kafka工作流程及文件存储机制

Myth丶恋晨 2023-03-01 12:47 12阅读 0赞

## 1、Kafka工作流程 ##

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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log文件的末端，且每条数据都有自己的offset

offset是一个long型的数字，通过这个offset可以确定一条在该partition下的唯一消息。在partition下是保证有序的，但是在topic下面没有保证有序性

消费者组中的每个消费者，都会实时记录自己消费到哪个offset以便出错恢复，从上次的位置继续消费

## 2、文件存储机制 ##

### 2.1 存储机制 ###

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由于生产者生产的消息会不断追加到log文件末端，为防止log文件过大导致数据定位效率低，kafka采取了分片和索引机制，将每个partition分为多个segment（逻辑上的概念，index+log文件）

每个partition（目录）相当于一个巨型文件被平均分配到多个大小相等的segment（片段）数据文件中（每个segment文件中消息数量不一定相等），这种特性也方便old segment的删除，即方便已被消费的消息的清理，提高磁盘的利用率。每个partition只需要支持顺序读写就行，segment的文件生命周期由服务端配置参数（log.segment.bytes，log.roll.\{ms,hours\}等若干参数）决定

每个segment对应两个文件----“.index”和“.log”文件。分别表示为segment索引文件和数据文件（引入索引文件的目的就是便于利用二分查找快速定位message位置）。这两个文件的命名规则为：

partition全局的第一个segment从0开始，后续每个segment文件名以当前segment的第一条消息的offset命名，数值大小为64位，20位数字字符长度，没有数字用0填充。

这些文件位于一个文件夹下（partition目录），改文件夹的命名规则：topic名+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

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[root@bigdata-02 kafka-logs]# tree
    .
    # partition目录(topic名称+分区序号)
    ├── analyze-0
    │   ├── 00000000000000000000.index
    │   ├── 00000000000000000000.log
    # 0.8版本之前的kafka没有timeindex文件，这是kafka的具体时间日志
    │   ├── 00000000000000000000.timeindex
    │   └── leader-epoch-checkpoint
    ├── analyze-1
    │   ├── 00000000000000000000.index
    │   ├── 00000000000000000000.log
    │   ├── 00000000000000000000.timeindex
    │   └── leader-epoch-checkpoint
    ├── analyze-2
    │   ├── 00000000000000000000.index
    │   ├── 00000000000000000000.log
    │   ├── 00000000000000000000.timeindex
    │   └── leader-epoch-checkpoint
    ├── cleaner-offset-checkpoint
    ├── __consumer_offsets-0
    │   ├── 00000000000000000000.index
    │   ├── 00000000000000000000.log
    │   ├── 00000000000000000000.timeindex
    │   └── leader-epoch-checkpoint
    ├── __consumer_offsets-1
    │   ├── 00000000000000000000.index
    │   ├── 00000000000000000000.log
    │   ├── 00000000000000000000.timeindex
    │   └── leader-epoch-checkpoint
    。
    。
    。
    ├── log-start-offset-checkpoint
    ├── meta.properties
    ├── recovery-point-offset-checkpoint
    └── replication-offset-checkpoint

index和log文件以当前segment的第一条消息的offset命名。

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### 2.2 index和log文件 ###

.index 索引文件存储大量的索引信息，.log数据文件存储大量消息数据（message），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。以index索引文件中的元数据3497为例，依次在数据文件中表示第三个message（在全局Partition中表示第368772个message），以及该消息的物理偏移地址为497

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### 2.3 message的结构 ###

Segment的Log文件由多个Message组成，下面详细说明Message的物理结构，如图：

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参数说明：

![format_png 7][]

### 2.4 如何通过offset查找message ###

先二分查找获取对应index索引文件，获取到对应的物理offset，拿着物理offset去log数据文件顺序查找对应消息，返回查找到的消息。

例如：读取offset=368776的Message，需要通过如下两个步骤。

**第一步：查找segment File**

00000000000000000000.index表示最开始的文件，起始偏移量（offset）为0；第二个文件00000000000000368770.index的起始偏移量为368770，依次类推。以起始偏移量命名并排序这些文件，只要根据offset二分查找文件列表，就可以快速定位到具体文件。

当offset=368776时，定位到00000000000000368770.index|log。

**第二步：通过segment File查找Message**

通过第一步定位到Segment File,当offset=368776时，依次定位到00000000000000368770.index的元数据物理位置和00000000000000368770.log的物理偏移地址，然后再通过00000000000000368770.log顺序查找，直到offset=368776为止。

segment index file采取**稀疏索引**存储方式，可以减少索引文件大小，通过Linux mmap接口可以直接进行内存操作。稀疏索引为数据文件的每个对应message设置一个元数据指针，它比稠密索引节省了更多的存储空间，但查找起来需要消耗更多的时间

## 3、数据目录结构 ##

向主题topic-log中发送一定量的消息，某一时刻topic-log-0目录中的布局如下所示。

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示例中第2个LogSegment对应的基准位移是133，也说明了该LogSegment中的第一条消息的偏移量为133，同时可以反映出第一个LogSegment中共有133条消息（偏移量从0至132的消息）。

注意每个LogSegment中不只包含“.log”“.index”“.timeindex”这3种文件，还可能包含 “.deleted”“.cleaned”“.swap”等临时文件，以及可能的“.snapshot”“.txnindex”“leader-epoch-checkpoint”等文件。

Kafka 中的文件不只上面提及的这些文件，比如还有一些检查点文件，当一个Kafka服务第一次启动的时候，默认的根目录下就会创建以下5个文件：

├── cleaner-offset-checkpoint
    ├── meta.properties
    ├── recovery-point-offset-checkpoint
    ├── replication-offset-checkpoint
    ├── log-start-offset-checkpoint

kafka0.8之后消费者提交的位移是保存在 Kafka 内部的主题\_\_consumer\_offsets中的，初始情况下这个主题并不存在，当第一次有消费者消费消息时会自动创建这个主题。

在某一时刻，Kafka 中的文件目录布局如图 所示。每一个根目录都会包含最基本的 4个检查点文件（xxx-checkpoint）和 meta.properties 文件。在创建主题的时候，如果当前 broker中不止配置了一个根目录，那么会挑选分区数最少的那个根目录来完成本次创建任务。

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[format_png 5]: /images/20230208/2923e01bf4bd4081be3261009a61634f.png
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[format_png 7]: /images/20230208/f970e8e1396f4bf3822a4e2227bc5c43.png
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