深入解析kafka 架構(gòu)原理

更新時(shí)間：2021年11月26日 12:00:01 作者：程序員耕耘

Kafka使用領(lǐng)域非常廣泛，在大數(shù)據(jù)時(shí)代kafka使用真香，LinkedIn、Microsoft和Netflix每天都用Kafka處理萬(wàn)億級(jí)的信息。本文就讓我們一起來(lái)大白話(huà)kafka的架構(gòu)原理，感興趣的朋友一起看看吧

?kafka 架構(gòu)原理

大數(shù)據(jù)時(shí)代來(lái)臨，如果你還不知道Kafka那就真的out了！據(jù)統(tǒng)計(jì)，有三分之一的世界財(cái)富500強(qiáng)企業(yè)正在使用Kafka，包括所有TOP10旅游公司，7家TOP10銀行，8家TOP10保險(xiǎn)公司，9家TOP10電信公司等等。LinkedIn、Microsoft和Netflix每天都用Kafka處理萬(wàn)億級(jí)的信息。本文就讓我們一起來(lái)大白話(huà)kafka的架構(gòu)原理。

kafka官網(wǎng)：http://kafka.apache.org/

01 kafka簡(jiǎn)介

Kafka最初由Linkedin公司開(kāi)發(fā)，是一個(gè)分布式的、分區(qū)的、多副本的、多訂閱者，基于zookeeper協(xié)調(diào)的分布式日志系統(tǒng)（也可以當(dāng)做MQ系統(tǒng)），常用于web/nginx日志、訪問(wèn)日志、消息服務(wù)等等，Linkedin于2010年貢獻(xiàn)給了Apache基金會(huì)并成為頂級(jí)開(kāi)源項(xiàng)目。

02 kafka的特性

高吞吐量、低延遲：kafka每秒可以處理幾十萬(wàn)條消息，它的延遲最低只有幾毫秒；
可擴(kuò)展性：kafka集群支持熱擴(kuò)展；
持久性、可靠性：消息被持久化到本地磁盤(pán)，并且支持?jǐn)?shù)據(jù)備份防止丟失；
容錯(cuò)性：允許集群中的節(jié)點(diǎn)失敗(若分區(qū)副本數(shù)量為n,則允許n-1個(gè)節(jié)點(diǎn)失敗)；
高并發(fā)：?jiǎn)螜C(jī)可支持?jǐn)?shù)千個(gè)客戶(hù)端同時(shí)讀寫(xiě)；

03 kafka的應(yīng)用場(chǎng)景

日志收集：一個(gè)公司可以用Kafka收集各種服務(wù)的log，通過(guò)kafka以統(tǒng)一接口開(kāi)放給各種消費(fèi)端，例如hadoop、Hbase、Solr等。
消息系統(tǒng)：解耦生產(chǎn)者和消費(fèi)者、緩存消息等。
用戶(hù)活動(dòng)跟蹤：Kafka經(jīng)常被用來(lái)記錄web用戶(hù)或者app用戶(hù)的各種活動(dòng)，如瀏覽網(wǎng)頁(yè)、搜索記錄、點(diǎn)擊等活動(dòng)，這些活動(dòng)信息被各個(gè)服務(wù)器發(fā)布到kafka的topic中，然后訂閱者通過(guò)訂閱這些topic來(lái)做實(shí)時(shí)的監(jiān)控分析，或者裝載到hadoop、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中做離線(xiàn)分析和挖掘。
運(yùn)營(yíng)指標(biāo)：Kafka也經(jīng)常用來(lái)記錄運(yùn)營(yíng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。
流式處理

04 kafka架構(gòu)（重頭戲!）

下面是一個(gè)kafka的架構(gòu)圖，

整體來(lái)看，kafka架構(gòu)中包含四大組件：生產(chǎn)者、消費(fèi)者、kafka集群、zookeeper集群。對(duì)照上面的結(jié)構(gòu)圖，我們先來(lái)搞清楚幾個(gè)很重要的術(shù)語(yǔ)，（看圖！對(duì)照?qǐng)D理解~）

1、broker

kafka 集群包含一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為一個(gè)broker。

2、topic

每條發(fā)布到kafka集群的消息都有一個(gè)類(lèi)別，這個(gè)類(lèi)別稱(chēng)為topic，其實(shí)就是將消息按照topic來(lái)分類(lèi)，topic就是邏輯上的分類(lèi)，同一個(gè)topic的數(shù)據(jù)既可以在同一個(gè)broker上也可以在不同的broker結(jié)點(diǎn)上。

3、partition

分區(qū)，每個(gè)topic被物理劃分為一個(gè)或多個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)在物理上對(duì)應(yīng)一個(gè)文件夾，該文件夾里面存儲(chǔ)了這個(gè)分區(qū)的所有消息和索引文件。在創(chuàng)建topic時(shí)可指定parition數(shù)量，生產(chǎn)者將消息發(fā)送到topic時(shí)，消息會(huì)根據(jù) 分區(qū)策略追加到分區(qū)文件的末尾，屬于順序?qū)懘疟P(pán)，因此效率非常高（經(jīng)驗(yàn)證，順序?qū)懘疟P(pán)效率比隨機(jī)寫(xiě)內(nèi)存還要高，這是Kafka高吞吐率的一個(gè)很重要的保證）。

上面提到了分區(qū)策略，所謂分區(qū)策略就是決定生產(chǎn)者將消息發(fā)送到哪個(gè)分區(qū)的算法。Kafka 為我們提供了默認(rèn)的分區(qū)策略，同時(shí)它也支持自定義分區(qū)策略。kafka允許為每條消息設(shè)置一個(gè)key，一旦消息被定義了 Key，那么就可以保證同一個(gè) Key 的所有消息都進(jìn)入到相同的分區(qū)，這種策略屬于自定義策略的一種，被稱(chēng)作"按消息key保存策略"，或Key-ordering 策略。

同一主題的多個(gè)分區(qū)可以部署在多個(gè)機(jī)器上，以此來(lái)實(shí)現(xiàn) kafka 的伸縮性。同一partition中的數(shù)據(jù)是有序的，但topic下的多個(gè)partition之間在消費(fèi)數(shù)據(jù)時(shí)不能保證有序性，在需要嚴(yán)格保證消息順序消費(fèi)的場(chǎng)景下，可以將partition數(shù)設(shè)為1，但這種做法的缺點(diǎn)是降低了吞吐，一般來(lái)說(shuō)，只需要保證每個(gè)分區(qū)的有序性，再對(duì)消息設(shè)置key來(lái)保證相同key的消息落入同一分區(qū)，就可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)的應(yīng)用。

4、offset

partition中的每條消息都被標(biāo)記了一個(gè)序號(hào)，這個(gè)序號(hào)表示消息在partition中的偏移量，稱(chēng)為offset，每一條消息在partition都有唯一的offset，消息者通過(guò)指定offset來(lái)指定要消費(fèi)的消息。

正常情況下，消費(fèi)者在消費(fèi)完一條消息后會(huì)遞增offset，準(zhǔn)備去消費(fèi)下一條消息，但也可以將offset設(shè)成一個(gè)較小的值，重新消費(fèi)一些消費(fèi)過(guò)的消息，可見(jiàn)offset是由consumer控制的，consumer想消費(fèi)哪一條消息就消費(fèi)哪一條消息，所以kafka broker是無(wú)狀態(tài)的，它不需要標(biāo)記哪些消息被消費(fèi)過(guò)。

5、producer

生產(chǎn)者，生產(chǎn)者發(fā)送消息到指定的topic下，消息再根據(jù)分配規(guī)則append到某個(gè)partition的末尾。

6、consumer

消費(fèi)者，消費(fèi)者從topic中消費(fèi)數(shù)據(jù)。

7、consumer group

消費(fèi)者組，每個(gè)consumer屬于一個(gè)特定的consumer group，可為每個(gè)consumer指定consumer group，若不指定則屬于默認(rèn)的group。

同一topic的一條消息只能被同一個(gè)consumer group內(nèi)的一個(gè)consumer消費(fèi)，但多個(gè)consumer group可同時(shí)消費(fèi)這一消息。這也是kafka用來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)topic消息的廣播和單播的手段，如果需要實(shí)現(xiàn)廣播，一個(gè)consumer group內(nèi)只放一個(gè)消費(fèi)者即可，要實(shí)現(xiàn)單播，將所有的消費(fèi)者放到同一個(gè)consumer group即可。

用consumer group還可以將consumer進(jìn)行自由的分組而不需要多次發(fā)送消息到不同的topic。

8、leader

每個(gè)partition有多個(gè)副本，其中有且僅有一個(gè)作為leader，leader會(huì)負(fù)責(zé)所有的客戶(hù)端讀寫(xiě)操作。

9、follower

follower不對(duì)外提供服務(wù)，只與leader保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，如果leader失效，則選舉一個(gè)follower來(lái)充當(dāng)新的leader。當(dāng)follower與leader掛掉、卡住或者同步太慢，leader會(huì)把這個(gè)follower從ISR列表中刪除，重新創(chuàng)建一個(gè)follower。

10、rebalance

同一個(gè)consumer group下的多個(gè)消費(fèi)者互相協(xié)調(diào)消費(fèi)工作，我們這樣想，一個(gè)topic分為多個(gè)分區(qū)，一個(gè)consumer group里面的所有消費(fèi)者合作，一起去消費(fèi)所訂閱的某個(gè)topic下的所有分區(qū)(每個(gè)消費(fèi)者消費(fèi)部分分區(qū))，kafka會(huì)將該topic下的所有分區(qū)均勻的分配給consumer group下的每個(gè)消費(fèi)者，如下圖，

rebalance表示"重平衡"，consumer group內(nèi)某個(gè)消費(fèi)者掛掉后，其他消費(fèi)者自動(dòng)重新分配訂閱主題分區(qū)的過(guò)程，是 Kafka 消費(fèi)者端實(shí)現(xiàn)高可用的重要手段。如下圖Consumer Group A中的C2掛掉，C1會(huì)接收P1和P2，以達(dá)到重新平衡。同樣的，當(dāng)有新消費(fèi)者加入consumer group，也會(huì)觸發(fā)重平衡操作。

05 對(duì)kafka架構(gòu)的幾點(diǎn)解釋

一個(gè)典型的kafka集群中包含若干producer，若干broker（Kafka支持水平擴(kuò)展，一般broker數(shù)量越多，集群吞吐率越高），若干consumer group，以及一個(gè)zookeeper集群。kafka通過(guò)zookeeper協(xié)調(diào)管理kafka集群，選舉分區(qū)leader，以及在consumer group發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行rebalance。
kafka的topic被劃分為一個(gè)或多個(gè)分區(qū)，多個(gè)分區(qū)可以分布在一個(gè)或多個(gè)broker節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)為了故障容錯(cuò)，每個(gè)分區(qū)都會(huì)復(fù)制多個(gè)副本，分別位于不同的broker節(jié)點(diǎn)，這些分區(qū)副本中（不管是leader還是follower都稱(chēng)為分區(qū)副本），一個(gè)分區(qū)副本會(huì)作為leader，其余的分區(qū)副本作為follower。其中l(wèi)eader負(fù)責(zé)所有的客戶(hù)端讀寫(xiě)操作，follower不對(duì)外提供服務(wù)，僅僅從leader上同步數(shù)據(jù)，當(dāng)leader出現(xiàn)故障時(shí)，其中的一個(gè)follower會(huì)頂替成為leader，繼續(xù)對(duì)外提供服務(wù)。
對(duì)于傳統(tǒng)的MQ而言，已經(jīng)被消費(fèi)的消息會(huì)從隊(duì)列中刪除，但在Kafka中被消費(fèi)的消息也不會(huì)立馬刪除，在kafka的server.propertise配置文件中定義了數(shù)據(jù)的保存時(shí)間，當(dāng)文件到設(shè)定的保存時(shí)間時(shí)才會(huì)刪除，

# 數(shù)據(jù)的保存時(shí)間(單位:小時(shí)，默認(rèn)為7天)

log.retention.hours=168

因?yàn)镵afka讀取消息的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)，與文件大小無(wú)關(guān)，所以這里刪除過(guò)期文件與提高Kafka性能并沒(méi)有關(guān)系，所以選擇怎樣的刪除策略應(yīng)該考慮磁盤(pán)以及具體的需求。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式 VS 發(fā)布訂閱模式

傳統(tǒng)的消息系統(tǒng)中，有兩種主要的消息傳遞模式：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式、發(fā)布訂閱模式。

①點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式?

生產(chǎn)者發(fā)送消息到queue中，queue支持存在多個(gè)消費(fèi)者，但是對(duì)一個(gè)消息而言，只可以被一個(gè)消費(fèi)者消費(fèi)，并且在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式中，已經(jīng)消費(fèi)過(guò)的消息會(huì)從queue中刪除不再存儲(chǔ)。

②發(fā)布訂閱模式

生產(chǎn)者將消息發(fā)布到topic中，topic可以被多個(gè)消費(fèi)者訂閱，且發(fā)布到topic的消息會(huì)被所有訂閱者消費(fèi)。而kafka就是一種發(fā)布訂閱模式。

消費(fèi)端 pull 和 push

① push方式：由消息中間件主動(dòng)地將消息推送給消費(fèi)者；

優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是不需要消費(fèi)者額外開(kāi)啟線(xiàn)程監(jiān)控中間件，節(jié)省開(kāi)銷(xiāo)。

缺點(diǎn)：無(wú)法適應(yīng)消費(fèi)速率不相同的消費(fèi)者。因?yàn)橄⒌陌l(fā)送速率是broker決定的，而消

費(fèi)者的處理速度又不盡相同，所以容易造成部分消費(fèi)者空閑，部分消費(fèi)者堆積，造成緩

沖區(qū)溢出。

② pull方式：由消費(fèi)者主動(dòng)向消息中間件拉取消息；

優(yōu)點(diǎn)：消費(fèi)端可以按處理能力進(jìn)行拉??；

缺點(diǎn)：消費(fèi)端需要另開(kāi)線(xiàn)程監(jiān)控中間件，有性能開(kāi)銷(xiāo)；

對(duì)于Kafka而言，pull模式更合適。pull模式可簡(jiǎn)化broker的設(shè)計(jì)，Consumer可自主控制消費(fèi)消息的速率，同時(shí)Consumer可以自己控制消費(fèi)方式，既可批量消費(fèi)也可逐條消費(fèi)，同時(shí)還能選擇不同的提交方式從而實(shí)現(xiàn)不同的傳輸語(yǔ)義。

06 kafka和rabbitMQ對(duì)比

RabbitMQ	Kafka
開(kāi)發(fā)語(yǔ)言	erlang	scala，Java
架構(gòu)模型	① 遵循AMQP； ② 生產(chǎn)者、消費(fèi)者、broker。 ③ broker由exchange、binding、queue組成； ④ consumer消費(fèi)位置由broker通過(guò)確認(rèn)機(jī)制保存；	① 不遵循AMQP； ② 生產(chǎn)者、消費(fèi)者、kafka集群、zookeeper集群； ③ kafka集群由多個(gè)broker節(jié)點(diǎn)組成，消息按照topic分類(lèi)，每個(gè)topic又劃分為多個(gè)partition； ④ broker無(wú)狀態(tài)，offset由消費(fèi)者指定；
可靠性		RabbitMQ可靠性更好，支持事務(wù)，支持消息確認(rèn)機(jī)制
高可用	采用鏡像隊(duì)列，即主從模式，數(shù)據(jù)是異步同步的，當(dāng)消息過(guò)來(lái)，主從全部寫(xiě)完后，回ack，這樣保障了數(shù)據(jù)的一致性。	每個(gè)分區(qū)都有一個(gè)或多個(gè)副本，這些副本保存在不同的broker上，其中有且僅有一個(gè)分區(qū)副本作為leader，其余的作為follower，當(dāng)leader不可用時(shí)，會(huì)選舉follower作為新leader繼續(xù)提供服務(wù)。只有l(wèi)eader提供讀寫(xiě)服務(wù)，follower從leader同步拉取數(shù)據(jù)然后備份。
吞吐量	kafka更高
是否支持事務(wù)	支持	不支持
負(fù)載均衡	需要外部支持才能實(shí)現(xiàn)（如：loadbalancer）	kafka利用zk和分區(qū)機(jī)制實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡
是否支持消費(fèi)者Push	不支持	支持
是否支持消費(fèi)者Pull	支持	支持
適用場(chǎng)景	kafka的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在吞吐量上，它主要用在高吞吐量的場(chǎng)景。比如日志采集。	具有較高的嚴(yán)謹(jǐn)性，數(shù)據(jù)丟失的可能性更小，同時(shí)具備較高的實(shí)時(shí)性，用在對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高的消息傳遞上。

07 kafka吞吐量為什么這么高

1、順序讀寫(xiě)磁盤(pán)

Kafka是將消息持久化到本地磁盤(pán)中的，一般人會(huì)認(rèn)為磁盤(pán)讀寫(xiě)性能差，可能會(huì)對(duì)Kafka性能提出質(zhì)疑。實(shí)際上不管是內(nèi)存還是磁盤(pán)，快或慢的關(guān)鍵在于尋址方式，磁盤(pán)分為順序讀寫(xiě)與隨機(jī)讀寫(xiě)，內(nèi)存一樣也分為順序讀寫(xiě)與隨機(jī)讀寫(xiě)?；诖疟P(pán)的隨機(jī)讀寫(xiě)確實(shí)很慢，但基于磁盤(pán)的順序讀寫(xiě)性能卻很高，一般而言要高出磁盤(pán)的隨機(jī)讀寫(xiě)三個(gè)數(shù)量級(jí)，一些情況下磁盤(pán)順序讀寫(xiě)性能甚至要高于內(nèi)存隨機(jī)讀寫(xiě)，這里貼一張著名學(xué)術(shù)期刊 ACM Queue 上的一張性能對(duì)比圖：

2、page cache

為了優(yōu)化讀寫(xiě)性能，Kafka利用了操作系統(tǒng)本身的Page Cache，就是利用操作系統(tǒng)自身的內(nèi)存而不是JVM空間內(nèi)存。這樣做是因?yàn)椋?/div>

JVM中一切皆對(duì)象，對(duì)象的存儲(chǔ)會(huì)帶來(lái)額外的內(nèi)存消耗；

使用JVM會(huì)受到GC的影響，隨著數(shù)據(jù)的增多，垃圾回收也會(huì)變得復(fù)雜與緩慢，降低吞吐量；

另外操作系統(tǒng)本身對(duì)page cache做了大量?jī)?yōu)化，通過(guò)操作系統(tǒng)的Page Cache，Kafka的讀寫(xiě)操作基本上是基于系統(tǒng)內(nèi)存的，讀寫(xiě)性能也得到了極大的提升。

3、零拷貝

零拷貝是指Kafka利用 linux 操作系統(tǒng)的 "zero-copy" 機(jī)制在消費(fèi)端做的優(yōu)化。首先來(lái)看一下消費(fèi)端在消費(fèi)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)從broker磁盤(pán)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较M(fèi)端的整個(gè)過(guò)程：

操作系統(tǒng)從磁盤(pán)讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間（kernel space）的page cache；

應(yīng)用程序讀取page cache的數(shù)據(jù)到用戶(hù)空間（user space）的緩沖區(qū)；

應(yīng)用程序?qū)⒂脩?hù)空間緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫(xiě)回內(nèi)核空間的socket緩沖區(qū)（socket buffer）；

操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從socket緩沖區(qū)復(fù)制到硬件（如網(wǎng)卡）緩沖區(qū)；

整個(gè)過(guò)程如上圖所示，這個(gè)過(guò)程包含4次copy操作和2次系統(tǒng)上下文切換，而上下文切換是CPU密集型的工作，數(shù)據(jù)拷貝是I/O密集型的工作，性能其實(shí)非常低效。

零拷貝就是使用了一個(gè)名為sendfile()的系統(tǒng)調(diào)用方法，將數(shù)據(jù)從page cache直接發(fā)送到Socket緩沖區(qū)，避免了系統(tǒng)上下文的切換，消除了從內(nèi)核空間到用戶(hù)空間的來(lái)回復(fù)制。從上圖可以看出，"零拷貝"并不是說(shuō)整個(gè)過(guò)程完全不發(fā)生拷貝，而是站在內(nèi)核的角度來(lái)說(shuō)的，避免了內(nèi)核空間到用戶(hù)空間的來(lái)回拷貝。

4、分區(qū)分段

Kafka的message是按topic分類(lèi)存儲(chǔ)的，topic中的數(shù)據(jù)又是按照一個(gè)一個(gè)的partition即分區(qū)存儲(chǔ)到不同broker節(jié)點(diǎn)。每個(gè)partition對(duì)應(yīng)了操作系統(tǒng)上的一個(gè)文件夾，partition實(shí)際上又是按照segment分段存儲(chǔ)的。這也非常符合分布式系統(tǒng)分區(qū)分桶的設(shè)計(jì)思想。

通過(guò)這種分區(qū)分段的設(shè)計(jì)，Kafka的message消息實(shí)際上是分布式存儲(chǔ)在一個(gè)一個(gè)小的segment中的，每次文件操作也是直接操作的segment。為了進(jìn)一步的查詢(xún)優(yōu)化，Kafka又默認(rèn)為分段后的數(shù)據(jù)文件建立了索引文件，就是文件系統(tǒng)上的.index文件。這種分區(qū)分段+索引的設(shè)計(jì)，不僅提升了數(shù)據(jù)讀取的效率，同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)操作的并行度。

總之，Kafka采用順序讀寫(xiě)、Page Cache、零拷貝以及分區(qū)分段等這些設(shè)計(jì)，再加上在索引方面做的優(yōu)化，另外Kafka數(shù)據(jù)讀寫(xiě)也是批量的而不是單條的，使得Kafka具有了高性能、高吞吐、低延時(shí)的特點(diǎn)。

到此這篇關(guān)于深入解析kafka 架構(gòu)原理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)kafka 架構(gòu)原理內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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