Kafka架构及基本原理简析
Kafka简介
Kafka是⼀个由Scala和Java编写的企业级的消息发布和订阅系统，最早是由Linkedin公司开发，最终开源到Apache软件基⾦会的项⽬。Kafka是⼀个分布式的，⽀持分区的，多副本的和多订阅者的⾼吞吐量的消息系统，被⼴泛应⽤在应⽤解耦、异步处理、限流削峰和消息驱动等场景。本⽂将针对Kafka的架构和相关组件进⾏简单的介绍。在介绍Kafka的架构之前，我们先了解⼀下Kafk的核⼼概念。
Kafka核⼼概念
在详细介绍Kafka的架构和基本组件之前，需要先了解⼀下Kafka的⼀些核⼼概念。
Producer：消息的⽣产者，负责往Kafka集中发送消息；
Consumer：消息的消费者，主动从Kafka集中拉取消息。
Consumer Group：每个Consumer属于⼀个特定的Consumer Group，新建Consumer的时候需要指定对应的Consumer Group ID。Broker：Kafka集中的服务实例，也称之为节点，每个Kafka集包含⼀个或者多个Broker（⼀个Broker就是⼀个服务器或节点）。Message：通过Kafka集进⾏传递的对象实体，存储需要传送的信息。
Topic：消息的类别，主要⽤于对消息进⾏逻辑上的区分，每条发送到Kafka集的消息都需要有⼀个指定的Topic，消费者根据Topic对指定的消息进⾏消费。
Partition：消息的分区，Partition是⼀个物理上的概念，相当于⼀个⽂件夹，Kafka会为每个topic的每个分区创建⼀个⽂件夹，⼀个Topic的消息会存储在⼀个或者多个Partition中。
Segment：⼀个partition当中存在多个segment⽂件段（分段存储），每个Segment分为两部分，.log⽂件和 .index ⽂件，其中 .index ⽂件是索引⽂件，主要⽤于快速查询.log ⽂件当中数据的偏移量位置；
.log⽂件：存放Message的数据⽂件，在Kafka中把数据⽂件就叫做⽇志⽂件。⼀个分区下⾯默认有n多个.log⽂件（分段存储）。⼀个.log⽂件⼤默认1G，消息会不断追加在.log⽂件中，当.log⽂件的⼤⼩超过1G的时候，会⾃动新建⼀个新的.log⽂件。
kafka最新版本.index⽂件：存放.log⽂件的索引数据，每个.index⽂件有⼀个对应同名的.log⽂件。
后⾯我们会对上⾯的⼀些核⼼概念进⾏更深⼊的介绍。在介绍完Kafka的核⼼概念之后，我们来看⼀下Kafka的对外提供的基本功能，组件及架构设计。
Kafka API
如上图所⽰，Kafka主要包含四个主要的API组件：
1. Producer API
应⽤程序通过Producer API向Kafka集发送⼀个或多个Topic的消息。
2. Consumer API
应⽤程序通过Consumer API，向Kafka集订阅⼀个或多个Topic的消息，并处理这些Topic下接收到的消息。
3. Streams API
应⽤程序通过使⽤Streams API充当流处理器（Stream Processor），从⼀个或者多个Topic获取输⼊流，并⽣产⼀个输出流到⼀个或者多个Topic，能够有效地将输⼊流进⾏转变后变成输出流输出到Kafka集。
4. Connect API
允许应⽤程序通过Connect API构建和运⾏可重⽤的⽣产者或者消费者，能够把kafka主题连接到现有的
应⽤程序或数据系统。Connect实际上就做了两件事情：使⽤Source Connector从数据源（如：DB）中读取数据写⼊到Topic中，然后再通过Sink Connector读取Topic中的数据输出到另⼀端（如：DB），以实现消息数据在外部存储和Kafka集之间的传输。
Kafka架构
接下来我们将从Kafka的架构出发，重点介绍Kafka的主要组件及实现原理。Kafka⽀持消息持久化，消费端是通过主动拉取消息进⾏消息消费的，订阅状态和订阅关系由客户端负责维护，消息消费完后不会⽴刻删除，会保留历史消息，⼀般默认保留7天，因此可以通过在⽀持多订阅者时，消息⽆需复制多分，只需要存储⼀份就可以。下⾯将详细介绍每个组件的实现原理。
1. Producer
Producer是Kafka中的消息⽣产者，主要⽤于⽣产带有特定Topic的消息，⽣产者⽣产的消息通过Topic进⾏归类，保存在Kafka 集的Broker上，具体的是保存在指定的partition 的⽬录下，以Segment的⽅式（.log⽂件和.index⽂件）进⾏存储。
2. Consumer
Consumer是Kafka中的消费者，主要⽤于消费指定Topic的消息，Consumer是通过主动拉取的⽅式从Kafka集中消费消息，消费者⼀定属于某⼀个特定的消费组。
3. Topic
Kafka中的消息是根据Topic进⾏分类的，Topic是⽀持多订阅的，⼀个Topic可以有多个不同的订阅消息的消费者。Kafka集Topic的数量没有限制，同⼀个Topic的数据会被划分在同⼀个⽬录下，⼀个Topic
可以包含1⾄多个分区，所有分区的消息加在⼀起就是⼀个Topic的所有消息。
4. Partition
在Kafka中，为了提升消息的消费速度，可以为每个Topic分配多个Partition，这也是就之前我们说到的，Kafka是⽀持多分区的。默认情况下，⼀个Topic的消息只存放在⼀个分区中。Topic的所有分区的消息合并起来，就是⼀个Topic下的所有消息。每个分区都有⼀个从0开始的编号，每个分区内的数据都是有序的，但是不同分区直接的数据是不能保证有序的，因为不同的分区需要不同的Consumer去消费，每个Partition只能分配⼀个Consumer，但是⼀个Consumer可以同时⼀个Topic的多个Partition。
5. Consumer Group
Kafka中的每⼀个Consumer都归属于⼀个特定的Consumer Group，如果不指定，那么所有的Consumer都属于同⼀个默认的Consumer Group。Consumer Group由⼀个或多个Consumer组成，同⼀个Consumer Group中的Consumer对同⼀条消息只消费⼀次。每个Consumer Group都有⼀个唯⼀的ID，即Group ID，也称之为Group Name。Consumer Group内的所有Consumer协调在⼀起订阅⼀个Topic的所有Partition，且每个Partition只能由⼀个Consuemr Group中的⼀个Consumer进⾏消费，但是可以由不同的Consumer Group中的⼀个Consumer进⾏消费。如下图所⽰：
在层级关系上来说Consumer好⽐是跟Topic对应的，⽽Consumer就对应于Topic下的Partition。Consumer Group中的Consumer数量和Topic下的Partition数量共同决定了消息消费的并发量，且Partition数量决定了最终并发量，因为⼀个Partition只能由⼀个Consumer进⾏消费。当⼀个Consumer Group中Consumer数量超过订阅的Topic下的Partition数量时，Kafka会为每个Partition分配⼀个Consumer，多出来的Consumer会处于空闲状态。当Consumer Group中Consumer数量少于当前定于的Topic中的Partition数量是，单个Consumer将承担多个Partition的消费⼯作。如上图所⽰，Consumer Group B中的每个Consumer需要消费两个Partition中的数据，⽽Consumer Group C中会多出来⼀个空闲的Consumer4。总结下来就是：同⼀个Topic下的Partition数量越多，同⼀时间可以有越多的Consumer进⾏消费，消费的速度就会越快，吞吐量就越⾼。同时，Consumer Group中的Consumer数量需要控制为⼩于等于Partition数量，且最好是整数倍：如1，2，4等。
6. Segment
考虑到消息消费的性能，Kafka中的消息在每个Partition中是以分段的形式进⾏存储的，即每1G消息新建⼀个Segment，每个Segment包含两个⽂件：.log⽂件和.index⽂件。之前我们已经说过，.log⽂件就是Kafka实际存储Producer⽣产的消息，⽽.index⽂件采⽤稀疏索引的⽅式存储.log⽂件中对应消息的逻辑编号和物理偏移地址（offset），以便于加快数据的查询速度。.log⽂件和.index⽂件是⼀⼀对应，成对出现的。下图展⽰了.log⽂件和.index⽂件在Partition中的存在⽅式。
Kafka⾥⾯每⼀条消息都有⾃⼰的逻辑offset（相对偏移量）以及存在物理磁盘上⾯实际的物理地址便宜量Position，也就是说在Kafka中⼀条消息有两个位置：offset（相对偏移量）和position（磁盘物理偏移地址）。在kafka的设计中，将消息的offset作为了Segment⽂件名的⼀部分。Segment⽂件命名规则为：Partition全局的第⼀个Segment从0开始，后续每个segment⽂件名为上⼀个Partition的最⼤offset（Message 的offset，⾮实际物理地偏移地址，实际物理地址需映射到.log中，后⾯会详细介绍在.log⽂件中查询消息的原理）。数值最⼤为64位long⼤⼩，由20位数字表⽰，前置⽤0填充。
上图展⽰了.index⽂件和.log⽂件直接的映射关系，通过上图，我们可以简单介绍⼀下Kafka在Segment中查Message的过程：
  1.根据需要消费的下⼀个消息的offset，这⾥假设是7，使⽤⼆分查在Partition中查到⽂件名⼩于（⼀定要⼩于，因为⽂件名编号等于当前offset的⽂件⾥存的都是⼤于当前offset的消息）当前offset的最
⼤编号的.index⽂件，这⾥⾃然是查到了00000000000000000000.index。
  2.在.index⽂件中，使⽤⼆分查，到offset⼩于或者等于指定offset（这⾥假设是7）的最⼤的offset，这⾥查到的是6，然后获取到index⽂件中offset为6指向的Position（物理偏移地址）为258。
  3.在.log⽂件中，从磁盘位置258开始顺序扫描，直到到offset为7的Message。
⾄此，我们就简单介绍完了Segment的基本组件.index⽂件和.log⽂件的存储和查询原理。但是我们会发现⼀个问题：.index⽂件中的offset 并不是按顺序连续存储的，为什么Kafka要将索引⽂件设计成这种不连续的样⼦？这种不连续的索引设计⽅式称之为稀疏索引，Kafka中采⽤了稀疏索引的⽅式读取索引，kafka每当.log中写⼊了4k⼤⼩的数据，就往.index⾥以追加的写⼊⼀条索引记录。使⽤稀疏索引主要有以下原因：
  (1)索引稀疏存储，可以⼤幅降低.index⽂件占⽤存储空间⼤⼩。
  (2)稀疏索引⽂件较⼩，可以全部读取到内存中，可以避免读取索引的时候进⾏频繁的IO磁盘操作，以便通过索引快速地定位到.log⽂件中的Message。
7. Message
Message是实际发送和订阅的信息是实际载体，Producer发送到Kafka集中的每条消息，都被Kafka包装成了⼀个Message对象，之后再存储在磁盘中，⽽不是直接存储的。Message在磁盘中的物理结构如下所⽰。
On-disk format of a message
offset        : 8 bytes
message length : 4 bytes (value: 4 + 1 + 1 + 8(if magic value > 0) + 4 + K + 4 + V)
crc            : 4 bytes
magic value    : 1 byte
attributes    : 1 byte
timestamp      : 8 bytes (Only exists when magic value is greater than zero)
key length    : 4 bytes
key            : K bytes
value length  : 4 bytes
value          : V bytes
其中key和value存储的是实际的Message内容，长度不固定，⽽其他都是对Message内容的统计和描述，长度固定。因此在查实际Message过程中，磁盘指针会根据Message的offset和message length计算移动位数，以加速Message的查过程。之所以可以这样加速，因为Kafka的.log⽂件都是顺序写的，往磁盘上写数据时，就是追加数据，没有随机写的操作。
8.Partition Replicas
最后我们简单聊⼀下Kafka中的Partition Replicas（分区副本）机制，0.8版本以前的Kafka是没有副本机制的。创建Topic时，可以为Topic 指定分区，也可以指定副本个数。kafka 中的分区副本如下图所⽰：
Kafka通过副本因⼦（replication-factor）控制消息副本保存在⼏个Broker（服务器）上，⼀般情况下副本数等于Broker的个数，且同⼀个副本因⼦不能放在同⼀个Broker中。副本因⼦是以分区为单位且区分⾓⾊；主副本称之为Leader（任何时刻只有⼀个），从副本称之为Follower（可以有多个），处于同步状态的副本叫做in-sync-replicas(ISR)。Leader负责读写数据，Follower不负责对外提供数据读写，只从Leader同步数据，消费者和⽣产者都是从leader读写数据，不与follower交互，因此Kafka并不是读写分
离的。同时使⽤Leader进⾏读写的好处是，降低了数据同步带来的数据读取延迟，因为Follower只能从Leader同步完数据之后才能对外提供读取服务。
如果⼀个分区有三个副本因⼦，就算其中⼀个挂掉，那么只会剩下的两个中，选择⼀个leader，如下图所⽰。但不会在其他的broker中，另启动⼀个副本（因为在另⼀台启动的话，必然存在数据拷贝和传输，会长时间占⽤⽹络IO，Kafka是⼀个⾼吞吐量的消息系统，这个情况不允许发⽣）。如果指定分区的所有副本都挂了，Consumer如果发送数据到指定分区的话，将写⼊不成功。Consumer发送到指定Partition的消息，会⾸先写⼊到Leader Partition中，写完后还需要把消息写⼊到ISR列表⾥⾯的其它分区副本中，写完之后这个消息才能提交offset。
到这⾥，差不多把Kafka的架构和基本原理简单介绍完了。Kafka为了实现⾼吞吐量和容错，还引⼊了很多优秀的设计思路，如零拷贝，⾼并发⽹络设计，顺序存储，以后有时间再说。

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