Kafka-4.Kafka工作流程及文件存储机制的原理是什么

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文件存储机制

工作流程

    Kafka 中消息是以 topic 进行分类的， 生产者生产消息，消费者消费消息，都是面向 topic的。 topic 是逻辑上的概念，而 partition 是物理上的概念，每个 partition 对应于一个 log 文件，该 log 文件中存储的就是 producer 生产的数据。 Producer 生产的数据会被不断追加到该log 文件末端，且每条数据都有自己的 offset。 消费者组中的每个消费者， 都会实时记录自己消费到了哪个 offset，以便出错恢复时，从上次的位置继续消费。

Kafka文件存储机制

    由于生产者生产的消息会不断追加到 log 文件末尾， 为防止 log 文件过大导致数据定位效率低下， Kafka 采取了分片和索引机制，将每个 partition 分为多个 segment。 每个 segment对应两个文件——“.index”文件和“.log”文件。 这些文件位于一个文件夹下， 该文件夹的命名规则为： topic 名称+分区序号。例如， first 这个 topic 有三个分区，则其对应的文件夹为 first-0,first-1,first-2

00000000000000000000.index
00000000000000000000.log
00000000000000170410.index
00000000000000170410.log
00000000000000239430.index
00000000000000239430.log

index 和 log 文件以当前 segment 的第一条消息的 offset 命名。下图为 index 文件和 log文件的结构示意图

 “.index”文件存储大量的索引信息，“.log”文件存储大量的数据，索引文件中的元数据指向对应数据文件中 message 的物理偏移地址。

Kafka 生产者

分区策略

1.    分区的原因

• 方便在集群中扩展，每个 Partition 可以通过调整以适应它所在的机器，而一个 topic又可以有多个 Partition 组成，因此整个集群就可以适应任意大小的数据了；

• 可以提高并发，因为可以以 Partition 为单位读写了。

2.     分区的原则
我们需要将 producer 发送的数据封装成一个 ProducerRecord 对象。

1. 副本数据同步策略
   

   

   LEO：指的是每个副本最大的 offset；

   HW：指的是消费者能见到的最大的 offset， ISR 队列中最小的 LEO。

   （1）follower 故障follower 发生故障后会被临时踢出 ISR，待该 follower 恢复后， follower 会读取本地磁盘记录的上次的 HW，并将 log 文件高于 HW 的部分截取掉，从 HW 开始向 leader 进行同步。等该 follower 的 LEO 大于等于该 Partition 的 HW，即 follower 追上 leader 之后，就可以重新加入 ISR 了。

   （2）leader故障leader 发生故障之后，会从 ISR 中选出一个新的 leader，之后，为保证多个副本之间的数据一致性， 其余的 follower 会先将各自的 log 文件高于 HW 的部分截掉，然后从新的 leader 同步数据。

       注意： 这只能保证副本之间的数据一致性，并不能保证数据不丢失或者不重复。

   Exactly Once 语义

   将服务器的 ACK 级别设置为-1，可以保证 Producer 到 Server 之间不会丢失数据，即 AtLeast Once 语义。相对的，将服务器 ACK 级别设置为 0，可以保证生产者每条消息只会被发送一次，即 At Most Once 语义。
           At Least Once 可以保证数据不丢失，但是不能保证数据不重复；相对的， At Least Once可以保证数据不重复，但是不能保证数据不丢失。 但是，对于一些非常重要的信息，比如说交易数据，下游数据消费者要求数据既不重复也不丢失，即 Exactly Once 语义。 在 0.11 版本以前的 Kafka，对此是无能为力的，只能保证数据不丢失，再在下游消费者对数据做全局去重。对于多个下游应用的情况，每个都需要单独做全局去重，这就对性能造成了很大影响。
           0.11 版本的 Kafka，引入了一项重大特性：幂等性。所谓的幂等性就是指 Producer 不论向 Server 发送多少次重复数据， Server 端都只会持久化一条。幂等性结合 At Least Once 语义，就构成了 Kafka 的 Exactly Once 语义。即：

   
           At Least Once + 幂等性 = Exactly Once

           要启用幂等性，只需要将 Producer 的参数中 enable.idompotence 设置为 true 即可。 Kafka的幂等性实现其实就是将原来下游需要做的去重放在了数据上游。开启幂等性的 Producer 在初始化的时候会被分配一个 PID，发往同一 Partition 的消息会附带 Sequence Number。而Broker 端会对做缓存，当具有相同主键的消息提交时， Broker 只会持久化一条。

           但是 PID 重启就会变化，同时不同的 Partition 也具有不同主键，所以幂等性无法保证跨分区跨会话的 Exactly Once。

   Kafka 高效读写数据

   1）顺序写磁盘

        Kafka 的 producer 生产数据，要写入到 log 文件中，写的过程是一直追加到文件末端，为顺序写。 官网有数据表明，同样的磁盘，顺序写能到 600M/s，而随机写只有 100K/s。这与磁盘的机械机构有关，顺序写之所以快，是因为其省去了大量磁头寻址的时间。

   2）零复制技术

   Zookeeper 在 Kafka 中的作用

       Kafka 集群中有一个 broker 会被选举为 Controller，负责管理集群 broker 的上下线，所有 topic 的分区副本分配和 leader 选举等工作。

       Controller 的管理工作都是依赖于 Zookeeper 的。

       以下为 partition 的 leader 选举过程：

   

   
   Kafka 事务

   Kafka 从 0.11 版本开始引入了事务支持。事务可以保证 Kafka 在 Exactly Once 语义的基础上，生产和消费可以跨分区和会话，要么全部成功，要么全部失败。

   Producer 事务

   为了实现跨分区跨会话的事务，需要引入一个全局唯一的 Transaction ID，并将 Producer获得的PID 和Transaction ID 绑定。这样当Producer 重启后就可以通过正在进行的 TransactionID 获得原来的 PID。为了管理 Transaction， Kafka 引入了一个新的组件 Transaction Coordinator。 Producer 就是通过和 Transaction Coordinator 交互获得 Transaction ID 对应的任务状态。 Transaction Coordinator 还负责将事务所有写入 Kafka 的一个内部 Topic，这样即使整个服务重启，由于事务状态得到保存，进行中的事务状态可以得到恢复，从而继续进行。

   Consumer 事务 

   上述事务机制主要是从 Producer 方面考虑，对于 Consumer 而言，事务的保证就会相对较弱，尤其时无法保证 Commit 的信息被精确消费。这是由于 Consumer 可以通过 offset 访问任意信息，而且不同的 Segment File 生命周期不同，同一事务的消息可能会出现重启后被删除的情况。

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