVM 的垃圾回收机制，你一定听过万物静止的收集方式，即著名的 stop the world，简称 STW。

Java中Stop-The-World机制简称STW，是在执行垃圾收集算法时，Java应用程序的其他所有线程都被挂起（除了垃圾收集帮助器之外）。Java中一种全局暂停现象，全局停顿，所有Java代码停止，native代码可以执行，但不能与JVM交互；这些现象多半是由于gc引起。

在 STW 期间，所有应用线程都会停止工作，表现为整个应用程序僵在那边一动不动。Rebalance 过程也和这个类似，在 Rebalance 过程中，所有 Consumer 实例都会停止消费，等待 Rebalance 完成。这是 Rebalance 为人诟病的一个方面。

所以，我们应该尽量避免ReBalance。

在实际情况中，大部分情况下，都是由于Consumer实例的增加或减少导致的ReBalance。

当 Consumer Group 完成 Rebalance 之后，每个 Consumer 实例都会定期地向 Coordinator 发送心跳请求，表明它还存活着。如果某个 Consumer 实例不能及时地发送这些心跳请求，Coordinator 就会认为该 Consumer 已经“死”了，从而将其从 Group 中移除，然后开启新一轮 Rebalance。Consumer 端有个参数，叫 session.timeout.ms，就是被用来表征此事的。该参数的默认值是 10 秒，即如果 Coordinator 在 10 秒之内没有收到 Group 下某 Consumer 实例的心跳，它就会认为这个 Consumer 实例已经挂了。可以这么说，session.timeout.ms 决定了 Consumer 存活性的时间间隔。

除了这个参数，Consumer 还提供了一个允许你控制发送心跳请求频率的参数，就是 heartbeat.interval.ms。这个值设置得越小，Consumer 实例发送心跳请求的频率就越高。频繁地发送心跳请求会额外消耗带宽资源，但好处是能够更加快速地知晓当前是否开启 Rebalance，因为，目前 Coordinator 通知各个 Consumer 实例开启 Rebalance 的方法，就是将 REBALANCE_NEEDED 标志封装进心跳请求的响应体中。

除了以上两个参数，Consumer 端还有一个参数，用于控制 Consumer 实际消费能力对 Rebalance 的影响，即 max.poll.interval.ms 参数。它限定了 Consumer 端应用程序两次调用 poll 方法的最大时间间隔。它的默认值是 5 分钟，表示你的 Consumer 程序如果在 5 分钟之内无法消费完 poll 方法返回的消息，那么 Consumer 会主动发起“离开组”的请求，Coordinator 也会开启新一轮 Rebalance。

2.3 如何通知到其它消费者

重平衡过程是如何通知到其他消费者实例的？答案就是，靠消费者端的心跳线程（Heartbeat Thread）。

Kafka Java 消费者需要定期地发送心跳请求（Heartbeat Request）到 Broker 端的协调者，以表明它还存活着。在 Kafka 0.10.1.0 版本之前，发送心跳请求是在消费者主线程完成的，也就是你写代码调用 KafkaConsumer.poll 方法的那个线程。

这样做有诸多弊病，最大的问题在于，消息处理逻辑也是在这个线程中完成的。因此，一旦消息处理消耗了过长的时间，心跳请求将无法及时发到协调者那里，导致协调者“错误地”认为该消费者已“死”。自 0.10.1.0 版本开始，社区引入了一个单独的心跳线程来专门执行心跳请求发送，避免了这个问题。

但这和重平衡又有什么关系呢？其实，重平衡的通知机制正是通过心跳线程来完成的。当协调者决定开启新一轮重平衡后，它会将“REBALANCE_IN_PROGRESS”封装进心跳请求的响应中，发还给消费者实例。当消费者实例发现心跳响应中包含了“REBALANCE_IN_PROGRESS”，就能立马知道重平衡又开始了，这就是重平衡的通知机制。

重平衡一旦开启，Broker 端的协调者组件就要开始忙了，主要涉及到控制消费者组的状态流转。当前，Kafka 设计了一套消费者组状态机（State Machine），来帮助协调者完成整个重平衡流程。严格来说，这套状态机属于非常底层的设计，Kafka 官网上压根就没有提到过，但你最好还是了解一下，因为它能够帮助你搞懂消费者组的设计原理，比如消费者组的过期位移（Expired Offsets）删除等。

目前，Kafka 为消费者组定义了 5 种状态，它们分别是：Empty、Dead、PreparingRebalance、CompletingRebalance 和 Stable。那么，这 5 种状态的含义是什么呢？我们一起来看看下面这张表格。

状态流转图如下：

一个消费者组最开始是 Empty 状态，当重平衡过程开启后，它会被置于 PreparingRebalance 状态等待成员加入，之后变更到 CompletingRebalance 状态等待分配方案，最后流转到 Stable 状态完成重平衡。

当有新成员加入或已有成员退出时，消费者组的状态从 Stable 直接跳到 PreparingRebalance 状态，此时，所有现存成员就必须重新申请加入组。当所有成员都退出组后，消费者组状态变更为 Empty。Kafka 定期自动删除过期位移的条件就是，组要处于 Empty 状态。因此，如果你的消费者组停掉了很长时间（超过 7 天），那么 Kafka 很可能就把该组的位移数据删除了。

重平衡的完整流程需要消费者端和协调者组件共同参与才能完成。我们先从消费者的视角来审视一下重平衡的流程。

2.4 消费者端重平衡流程

在消费者端，重平衡分为两个步骤：分别是加入组和等待领导者消费者（Leader Consumer）分配方案。这两个步骤分别对应两类特定的请求：JoinGroup 请求和 SyncGroup 请求。

当组内成员加入组时，它会向协调者发送 JoinGroup 请求。在该请求中，每个成员都要将自己订阅的主题上报，这样协调者就能收集到所有成员的订阅信息。一旦收集了全部成员的 JoinGroup 请求后，协调者会从这些成员中选择一个担任这个消费者组的领导者。

通常情况下，第一个发送 JoinGroup 请求的成员自动成为领导者。你一定要注意区分这里的领导者和之前我们介绍的领导者副本，它们不是一个概念。这里的领导者是具体的消费者实例，它既不是副本，也不是协调者。领导者消费者的任务是收集所有成员的订阅信息，然后根据这些信息，制定具体的分区消费分配方案。

选出领导者之后，协调者会把消费者组订阅信息封装进 JoinGroup 请求的响应体中，然后发给领导者，由领导者统一做出分配方案后，进入到下一步：发送 SyncGroup 请求。

在这一步中，领导者向协调者发送 SyncGroup 请求，将刚刚做出的分配方案发给协调者。值得注意的是，其他成员也会向协调者发送 SyncGroup 请求，只不过请求体中并没有实际的内容。这一步的主要目的是让协调者接收分配方案，然后统一以 SyncGroup 响应的方式分发给所有成员，这样组内所有成员就都知道自己该消费哪些分区了。

接下来，我用一张图来形象地说明一下 JoinGroup 请求的处理过程。

就像前面说的，JoinGroup 请求的主要作用是将组成员订阅信息发送给领导者消费者，待领导者制定好分配方案后，重平衡流程进入到 SyncGroup 请求阶段。

下面这张图描述的是 SyncGroup 请求的处理流程。

SyncGroup 请求的主要目的，就是让协调者把领导者制定的分配方案下发给各个组内成员。当所有成员都成功接收到分配方案后，消费者组进入到 Stable 状态，即开始正常的消费工作。

2.5 Broker端重平衡流程

要剖析协调者端处理重平衡的全流程，我们必须要分几个场景来讨论。这几个场景分别是新成员加入组、组成员主动离组、组成员崩溃离组、组成员提交位移。

场景一：新成员入组

新成员入组是指组处于 Stable 状态后，有新成员加入。如果是全新启动一个消费者组，Kafka 是有一些自己的小优化的，流程上会有些许的不同。我们这里讨论的是，组稳定了之后有新成员加入的情形。

当协调者收到新的 JoinGroup 请求后，它会通过心跳请求响应的方式通知组内现有的所有成员，强制它们开启新一轮的重平衡。具体的过程和之前的客户端重平衡流程是一样的。现在，我用一张时序图来说明协调者一端是如何处理新成员入组的。

场景二：组成员主动离组。

何谓主动离组？就是指消费者实例所在线程或进程调用 close() 方法主动通知协调者它要退出。这个场景就涉及到了第三类请求：LeaveGroup 请求。协调者收到 LeaveGroup 请求后，依然会以心跳响应的方式通知其他成员，因此我就不再赘述了，还是直接用一张图来说明。

场景三：组成员奔溃离组。

崩溃离组是指消费者实例出现严重故障，突然宕机导致的离组。它和主动离组是有区别的，因为后者是主动发起的离组，协调者能马上感知并处理。但崩溃离组是被动的，协调者通常需要等待一段时间才能感知到，这段时间一般是由消费者端参数 session.timeout.ms 控制的。也就是说，Kafka 一般不会超过 session.timeout.ms 就能感知到这个崩溃。当然，后面处理崩溃离组的流程与之前是一样的，我们来看看下面这张图。

场景四：重平衡时协调者对组内成员提交位移的处理。

正常情况下，每个组内成员都会定期汇报位移给协调者。当重平衡开启时，协调者会给予成员一段缓冲时间，要求每个成员必须在这段时间内快速地上报自己的位移信息，然后再开启正常的 JoinGroup/SyncGroup 请求发送。还是老办法，我们使用一张图来说明。