全网最通俗易懂的 Kafka 入门

绝地灬酷狼 2021-08-19 14:16 424阅读 0赞

众所周知，消息队列的产品有好几种，这里我选择学习Kafka的原因，无他，公司在用。

> 我司使用的是Kafka和自研的消息队列(Kafka和RocketMQ)改版，于是我就想学学Kafka这款消息队列啦。本篇文章对Kafka入门，希望对大家有所帮助。

本文知识点提前预览：

![提前预览][format_png] 提前预览

这篇文章花了我很长时间画图，目的是希望以最通俗易懂的方式带大家入门，如果觉得不错，**希望能给我点个赞**！

## 一、什么是Kafka？ ##

首先我们得去官网看看是怎么介绍Kafka的：

*  https://kafka.apache.org/intro

在收集资料学习的时候，已经发现有不少的前辈对官网的介绍进行翻译和总结了，所以我这里就不重复了，贴下地址大家自行去学习啦：

*  https://scala.cool/2018/03/learning-kafka-1/
 *  https://colobu.com/2014/08/06/kafka-quickstart/

要做一个消息队列可能要考虑到以下的问题：

*  使用消息队列不可能是单机的（必然是分布式or集群）
 *  数据写到消息队列，可能会存在数据丢失问题，数据在消息队列需要**持久化**(磁盘？数据库？Redis？分布式文件系统？)
 *  想要保证消息（数据）是有序的，怎么做？
 *  为什么在消息队列中重复消费了数据

下面我以Kafka为例对这些问题进行简单的解答，进而入门Kafka。

## 1.1 Kafka入门 ##

众所周知，Kafka是一个消息队列，把消息放到队列里边的叫**生产者**，从队列里边消费的叫**消费者**。

![生产者和消费者][format_png 1] 生产者和消费者

一个消息中间件，队列不单单只有一个，我们往往会有多个队列，而我们生产者和消费者就得知道：把数据丢给哪个队列，从哪个队列消息。我们需要给队列取名字，叫做**topic**(相当于数据库里边**表**的概念)

![format_png 2][] 给队列取名字，专业名词叫topic

现在我们给队列取了名字以后，生产者就知道往哪个队列丢数据了，消费者也知道往哪个队列拿数据了。我们可以有多个生产者**往同一个队列(topic)**丢数据，多个消费者**往同一个队列(topic)**拿数据

![format_png 3][]

为了提高一个队列(topic)的**吞吐量**，Kafka会把topic进行分区(**Partition**)

![Kafka分区][Kafka] Kafka分区

所以，生产者实际上是往一个topic名为Java3y中的分区(**Partition**)丢数据，消费者实际上是往一个topic名为Java3y的分区(**Partition**)取数据

![生产者和消费者实际上操作的是分区][format_png 4] 生产者和消费者实际上操作的是分区

一台Kafka服务器叫做**Broker**，Kafka集群就是多台Kafka服务器：

![Kafka集群][Kafka 1] Kafka集群

一个topic会分为多个partition，实际上partition会**分布**在不同的broker中，举个例子：

![一个生产者丢数据给topic][topic] 一个生产者丢数据给topic

由此得知：**Kafka是天然分布式的**。

现在我们已经知道了往topic里边丢数据，实际上这些数据会分到不同的partition上，这些partition存在不同的broker上。分布式肯定会带来问题：“万一其中一台broker(Kafka服务器)出现网络抖动或者挂了，怎么办？”

Kafka是这样做的：我们数据存在不同的partition上，那kafka就把这些partition做**备份**。比如，现在我们有三个partition，分别存在三台broker上。每个partition都会备份，这些备份散落在**不同**的broker上。

![format_png 5][] 红色代表主分区，紫色代表备份分区

红色块的partition代表的是**主**分区，紫色的partition块代表的是**备份**分区。生产者往topic丢数据，是与**主**分区交互，消费者消费topic的数据，也是与主分区交互。

**备份分区仅仅用作于备份，不做读写。**如果某个Broker挂了，那就会选举出其他Broker的partition来作为主分区，这就实现了**高可用**。

另外值得一提的是：当生产者把数据丢进topic时，我们知道是写在partition上的，那partition是怎么将其持久化的呢？（不持久化如果Broker中途挂了，那肯定会丢数据嘛)。

Kafka是将partition的数据写在**磁盘**的(消息日志)，不过Kafka只允许**追加写入**(顺序访问)，避免缓慢的随机 I/O 操作。

*  Kafka也不是partition一有数据就立马将数据写到磁盘上，它会先**缓存**一部分，等到足够多数据量或等待一定的时间再批量写入(flush)

上面balabala地都是讲生产者把数据丢进topic是怎么样的，下面来讲讲消费者是怎么消费的。既然数据是保存在partition中的，那么**消费者实际上也是从partition中取**数据。

![从各个主分区取数据][format_png 6] 从各个主分区取数据

生产者可以有多个，消费者也可以有多个。像上面图的情况，是一个消费者消费三个分区的数据。多个消费者可以组成一个**消费者组**。

![消费者组][format_png 7] 消费者组

本来是一个消费者消费三个分区的，现在我们有消费者组，就可以**每个消费者去消费一个分区**（也是为了提高吞吐量）

![消费者组的每个消费者会去对应partition拿数据][partition] 消费者组的每个消费者会去对应partition拿数据

按图上所示的情况，这里想要说明的是：

*  如果消费者组中的某个消费者挂了，那么其中一个消费者可能就要消费两个partition了
 *  如果只有三个partition，而消费者组有4个消费者，那么一个消费者会空闲
 *  如果多加入一个**消费者组**，无论是新增的消费者组还是原本的消费者组，都能消费topic的全部数据。（消费者组之间从逻辑上它们是**独立**的）

前面讲解到了生产者往topic里丢数据是存在partition上的，而partition持久化到磁盘是IO顺序访问的，并且是先写缓存，隔一段时间或者数据量足够大的时候才批量写入磁盘的。

消费者在读的时候也很有讲究：正常的读磁盘数据是需要将内核态数据拷贝到用户态的，而Kafka 通过调用`sendfile()`直接从内核空间（DMA的）到内核空间（Socket的），**少做了一步拷贝**的操作。

![Kafka 读数据 巧妙][Kafka _] Kafka 读数据 巧妙

有的同学可能会产生疑问：消费者是怎么知道自己消费到哪里的呀？Kafka不是支持**回溯**吗？那是怎么做的呀？

*  比如上面也提到：如果一个消费者组中的某个消费者挂了，那挂掉的消费者所消费的分区可能就由存活的消费者消费。那**存活的消费者是需要知道挂掉的消费者消费到哪了**，不然怎么玩。

这里要引出`offset`了，Kafka就是用`offset`来表示消费者的消费进度到哪了，每个消费者会都有自己的`offset`。说白了`offset`就是表示消费者的**消费进度**。

在以前版本的Kafka，这个`offset`是由Zookeeper来管理的，后来Kafka开发者认为Zookeeper不合适大量的删改操作，于是把`offset`在broker以内部topic(`__consumer_offsets`)的方式来保存起来。

每次消费者消费的时候，都会提交这个`offset`，Kafka可以让你选择是自动提交还是手动提交。

既然提到了Zookeeper，那就多说一句。Zookeeper虽然在新版的Kafka中没有用作于保存客户端的`offset`，但是Zookeeper是Kafka一个重要的依赖。

*  探测broker和consumer的添加或移除。
 *  负责维护所有partition的领导者/从属者关系（主分区和备份分区），如果主分区挂了，需要选举出备份分区作为主分区。
 *  维护topic、partition等元配置信息
 *  ….

![format_png 8][] 这张图来源胡夕老师的《Kafka核心技术与实战》

## 最后 ##

通过这篇文章，文章开头那几个问题估计多多少少都懂一些啦。我来简要回答一下：

> 使用消息队列不可能是单机的（必然是分布式or集群）

Kafka天然是分布式的，往一个topic丢数据，实际上就是往多个broker的partition存储数据

> 数据写到消息队列，可能会存在数据丢失问题，数据在消息队列需要**持久化**(磁盘？数据库？Redis？分布式文件系统？)

Kafka会将partition以消息日志的方式(落磁盘)存储起来，通过 顺序访问IO和缓存(等到一定的量或时间)才真正把数据写到磁盘上，来提高速度。

> 想要保证消息（数据）是有序的，怎么做？

Kafka会将数据写到partition，单个partition的写入是有顺序的。如果要保证全局有序，那只能写入一个partition中。如果要消费也有序，消费者也只能有一个。

> 为什么在消息队列中重复消费了数据

凡是分布式就无法避免网络抖动/机器宕机等问题的发生，很有可能消费者A读取了数据，还没来得及消费，就挂掉了。Zookeeper发现消费者A挂了，让消费者B去消费原本消费者A的分区，等消费者A重连的时候，发现已经重复消费同一条数据了。(各种各样的情况，消费者超时等等都有可能…)

如果业务上不允许重复消费的问题，最好消费者那端做业务上的校验（如果已经消费过了，就不消费了）

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这篇文章主要是Kafka入门，Kafka还涉及到别的概念，以及还有别的东西。在我感觉中，很多的面试题都跟配置有关，所以在解决某些问题的时候，**先看看能不能通过现有配置解决掉**（学多了框架，你就会发现很多官方的就已经支持解决了，你做的可能改改配置/参数就完事了）

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【END】

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/qq_37217713/article/details/103379498
[Spring Boot]: https://blog.csdn.net/qq_37217713/article/details/103360019
[Git]: https://blog.csdn.net/qq_37217713/article/details/102481709
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