消息中间件与kafka（二）

Kafka简介

Kafka是一个分布式的基于发布/订阅模式的消息队列（Message Queue）。

1）Apache Kafka是一个开源消息系统，由Scala写成。是由Apache软件基金会开发的一个开源消息系统项目。

2）Kafka最初是由LinkedIn公司开发，并于2011年初开源。2012年10月从Apache Incubator毕业。该项目的目标是为处理实时数据提供一个统一、高通量、低等待的平台。

3）Kafka是一个分布式消息队列。Kafka对消息保存时根据Topic进行归类，发送消息者称为Producer，消息接受者称为Consumer，此外kafka集群有多个kafka实例组成，每个实例(server)成为broker。

4）无论是kafka集群，还是producer和consumer都依赖于zookeeper集群保存一些meta信息，来保证系统可用性。

Kafka 基础架构

• Producer ：消息生产者，就是向 kafka broker 发消息的客户端；
• Consumer ：消息消费者，向 kafka broker 取消息的客户端；
• Consumer Group （CG ）：消费者组，由多个 consumer 组成。 消费者组内每个消费者负责消费不同分区的数据，一个分区只能由一个 组内 消费者消费；消费者组之间互不影响。所有的消费者都属于某个消费者组，即 消费者组是逻辑上的一个订阅者。
• Broker ：一台 kafka 服务器就是一个 broker。一个集群由多个 broker 组成。一个 broker可以容纳多个 topic。
• Topic ：可以理解为一个队列， 生产者和消费者面向的都是一个 topic；
• Partition ：为了实现扩展性，一个非常大的 topic 可以分布到多个 broker（即服务器）上，一个 topic 可以分为多个 partition，每个 partition 是一个有序的队列；
• Replica： ：副本，一个topic可以多个分区partition,一个 topic 的每个分区都有若干个副本，leader 和若干个 follower，每个分区都可以保留副本。　　                                                            　　                                                                                                                   这样保证了集群中的某个节点发生故障时，该节点上的 partition 数据不丢失，且 kafka 仍然能够继续工作，被称作kafka 的副本机制。
• leader ：每个分区多个副本的“主”，生产者发送数据的对象，以及消费者消费数据的对象都是 leader。
• follower ：每个分区多个副本中的“从”，实时从 leader 中同步数据，保持和 leader 数据的同步。leader 发生故障时，某个 follower 会成为新的 follower。

Kafka工作原理 

• 副本策略

Kafka每个主题的多个分区日志分布式地存储在Kafka集群上，同时为了故障容错，每个分区都会以副本的方式复制到多个消息代理节点上。其中一个节点会作为主副本（Leader），其他节点作为备份副本（Follower，也叫作从副本）。主副本会负责所有的客户端读写操作，备份副本仅仅从主副本同步数据。当主副本出现故障时，备份副本中的一个副本会被选择为新的主副本。因为每个分区的副本中只有主副本接受读写，所以每个服务器端都会作为某些分区的主副本，以及另外一些分区的备份副本，这样Kafka集群的所有服务端整体上对客户端是负载均衡的。

• Kafka的生产者和消费者相对于服务器端而言都是客户端。

Kafka生产者客户端发布消息到服务端的指定主题，会指定消息所属的分区。生产者发布消息时根据消息是否有键，采用不同的分区策略。

消息没有键时，通过轮询方式进行客户端负载均衡；消息有键时，根据分区语义（例如hash）确保相同键的消息总是发送到同一分区。

• Kafka的消费者通过订阅主题来消费消息，并且每个消费者都会设置一个消费组名称。

因为生产者发布到主题的每一条消息都只会发送给消费者组的一个消费者。

所以，如果要实现传统消息系统的“队列”模型，可以让每个消费者都拥有相同的消费组名称，这样消息就会负责均衡到所有的消费者；

如果要实现“发布-订阅”模型，则每个消费者的消费者组名称都不相同，这样每条消息就会广播给所有的消费者。

• 分区是消费者现场模型的最小并行单位。

如下图（图1）所示，生产者发布消息到一台服务器的3个分区时，只有一个消费者消费所有的3个分区。在下图（图2）中，3个分区分布在3台服务器上，同时有3个消费者分别消费不同的分区。假设每个服务器的吞吐量时300MB，在下图（图1）中分摊到每个分区只有100MB，而在下图（图2）中，集群整体的吞吐量有900MB。可以看到，增加服务器节点会提升集群的性能，增加消费者数量会提升处理性能。

同一个消费组下多个消费者互相协调消费工作，Kafka会将所有的分区平均地分配给所有的消费者实例，这样每个消费者都可以分配到数量均等的分区。Kafka的消费组管理协议会动态地维护消费组的成员列表，当一个新消费者加入消费者组，或者有消费者离开消费组，都会触发再平衡操作。

• 消费者消费消息的有序与无序

Kafka的消费者消费消息时，只保证在一个分区内的消息的完全有序性，并不保证同一个主题汇中多个分区的消息顺序。而且，消费者读取一个分区消息的顺序和生产者写入到这个分区的顺序是一致的。

比如，生产者写入“hello”和“Kafka”两条消息到分区P1，则消费者读取到的顺序也一定是“hello”和“Kafka”。如果业务上需要保证所有消息完全一致，只能通过设置一个分区完成，但这种做法的缺点是最多只能有一个消费者进行消费。

一般来说，只需要保证每个分区的有序性，再对消息假设键来保证相同键的所有消息落入同一分区，就可以满足绝大多数的应用。

Kafka 架构深入

3.1 Kafka 工作流程及文件存储机制

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 对应于一个以topic为名字后缀是_数字的文件夹，该文件中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。

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。index 和 log 文件以当前 segment 的第一条消息的 offset 命名。“.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。

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

3.2 Kafka 生产者

3.2.1 分区策略

1分区的原因

（1） 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；

（2） 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。

• 指明 partition 的情况下，直接将指明的值直接作为 partiton 值；
• 没有指明 partition 值但有 key 的情况下，将 key 的 hash 值与 topic 的 partition数进行取余得到 partition 值；
• 既没有 partition 值又没有 key 值的情况下，第一次调用时随机生成一个整数（后面每次调用在这个整数上自增），将这个值与 topic 可用的 partition 总数取余得到 partition值，也就是常说的 round-robin 算法。

3.2.2 数据可靠性保证

从 ISR，HW，leader 选举以及持久性保证 Kafka的数据可靠性 。

为保证 producer 发送的数据，能可靠的发送到指定的 topic，topic 的每个 partition 收到

producer 发送的数据后，都需要向 producer 发送 ack（acknowledgement 确认收到），如果producer 收到 ack，就会进行下一轮的发送，否则重新发送数据。

副本数据同步策略

总共可选4种方案

1. leader完成同步就， 就发送 ack
2. 半数以上完成同步 , 就发送 ack
3. 全部完成同步,才发送ack
4. 先选出能参与决策的副本节点，然后这些节点全部完成同步,才发送ack。

Kafka 选择了第4种方案，原因如下：

1.同样为了容忍n台节点的故障，第3种方案需要 2n+1 个副本，而第二种方案只需要 n+1个副本，而 Kafka 的每个分区都有大量的数据，第一种方案会造成大量数据的冗余。

2.虽然第3种方案的网络延迟会比较高，但网络延迟对 Kafka 的影响较小。

3.虽然第3种方案很好，但是存在某一或多个“拉后腿”的节点，所以把他们提出决策委员会，由剩下的做出全部同意的决策才发出ACK。

ISR--副本同步队列

所有的副本（replicas）统称为 Assigned Replicas，即 AR。ISR 是 AR 中的一个子集，由 leader 维护 ISR 列表，follower 从 leader 同步数据有一些延迟

（包括延迟时间 replica.lag.time.max.ms 和延迟条数 replica.lag.max.messages 两个维度, 当前最新的版本 0.10.x 中只支持 replica.lag.time.max.ms 这个维度），

任意一个超过阈值都会把 follower 剔除出 ISR, 存入 OSR（Outof-Sync Replicas）列表，新加入的 follower 也会先存放在 OSR 中。AR=ISR+OSR。

采用[全部完成同步,才发送ack]方案之后，设想以下情景：

leader 收到数据，所有 follower 都开始同步数据，但有一个 follower，因为某种故障，迟迟不能与 leader 进行同步，那 leader 就要一直等下去，直到它完成同步，才能发送 ack。这个问题怎么解决呢？

Leader 维护了一个动态的 in-sync replica set (ISR)，意为和 leader 保持同步的 follower 集合。当 ISR 中的 follower 完成数据的同步之后，leader 就会给 follower 发送 ack。

如果 follower长 时 间 未 向 leader 同 步 数 据 ， 则 该 follower 将 被 踢 出 ISR ， 该 时 间 阈 值 由replica.lag.time.max.ms 参数设定。而Leader 发生故障之后，就会从 ISR 中选举新的 leader。

为什么Kafka 0.10.x 版本后移除了replica.lag.max.messages参数

Kafka 0.10.x 版本后移除了 replica.lag.max.messages 参数，只保留了 replica.lag.time.max.ms 作为 ISR 中副本管理的参数。为什么这样做呢？
replica.lag.max.messages 表示当前某个副本落后 leaeder 的消息数量超过了这个参数的值，那么 leader 就会把 follower 从 ISR 中删除。
假设设置 replica.lag.max.messages=4，那么如果 producer 一次传送至 broker 的消息数量都小于 4 条时，因为在 leader 接受到 producer 发送的消息之后而 follower 副本开始拉取这些消息之前
，follower 落后 leader 的消息数不会超过 4 条消息，故此没有 follower 移出 ISR，所以这时候 replica.lag.max.message 的设置似乎是合理的。

但是 producer 发起瞬时高峰流量，producer 一次发送的消息超过 4 条时，也就是超过 replica.lag.max.messages，此时 follower 都会被认为是与 leader 副本不同步了，从而被踢出了 ISR。
但实际上这些 follower 都是存活状态的且没有性能问题。那么在之后追上 leader, 并被重新加入了 ISR。
于是就会出现它们不断地剔出 ISR 然后重新回归 ISR，这无疑增加了无谓的性能损耗。而且这个参数是 broker 全局的。
设置太大了，影响真正“落后”follower 的移除；设置的太小了，导致 follower 的频繁进出。无法给定一个合适的 replica.lag.max.messages 的值，故此，新版本的 Kafka 移除了这个参数。      

LEO是LogEndOffset 的缩写，表示每个 partition 的 log 最后一条 Message 的位置。 HW 是HighWatermark 的缩写，取一个 partition 对应的 ISR 中最小的 LEO 作为 HW，consumer 最多只能消费到 HW 所在的位置。（木桶原理）

另外每个 replica 都有 HW,leader 和 follower 各自负责更新自己的 HW 的状态。

对于 leader 新写入的消息，consumer 不能立刻消费，leader 会等待该消息被所有 ISR 中的 replicas 同步后更新 HW，此时消息才能被 consumer 消费。

这样就保证了如果 leader 所在的 broker 失效，该消息仍然可以从新选举的 leader 中获取。对于来自内部 broker 的读取请求，没有 HW 的限制。

ack 应答机制

对于某些不太重要的数据，对数据的可靠性要求不是很高，能够容忍数据的少量丢失，所以没必要等 ISR 中的 follower 全部接收成功。

所以 Kafka 为用户提供了三种可靠性级别，用户根据对可靠性和延迟的要求进行权衡，

选择以下的配置。

acks 参数配置：

acks=0：producer 不等待 broker 的 ack，这一操作提供了一个最低的延迟，broker 一接收到还没有写入磁盘就已经返回，当 broker 故障时有可能 丢失数据；

acks=1：producer 等待 broker 的 ack，partition 的 leader 落盘成功后返回 ack，如果在 follower同步成功之前 leader 故障，那么将会 丢失数据；

acks=-1（all）：producer 等待 broker 的 ack，partition 的 leader 和 follower 全部落盘成功后才返回 ack。但是如果在 follower 同步完成后，broker 发送 ack 之前，leader 发生故障，那么会造成 数据重复。      

故障处理 细节

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 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。

3.2.3数据既不重复也不丢失

• At Least Once ：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,但是不能保证数据不重复
• At Most Once ：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,可以保证数据不重复，但是不能保证数据不丢失

如何下游数据消费者要求数据既不重复也不丢失--Exactly Once

在 0.11 版以前的 Kafka

　　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 版本的以后的 Kafka

　　同时满足：

• • At Least Once （服务器的 ACK 级别设置为-1）
  • 幂等性(把Producer的参数中enable.idompotence 设置为 true )

　　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。

　　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<PID, Partition, SeqNumber>做缓存，当具有相同主键的消息提交时，Broker 只会持久化一条。

note:

• 跨分区跨会话的Exactly Once：如果 PID 重启就会变化，同时不同的 Partition 也具有不同主键，所以幂等性也做不到跨分区跨会话的Exactly Once。

3.3 Kafka 消费者

3.3.1 消费方式

consumer 采用 pull（拉）模式从 broker 中读取数据【消费者维持一个长轮询】。push （推）模式很难适应消费速率不同的消费者，因为消息发送速率是由 broker 决定的。

它的目标是尽可能以最快速度传递消息，但是这样很容易造成 consumer 来不及处理消息，典型的表现就是拒绝服务以及网络拥塞。而 pull 模式则可以根据 consumer 的消费能力以适当的速率消费消息。

pull 模式不足之处是，如果 kafka 没有数据，消费者可能会陷入循环中，一直返回空数据。

针对这一点，Kafka 的消费者在消费数据时会传入一个时长参数 timeout，如果当前没有数据可供消费，consumer 会等待一段时间之后再返回，这段时长即为 timeout。

下面是来自《权威指南》

如果消费者群组的消费者超过主题的分区数量，那么有一部分消费者就会被闲置，不会接收到任何消息。

Kafka 消费者从属于消费者群组。一个群组里的消费者订阅的是同一个主题，每个消费者接收主题一部分分区的消息。

消息轮询是消费者 API 的核心。消费者必须持续对 Kafka 进行轮询，否则会被认为已经死亡。

在第一次调用新消费者的 poll() 方法时，它会负责查找 GroupCoordinator，然后加入群组，接受分配的分区。      

 其他：

当一个消费者被关闭或发生崩溃时，它就离开群组，原本由它读取的分区将由群组里的其他消费者来读取。分区的所有权从一个消费者转移到另一个消费者，这样的行为被称为再均衡。
在再均衡期间，消费者无法读取消息，造成整个群组一小段时间的不可用。
消费者通过向被指派为群组协调器的 broker 发送心跳来维持它们和群组的从属关系以及它们对分区的所有权关系。
消费者会在轮训消息或提交偏移量时发送心跳。如果消费者停止发送心跳的时间足够长，会话就会过期，群组协调器认为它已经死亡，就会触发一次再均衡。
如果一个消费者发生崩溃，并停止读取消息，群组协调器会等待几秒钟，确认它死亡了才会触发再均衡。
当消费者要加入群组时，它会向群组协调器发送一个 JoinGroup 请求。第一个加入群组的消费者将成为"群主"。
群主从协调器那里获得群组的成员列表，并负责给每一个消费者分配分区。
分配完毕之后，群主把分配情况列表发送给群组协调器，协调器再把这些信息发送给所有消费者。每个消费者只能看到自己的分配情况。这个过程会在每次再均衡时重复发生。      

3.3.2 分区 分配策略

一个 consumer group 中有多个 consumer，一个 topic 有多个 partition，所以必然会涉及到 partition 的分配问题，即确定那个 partition 由哪个 consumer 来消费。

Kafka 有两种分配策略 是： RoundRobin和Range策略。

由参数 partition.assignment.strategy指定，默认是range策略      

RoundRobin

使用RoundRobin策略有两个前提条件必须满足：

• 同一个Consumer Group里面的所有消费者的num.streams必须相等；
• 每个消费者订阅的主题必须相同。

所以这里假设前面提到的2个消费者的num.streams = 2。

RoundRobin策略的工作原理：将所有主题的分区组成 TopicAndPartition 列表，然后对 TopicAndPartition 列表按照 hashCode 进行排序。

val allTopicPartitions = ctx.partitionsForTopic.flatMap { case(topic, partitions) =>
  info("Consumer %s rebalancing the following partitions for topic %s: %s"
       .format(ctx.consumerId, topic, partitions))
  partitions.map(partition => {
    TopicAndPartition(topic, partition)
  })
}.toSeq.sortWith((topicPartition1, topicPartition2) => {
  /*
   * Randomize the order by taking the hashcode to reduce the likelihood of all partitions of a given topic ending
   * up on one consumer (if it has a high enough stream count).
   */
  topicPartition1.toString.hashCode < topicPartition2.toString.hashCode
})      

源码

Range

Range策略是对每个主题而言的，首先对同一个主题里面的分区按照序号进行排序，并对消费者按照字母顺序进行排序

消费者线程排完序将会是C1, C2, C3。然后将partitions的个数除于消费者线程的总数来决定每个消费者线程消费几个分区。

如果除不尽，那么前面几个消费者线程将会多消费一个分区。

假设在消费10个分区一个主题，3个消费者线程， 10 / 3 = 3，而且除不尽，那么消费者线程 C1 将会多消费一个分区

假如我们有3个主题，分别有4个分区，那么最后分区分配的结果看起来是这样的：

• C1 将消费 6个分区
• C2 将消费 3个分区

可以看出，C1消费者线程比其他消费者线程多消费了3个分区，这就是Range strategy的一个很明显的弊端。

note：当一个组消费多主题导致不均衡

3.3.3 offset 的维护

由于 consumer 在消费过程中可能会出现断电宕机等故障，consumer 恢复后，需要从故障前的位置的继续消费，所以 consumer 需要实时记录自己消费到了哪个 offset，以便故障恢复后继续消费。

Kafka 0.9 版本之前：

consumer 默认将 offset 保存在 Zookeeper 中，读取offset命令如下：

bin/kafka-console-consumer.sh --topic __consumer_offsets --zookeeper hadoop102:2181 --formatter "kafka.coordinator.GroupMetadataManager\$OffsetsMessageFormatter" 
--consumer.config config/consumer.properties --from-beginning      

从 0.9 版本开始：

consumer 默认将 offset 保存在 Kafka 一个内置的 topic 中，该 topic 为__consumer_offsets。也可以保存在zk中

1）修改配置文件 consumer.properties

exclude.internal.topics=false      

2）读取 offset

bin/kafka-console-consumer.sh --topic __consumer_offsets --zookeeper hadoop102:2181 --formatter "kafka.coordinator.group.GroupMetadataManager\$OffsetsMessageFormatter" 
--consumer.config config/consumer.properties --from-beginning      

3.4 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copy

 图一：

缓冲区是所有I/O的基础，I/O讲的无非就是把数据移进或移出缓冲区；
进程执行I/O操作，就是向操作系统发出请求，让它要么把缓冲区的数据排干(写)，要么填充缓冲区(读)。
进程发起read请求之后，内核接收到read请求之后，会先检查内核空间中是否已经存在进程所需要的数据，如果已经存在，则直接把数据copy给进程的缓冲区；
如果没有内核随即向磁盘控制器发出命令，要求从磁盘读取数据，磁盘控制器把数据直接写入内核read缓冲区，这一步通过DMA完成；
接下来就是内核将数据copy到进程的缓冲区；
如果进程发起write请求，同样需要把用户缓冲区里面的数据copy到内核的socket缓冲区里面，然后再通过DMA把数据copy到网卡中，发送出去；      

I/0缓冲区

图二：

使用mmap+write方式代替原来的read+write方式，mmap是一种内存映射文件的方法，即将一个文件或者其它对象映射到进程的地址空间，实现文件磁盘地址和进程虚拟地址空间中一段虚拟地址的一一对映关系；
这样就可以省掉原来内核read缓冲区copy数据到用户缓冲区，但是还是需要内核read缓冲区将数据copy到内核socket缓冲区      

mmap+write方式

图三：

sendfile系统调用在内核版本2.1中被引入，目的是简化通过网络在两个通道之间进行的数据传输过程。sendfile系统调用的引入，不仅减少了数据复制，还减少了上下文切换的次数      

sendfile方式

图四：

数据传送只发生在内核空间，所以减少了一次上下文切换；但是还是存在一次copy，能不能把这一次copy也省略掉，Linux2.4内核中做了改进，将Kernel buffer中对应的数据描述信息（内存地址，偏移量）记录到相应的socket缓冲区当中，这样连内核空间中的一次cpu copy也省掉了；      

0拷贝

3.5 Zookeeper 在 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。

3.6 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。

3.6.1 Producer 事务

为了实现跨分区跨会话的事务，Kafka 0.11.0.0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Producer发送的消息 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。

TransactionCoordinator 还负责将事务所有写入 Kafka 的一个内部 Topic【维护

Transaction Log

，该log存于一个内部的Topic内】，

由于Topic数据具有持久性，因此事务的状态也具有持久性。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。

注意Producer并不直接读写

Transaction Log

，它与

Transaction Coordinator

通信，然后由

Transaction Coordinator

将该事务的状态插入相应的

Transaction Log

。

Transaction Log

的设计与

Offset Log

用于保存Consumer的Offset类似。

3.6.2 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。

3.6.3事务中Offset的提交

许多基于Kafka的应用，尤其是Kafka Stream应用中同时包含Consumer和Producer，前者负责从Kafka中获取消息，后者负责将处理完的数据写回Kafka的其它Topic中。

为了实现该场景下的事务的原子性，Kafka需要保证对Consumer Offset的Commit与Producer对发送消息的Commit包含在同一个事务中。否则，如果在二者Commit中间发生异常，根据二者Commit的顺序可能会造成数据丢失和数据重复：

• 如果先Commit Producer发送数据的事务再Commit Consumer的Offset，即

  At Least Once

  语义，可能造成数据重复。
• 如果先Commit Consumer的Offset，再Commit Producer数据发送事务，即

  At Most Once

  语义，可能造成数据丢失。

3.6.4用于事务特性的控制型消息

为了区分写入Partition的消息被Commit还是Abort，Kafka引入了一种特殊类型的消息，即

Control Message

。该类消息的Value内不包含任何应用相关的数据，并且不会暴露给应用程序。它只用于Broker与Client间的内部通信。

对于Producer端事务，Kafka以Control Message的形式引入一系列的

Transaction Marker

。Consumer即可通过该标记判定对应的消息被Commit了还是Abort了，然后结合该Consumer配置的隔离级别决定是否应该将该消息返回给应用程序。

代码：

1 Producer<String, String> producer = new KafkaProducer<String, String>(props);
 2 
 3 // 初始化事务，包括结束该Transaction ID对应的未完成的事务（如果有）
 4 // 保证新的事务在一个正确的状态下启动
 5 producer.initTransactions();
 6 
 7 // 开始事务
 8 producer.beginTransaction();
 9 
10 // 消费数据
11 ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);
12 
13 try{
14     // 发送数据
15     producer.send(new ProducerRecord<String, String>("Topic", "Key", "Value"));
16 
17     // 发送消费数据的Offset，将上述数据消费与数据发送纳入同一个Transaction内
18     producer.sendOffsetsToTransaction(offsets, "group1");
19 
20     // 数据发送及Offset发送均成功的情况下，提交事务
21     producer.commitTransaction();
22 } catch (ProducerFencedException | OutOfOrderSequenceException | AuthorizationException e) {
23     // 数据发送或者Offset发送出现异常时，终止事务
24     producer.abortTransaction();
25 } finally {
26     // 关闭Producer和Consumer
27     producer.close();
28     consumer.close();
29 }      

事物

3.6.5完整事务过程

3.6.5.1找到

Transaction Coordinator

由于

Transaction Coordinator

是分配PID和管理事务的核心，因此Producer要做的第一件事情就是通过向任意一个Broker发送

FindCoordinator

请求找到

Transaction Coordinator

的位置【步骤1】。

注意：只有应用程序为Producer配置了

Transaction ID

时才可使用事务特性，也才需要这一步。

另外，由于事务性要求Producer开启幂等特性，因此通过将

transactional.id

设置为非空从而开启事务特性的同时也需要通过将

enable.idempotence

设置为true来开启幂等特性。

3.6.5.2获取PID

找到

Transaction Coordinator

后，具有幂等特性的Producer必须发起

InitPidRequest

请求以获取PID【步骤2】。

注意：只要开启了幂等特性即必须执行该操作，而无须考虑该Producer是否开启了事务特性。

* 如果事务特性被开启 *

InitPidRequest

会发送给

Transaction Coordinator

。如果

Transaction Coordinator

是第一次收到包含有该

Transaction ID

的InitPidRequest请求，它将会把该

<TransactionID, PID>

存入

Transaction Log

，如上图中【步骤2.1】所示。

这样可保证该对应关系被持久化，从而保证即使

Transaction Coordinator

宕机该对应关系也不会丢失。

除了返回PID外，

InitPidRequest

还会执行如下任务：

• 增加该PID对应的epoch。具有相同PID但epoch小于该epoch的其它Producer（如果有）新开启的事务将被拒绝。
• 恢复（Commit或Abort）之前的Producer未完成的事务（如果有）。

注意：

InitPidRequest

的处理过程是同步阻塞的。一旦该调用正确返回，Producer即可开始新的事务。

另外，如果事务特性未开启，

InitPidRequest

可发送至任意Broker，并且会得到一个全新的唯一的PID。该Producer将只能使用幂等特性以及单一Session内的事务特性，而不能使用跨Session的事务特性。

3.6.5.3开启事务

Kafka从0.11.0.0版本开始，提供

beginTransaction()

方法用于开启一个事务。调用该方法后，Producer本地会记录已经开启了事务，但

Transaction Coordinator

只有在Producer发送第一条消息后才认为事务已经开启。

Consume-Transform-Produce

这一阶段，包含了整个事务的数据处理过程，并且包含了多种请求。

AddPartitionsToTxnRequest

一个Producer可能会给多个

<Topic, Partition>

发送数据，给一个新的

<Topic, Partition>

发送数据前，它需要先向

Transaction Coordinator

发送

AddPartitionsToTxnRequest

Transaction Coordinator

会将该

<Transaction, Topic, Partition>

存于

Transaction Log

内，并将其状态置为

BEGIN

，如上图中步骤4.1所示。

有了该信息后，我们才可以在后续步骤中为每个

Topic, Partition>

设置COMMIT或者ABORT标记（如上图中步骤5.2所示）。

另外，如果该

<Topic, Partition>

为该事务中第一个

<Topic, Partition>

，

Transaction Coordinator

还会启动对该事务的计时（每个事务都有自己的超时时间）。

ProduceRequest

Producer通过一个或多个

ProduceRequest

发送一系列消息。除了应用数据外，该请求还包含了PID，epoch，和

Sequence Number

。该过程如上图中步骤4.2所示。

AddOffsetsToTxnRequest

为了提供事务性，Producer新增了

sendOffsetsToTransaction

方法，该方法将多组消息的发送和消费放入同一批处理内。

该方法先判断在当前事务中该方法是否已经被调用并传入了相同的Group ID。若是，直接跳到下一步；若不是，则向

Transaction Coordinator

AddOffsetsToTxnRequests

请求，

Transaction Coordinator

将对应的所有

<Topic, Partition>

Transaction Log

中，并将其状态记为

BEGIN

，如上图中步骤4.3所示。该方法会阻塞直到收到响应。

TxnOffsetCommitRequest

作为

sendOffsetsToTransaction

方法的一部分，在处理完

AddOffsetsToTxnRequest

后，Producer也会发送

TxnOffsetCommit

请求给

Consumer Coordinator

从而将本事务包含的与读操作相关的各

<Topic, Partition>

的Offset持久化到内部的

__consumer_offsets

中，如上图步骤4.4所示。

在此过程中，

Consumer Coordinator

会通过PID和对应的epoch来验证是否应该允许该Producer的该请求。

这里需要注意：

• 写入

  __consumer_offsets

  的Offset信息在当前事务Commit前对外是不可见的。也即在当前事务被Commit前，可认为该Offset尚未Commit，也即对应的消息尚未被完成处理。

• Consumer Coordinator

  并不会立即更新缓存中相应

  <Topic, Partition>

  的Offset，因为此时这些更新操作尚未被COMMIT或ABORT。

Commit或Abort事务

一旦上述数据写入操作完成，应用程序必须调用

KafkaProducer

的

commitTransaction

方法或者

abortTransaction

方法以结束当前事务。

EndTxnRequest

commitTransaction

方法使得Producer写入的数据对下游Consumer可见。

abortTransaction

方法通过

Transaction Marker

将Producer写入的数据标记为

Aborted

状态。下游的Consumer如果将

isolation.level

设置为

READ_COMMITTED

，则它读到被Abort的消息后直接将其丢弃而不会返回给客户程序，也即被Abort的消息对应用程序不可见。

无论是Commit还是Abort，Producer都会发送

EndTxnRequest

Transaction Coordinator

，并通过标志位标识是应该Commit还是Abort。

收到该请求后，

Transaction Coordinator

会进行如下操作

1. 将

   PREPARE_COMMIT

   或

   PREPARE_ABORT

   消息写入

   Transaction Log

   ，如上图中步骤5.1所示
2. 通过

   WriteTxnMarker

   请求以

   Transaction Marker

   的形式将

   COMMIT

   ABORT

   信息写入用户数据日志以及

   Offset Log

   中，如上图中步骤5.2所示
3. 最后将

   COMPLETE_COMMIT

   COMPLETE_ABORT

   信息写入

   Transaction Log

   中，如上图中步骤5.3所示

补充说明：对于

commitTransaction

方法，它会在发送

EndTxnRequest

之前先调用flush方法以确保所有发送出去的数据都得到相应的ACK。对于

abortTransaction

方法，在发送

EndTxnRequest

之前直接将当前Buffer中的事务性消息（如果有）全部丢弃，但必须等待所有被发送但尚未收到ACK的消息发送完成。

上述第二步是实现将一组读操作与写操作作为一个事务处理的关键。因为Producer写入的数据Topic以及记录Comsumer Offset的Topic会被写入相同的

Transactin Marker

，所以这一组读操作与写操作要么全部COMMIT要么全部ABORT。

WriteTxnMarkerRequest

上面提到的

WriteTxnMarkerRequest

由

Transaction Coordinator

发送给当前事务涉及到的每个

<Topic, Partition>

的Leader。收到该请求后，对应的Leader会将对应的

COMMIT(PID)

或者

ABORT(PID)

控制信息写入日志，如上图中步骤5.2所示。

该控制消息向Broker以及Consumer表明对应PID的消息被Commit了还是被Abort了。

这里要注意，如果事务也涉及到

__consumer_offsets

，即该事务中有消费数据的操作且将该消费的Offset存于

__consumer_offsets

中，

Transaction Coordinator

也需要向该内部Topic的各Partition的Leader发送

WriteTxnMarkerRequest

从而写入

COMMIT(PID)

COMMIT(PID)

控制信息。

写入最终的

COMPLETE_COMMIT

COMPLETE_ABORT

消息

写完所有的

Transaction Marker

后，

Transaction Coordinator

会将最终的

COMPLETE_COMMIT

COMPLETE_ABORT

Transaction Log

中以标明该事务结束，如上图中步骤5.3所示。

此时，

Transaction Log

中所有关于该事务的消息全部可以移除。当然，由于Kafka内数据是Append Only的，不可直接更新和删除，这里说的移除只是将其标记为null从而在Log Compact时不再保留。

另外，

COMPLETE_COMMIT

COMPLETE_ABORT

的写入并不需要得到所有Rreplica的ACK，因为如果该消息丢失，可以根据事务协议重发。

补充说明，如果参与该事务的某些

<Topic, Partition>

在被写入

Transaction Marker

前不可用，它对

READ_COMMITTED

的Consumer不可见，但不影响其它可用

<Topic, Partition>

的COMMIT或ABORT。在该

<Topic, Partition>

恢复可用后，

Transaction Coordinator

会重新根据

PREPARE_COMMIT

PREPARE_ABORT

向该

<Topic, Partition>

Transaction Marker

总结

• PID

  与

  Sequence Number

  的引入实现了写操作的幂等性
• 写操作的幂等性结合

  At Least Once

  语义实现了单一Session内的

  Exactly Once

  语义

• Transaction Marker

  PID

  提供了识别消息是否应该被读取的能力，从而实现了事务的隔离性
• Offset的更新标记了消息是否被读取，从而将对读操作的事务处理转换成了对写（Offset）操作的事务处理
• Kafka事务的本质是，将一组写操作（如果有）对应的消息与一组读操作（如果有）对应的Offset的更新进行同样的标记（即

  Transaction Marker

  ）来实现事务中涉及的所有读写操作同时对外可见或同时对外不可见
• Kafka只提供对Kafka本身的读写操作的事务性，不提供包含外部系统的事务性

3.6.6异常处理

3.6.6.1Exception处理

InvalidProducerEpoch

这是一种Fatal Error，它说明当前Producer是一个过期的实例，有

Transaction ID

相同但epoch更新的Producer实例被创建并使用。此时Producer会停止并抛出Exception。

InvalidPidMapping

Transaction Coordinator

没有与该

Transaction ID

对应的PID。此时Producer会通过包含有

Transaction ID

InitPidRequest

请求创建一个新的PID。

NotCorrdinatorForGTransactionalId

该

Transaction Coordinator

不负责该当前事务。Producer会通过

FindCoordinatorRequest

请求重新寻找对应的

Transaction Coordinator

InvalidTxnRequest

违反了事务协议。正确的Client实现不应该出现这种Exception。如果该异常发生了，用户需要检查自己的客户端实现是否有问题。

CoordinatorNotAvailable

Transaction Coordinator

仍在初始化中。Producer只需要重试即可。

DuplicateSequenceNumber

发送的消息的序号低于Broker预期。该异常说明该消息已经被成功处理过，Producer可以直接忽略该异常并处理下一条消息

InvalidSequenceNumber

这是一个Fatal Error，它说明发送的消息中的序号大于Broker预期。此时有两种可能

• 数据乱序。比如前面的消息发送失败后重试期间，新的消息被接收。正常情况下不应该出现该问题，因为当幂等发送启用时，

  max.inflight.requests.per.connection

  被强制设置为1，而

  acks

  被强制设置为all。故前面消息重试期间，后续消息不会被发送，也即不会发生乱序。并且只有ISR中所有Replica都ACK，Producer才会认为消息已经被发送，也即不存在Broker端数据丢失问题。
• 服务器由于日志被Truncate而造成数据丢失。此时应该停止Producer并将此Fatal Error报告给用户。

InvalidTransactionTimeout

InitPidRequest

调用出现的Fatal Error。它表明Producer传入的timeout时间不在可接受范围内，应该停止Producer并报告给用户。

3.6.6.2 处理

Transaction Coordinator

失败

写

PREPARE_COMMIT/PREPARE_ABORT

前失败

Producer通过

FindCoordinatorRequest

找到新的

Transaction Coordinator

，并通过

EndTxnRequest

请求发起

COMMIT

ABORT

流程，新的

Transaction Coordinator

继续处理

EndTxnRequest

请求——写

PREPARE_COMMIT

PREPARE_ABORT

，写

Transaction Marker

COMPLETE_COMMIT

COMPLETE_ABORT

写完

PREPARE_COMMIT/PREPARE_ABORT

后失败

此时旧的

Transaction Coordinator

可能已经成功写入部分

Transaction Marker

。新的

Transaction Coordinator

会重复这些操作，所以部分Partition中可能会存在重复的

COMMIT

ABORT

，但只要该Producer在此期间没有发起新的事务，这些重复的

Transaction Marker

就不是问题。

COMPLETE_COMMIT/ABORT

旧的

Transaction Coordinator

可能已经写完了

COMPLETE_COMMIT

COMPLETE_ABORT

但在返回

EndTxnRequest

之前失败。该场景下，新的

Transaction Coordinator

会直接给Producer返回成功。

3.6.6.3事务过期机制

事务超时

transaction.timeout.ms

终止过期事务

当Producer失败时，

Transaction Coordinator

必须能够主动的让某些进行中的事务过期。否则没有Producer的参与，

Transaction Coordinator

无法判断这些事务应该如何处理，这会造成：

• 如果这种进行中事务太多，会造成

  Transaction Coordinator

  需要维护大量的事务状态，大量占用内存

• Transaction Log

  内也会存在大量数据，造成新的

  Transaction Coordinator

  启动缓慢

• READ_COMMITTED

  的Consumer需要缓存大量的消息，造成不必要的内存浪费甚至是OOM
• 如果多个

  Transaction ID

  不同的Producer交叉写同一个Partition，当一个Producer的事务状态不更新时，

  READ_COMMITTED

  的Consumer为了保证顺序消费而被阻塞

为了避免上述问题，

Transaction Coordinator

会周期性遍历内存中的事务状态Map，并执行如下操作

• 如果状态是

  BEGIN

  并且其最后更新时间与当前时间差大于

  transaction.remove.expired.transaction.cleanup.interval.ms

  （默认值为1小时），则主动将其终止：1）未避免原Producer临时恢复与当前终止流程冲突，增加该Producer对应的PID的epoch，并确保将该更新的信息写入

  Transaction Log

  ；2）以更新后的epoch回滚事务，从而使得该事务相关的所有Broker都更新其缓存的该PID的epoch从而拒绝旧Producer的写操作

• PREPARE_COMMIT

  ，完成后续的COMMIT流程————向各

  <Topic, Partition>

  Transaction Marker

  ，在

  Transaction Log

  内写入

  COMPLETE_COMMIT

• PREPARE_ABORT

  ，完成后续ABORT流程

终止

Transaction ID

某

Transaction ID

的Producer可能很长时间不再发送数据，

Transaction Coordinator

没必要再保存该

Transaction ID

PID

等的映射，否则可能会造成大量的资源浪费。因此需要有一个机制探测不再活跃的

Transaction ID

并将其信息删除。

Transaction Coordinator

会周期性遍历内存中的

Transaction ID

PID

映射，如果某

Transaction ID

没有对应的正在进行中的事务并且它对应的最后一个事务的结束时间与当前时间差大于

transactional.id.expiration.ms

（默认值是7天），则将其从内存中删除并在

Transaction Log

中将其对应的日志的值设置为null从而使得Log Compact可将其记录删除。

第 4 章 Kafka API

4.1 Producer API

4.1.1 消息发送流程

Kafka 的 Producer 发送消息采用的是 异步发送的方式。在消息发送的过程中，涉及到了两个线程 ——main 线程和 Sender 线程，以及 一个线程共享变量 ——RecordAccumulator。

main 线程将消息发送给 RecordAccumulator，Sender 线程不断从 RecordAccumulator 中拉取消息发送到 Kafka broker。

相关参数：

batch.size ：只有数据积累到 batch.size 之后，sender 才会发送数据。

linger.ms ：如果数据迟迟未达到 batch.size，sender 等待 linger.time 之后就会发送数据。

4.1.2 异步发送 API

1）maven依赖

<dependency>
    <groupId>org.apache.kafka</groupId>
    <artifactId>kafka-clients</artifactId>
    <version>0.11.0.0</version>
</dependency>      

2 ）编写代码

需要用到的类：

• KafkaProducer：需要创建一个生产者对象，用来发送数据
• ProducerConfig：获取所需的一系列配置参数
• ProducerRecord：每条数据都要封装成一个 ProducerRecord 对象

1.不带回调函数的 API

import org.apache.kafka.clients.producer.*;

import java.util.Properties;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class CustomProducer {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException {

        Properties props = new Properties();
        //kafka 集群，broker-list
        props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");
        props.put("acks", "all");
        //重试次数
        props.put("retries", 1);
        //批次大小
        props.put("batch.size", 16384);
        //等待时间
        props.put("linger.ms", 1);
        //RecordAccumulator 缓冲区大小
        props.put("buffer.memory", 33554432);
        props.put("key.serializer",
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
        props.put("value.serializer",
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
        Producer<String, String> producer = new
                KafkaProducer<String, String>(props);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            producer.send(new ProducerRecord<String, String>("first",
                    Integer.toString(i), Integer.toString(i)));
        }
        producer.close();
    }
}      

CustomProducer

2.带回调函数的 API

回调函数会在 producer 收到 ack 时调用，为异步调用，该方法有两个参数，分别是RecordMetadata 和 Exception，如果 Exception 为 null，说明消息发送成功，如果Exception 不为 null，说明消息发送失败。

注意：消息发送失败会自动重试，不需要我们在回调函数中手动重试。

import org.apache.kafka.clients.producer.*;

import java.util.Properties;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class CustomProducerReturn {
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException,InterruptedException {
            Properties props = new Properties();
            props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");//kafka 集群，broker-list
            props.put("acks", "all");
            props.put("retries", 1);//重试次数
            props.put("batch.size", 16384);//批次大小
            props.put("linger.ms", 1);//等待时间
            props.put("buffer.memory", 33554432);//RecordAccumulator 缓冲区大小
            props.put("key.serializer",
                    "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
            props.put("value.serializer",
                    "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
            Producer<String, String> producer = new
                    KafkaProducer<>(props);
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                producer.send(new ProducerRecord<String, String>("first",
                        Integer.toString(i), Integer.toString(i)), new Callback() {
                    //回调函数，该方法会在 Producer 收到 ack 时调用，为异步调用
                    @Override
                    public void onCompletion(RecordMetadata metadata,Exception exception) {
                        if (exception == null) {
                            System.out.println("success->" +
                                    metadata.offset());
                        } else {
                            exception.printStackTrace();
                        }
                    }
                });
            }
            producer.close();
        }
}      

CustomProducerReturn

4.1.3 同步发送 API

同步发送的意思就是，一条消息发送之后，会阻塞当前线程，直至返回 ack。

由于 send 方法返回的是一个 Future 对象，根据 Futrue 对象的特点，我们也可以实现同步发送的效果，只需在调用 Future 对象的 get 方发即可。

import org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer;
import org.apache.kafka.clients.producer.Producer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import java.util.Properties;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class CustomProducerSync {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException,
            InterruptedException {
        Properties props = new Properties();
        props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");//kafka 集群，broker-list
        props.put("acks", "all");
        props.put("retries", 1);//重试次数
        props.put("batch.size", 16384);//批次大小
        props.put("linger.ms", 1);//等待时间
        props.put("buffer.memory", 33554432);//RecordAccumulator 缓冲区大小
        props.put("key.serializer",
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
        props.put("value.serializer",
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
        Producer<String, String> producer = new KafkaProducer<>(props);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            producer.send(new ProducerRecord<String, String>("first",
                    Integer.toString(i), Integer.toString(i))).get();
        }
        producer.close();
    }
}      

CustomProducerSync

4.2 Consumer API

Consumer 消费数据时的可靠性是很容易保证的，因为数据在 Kafka 中是持久化的，故不用担心数据丢失问题。

所以 offset 的维护是 Consumer 消费数据是必须考虑的问题。

4.2.1 自动提交 offset

 1）maven依赖

<dependency>
    <groupId>org.apache.kafka</groupId>
    <artifactId>kafka-clients</artifactId>
    <version>0.11.0.0</version>
</dependency>      

编写代码

• KafkaConsumer：需要创建一个消费者对象，用来消费数据
• ConsumerConfig：获取所需的一系列配置参数
• ConsuemrRecord：每条数据都要封装成一个 ConsumerRecord 对象

为了使我们能够专注于自己的业务逻辑，Kafka 提供了自动提交 offset 的功能。

自动提交 offset 的相关参数：

• enable.auto.commit ：是否开启自动提交 offset 功能
• auto.commit.interval.ms ：自动提交 offset 的时间间隔

以下为自动提交 offset 的代码：

import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecords;
import org.apache.kafka.clients.consumer.KafkaConsumer;
import java.util.Collections;
import java.util.Properties;

public class CustomConsumerAutoCmt {
    public static void main(String[] args) {
        Properties props = new Properties();
        props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");
        props.put("group.id", "test");
        //自动提交设定
        props.put("enable.auto.commit", "true");
        props.put("auto.commit.interval.ms", "1000");
        //------------------------------------------------------//
        props.put("key.deserializer",
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        props.put("value.deserializer",
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);
        consumer.subscribe(Collections.singletonList("first"));
        while (true) {

                ConsumerRecords<String, String> records =
                        consumer.poll(100);
                for (ConsumerRecord<String, String> record : records)
                    System.out.printf("offset = %d, key = %s, value = %s%n", record.offset(), record.key(), record.value());
        }
    }
}      

CustomConsumerAutoCmt

4.2.2 手动交 提交 offset

虽然自动提交 offset 十分简介便利，但由于其是基于时间提交的，开发人员难以把握offset 提交的时机。因此 Kafka 还提供了手动提交 offset 的 API。

手动提交 offset 的方法有两种：分别是 commitSync（同步提交）和 commitAsync（异步提交）。

两者的相同点是，都会将次 本次 poll 的一批数据最高的偏移量提交；

不同点是，commitSync 阻塞当前线程，一直到提交成功，并且会自动失败重试（由不可控因素导致，也会出现提交失败）；而 commitAsync 则没有失败重试机制，故有可能提交失败。

1 ）交 同步提交 offset

由于同步提交 offset 有失败重试机制，故更加可靠，。

2 ）异步提交 offset

虽然同步提交 offset 更可靠一些，但是由于其会阻塞当前线程，直到提交成功。因此吞吐量会收到很大的影响。因此更多的情况下，会选用异步提交 offset 的方式。

以下为同步提交 offset 与异步提交 offset 的示例：

import org.apache.kafka.clients.consumer.*;
import org.apache.kafka.common.TopicPartition;
import java.util.Collections;
import java.util.Map;
import java.util.Properties;

public class CustomConsumerUserCmt {
    public static void main(String[] args) {
        Properties props = new Properties();

        props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");//Kafka 集群
        props.put("group.id", "test"); //消费者组，只要 group.id 相同，就属于同一个消费者组
        //关闭自动提交 offset-----------------------//
        props.put("enable.auto.commit", "false");
        //-----------------------------------------//
        props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        KafkaConsumer<String, String> consumer = new
                KafkaConsumer<>(props);
        consumer.subscribe(Collections.singletonList("first"));//消费者订阅主题
        while (true) {
            //消费者拉取数据
            ConsumerRecords<String, String> records =
                    consumer.poll(100);
            for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
                System.out.printf("offset = %d, key = %s, value = %s%n", record.offset(), record.key(), record.value());
            }
            //同步提交，当前线程会阻塞直到 offset 提交成功
            consumer.commitSync();

            //异步提交
            consumer.commitAsync(new OffsetCommitCallback() {
                @Override
                public void onComplete(Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> offsets, Exception exception) {
                    if (exception != null) {
                        System.err.println("Commit failed for" + offsets);
                    }
                }
            });
        }
    }
}      

CustomConsumerUserCmt

3 ） 数据漏消费和重复消费分析

无论是同步提交还是异步提交 offset，都有可能会造成数据的漏消费或者重复消费。先提交 offset 后消费，有可能造成数据的漏消费；而先消费后提交 offset，有可能会造成数据的重复消费。

4.2.3 自定义存储 offset

Kafka 0.9 版本之前，offset 存储在 zookeeper，0.9 版本及之后，默认将 offset 存储在 Kafka的一个内置的 topic 中。

除此之外，Kafka 还可以选择自定义存储 offset。offset 的维护是相当繁琐的，因为需要考虑到消费者的 Rebalace。

当有新的消费者加入消费者组、已有的消费者推出消费者组或者所订阅的主题的分区发生变化，就会触发到分区的重新分配，重新分配的过程叫做 Rebalance。

消费者发生 Rebalance 之后，每个消费者消费的分区就会发生变化。

因此消费者要首先获取到自己被重新分配到的分区，并且定位到每个分区最近提交的 offset 位置继续消费。

要实现自定义存储 offset，需要借助 ConsumerRebalanceListener，以下为示例代码，其中提交和获取 offset 的方法，需要根据所选的 offset 存储系统自行实现。

import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRebalanceListener;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecords;
import org.apache.kafka.clients.consumer.KafkaConsumer;
import org.apache.kafka.common.TopicPartition;

import java.util.*;

public class CustomConsumerUdfCmt {
    private static Map<TopicPartition, Long> currentOffset = new HashMap<>();

    public static void main(String[] args) {
        //创建配置信息
        Properties props = new Properties();
        //Kafka 集群
        props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");
        //消费者组，只要 group.id 相同，就属于同一个消费者组
        props.put("group.id", "test");
        //关闭自动提交 offset
        props.put("enable.auto.commit", "false");
        //Key 和 Value 的反序列化类
        props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        //创建一个消费者
        final KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);
        //消费者订阅主题
        consumer.subscribe(Collections.singletonList("first"), new ConsumerRebalanceListener() {
                    //该方法会在 Rebalance 之前调用
                    @Override
                    public void
                    onPartitionsRevoked(Collection<TopicPartition> partitions) {
                        commitOffset(currentOffset);
                    }

                    //该方法会在 Rebalance 之后调用
                    @Override
                    public void
                    onPartitionsAssigned(Collection<TopicPartition> partitions) {
                        currentOffset.clear();
                        for (TopicPartition partition : partitions) {
                            consumer.seek(partition, getOffset(partition));//定位到最近提交的 offset 位置继续消费
                        }
                    }
                });

        while (true) {
            ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);//消费者拉取数据
            for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
                System.out.printf("offset = %d, key = %s, value= %s%n", record.offset(), record.key(), record.value());
                currentOffset.put(new TopicPartition(record.topic(),record.partition()), record.offset());
            }
            commitOffset(currentOffset);//异步提交
        }
    }

    //获取某分区的最新 offset
    private static long getOffset(TopicPartition partition) {
        return 0;
    }

    //提交该消费者所有分区的 offset
    private static void commitOffset(Map<TopicPartition, Long> currentOffset) {
    }

}      

CustomConsumerUdfCmt

4.3 自定义 Interceptor

4.3.1 拦截器原理

Producer 拦截器(interceptor)是在 Kafka 0.10 版本被引入的，主要用于实现 clients 端的定制化控制逻辑。

对于 producer 而言，interceptor 使得用户在消息发送前以及 producer 回调逻辑前有机会对消息做一些定制化需求，比如修改消息等。

同时，producer 允许用户指定多个 interceptor按序作用于同一条消息从而形成一个拦截链(interceptor chain)。Intercetpor 的实现接口是org.apache.kafka.clients.producer.ProducerInterceptor，

其定义的方法包括：

（1）configure(configs)

获取配置信息和初始化数据时调用。

（2）onSend(ProducerRecord)：

该方法封装进 KafkaProducer.send 方法中，即它运行在用户主线程中。Producer 确保在消息被序列化以及计算分区前调用该方法。

用户可以在该方法中对消息做任何操作，但最好保证不要修改消息所属的 topic 和分区，否则会影响目标分区的计算。

（3）onAcknowledgement(RecordMetadata, Exception)：

该方法会在消息从 RecordAccumulator 成功发送到 Kafka Broker 之后，或者在发送过程中失败时调用。并且通常都是在 producer 回调逻辑触发之前。

onAcknowledgement 运行在producer 的 IO 线程中，因此不要在该方法中放入很重的逻辑，否则会拖慢 producer 的消息发送效率。

（4）close：

关闭 interceptor，主要用于执行一些资源清理工作。如前所述，interceptor 可能被运行在多个线程中，因此在具体实现时用户需要自行确保线程安全。

另外倘若指定了多个 interceptor，则 producer 将按照指定顺序调用它们，并仅仅是捕获每个 interceptor 可能抛出的异常记录到错误日志中而非在向上传递。这在使用过程中要特别留意。

4.3.2 拦截器案例

1）需求：

实现一个简单的双 interceptor 组成的拦截链。第一个 interceptor 会在消息发送前将时间戳信息加到消息 value 的最前部；第二个 interceptor 会在消息发送后更新成功发送消息数或失败发送消息数。

拦截器

2）生产者代码：

（1）增加时间戳拦截器

import java.util.Map;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerInterceptor;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import org.apache.kafka.clients.producer.RecordMetadata;
public class TimeInterceptor implements ProducerInterceptor<String, String> {
    @Override
    public void configure(Map<String, ?> configs) { 
        
        }
    @Override
    public ProducerRecord<String, String> onSend(ProducerRecord<String, String> record) {
    // 创建一个新的 record，把时间戳写入消息体的最前部
        return new ProducerRecord(
                record.topic(), record.partition(), record.timestamp()
                , record.key(),System.currentTimeMillis() + "," + record.value().toString());
        }
    @Override
    public void onAcknowledgement(RecordMetadata metadata,Exception exception) {
        }
    @Override
    public void close() {
        }
}      

TimeInterceptor

（2）统计发送消息成功和发送失败消息数，并在 producer 关闭时打印这两个计数器

import java.util.Map;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerInterceptor;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import org.apache.kafka.clients.producer.RecordMetadata;
public class TimeInterceptor implements ProducerInterceptor<String, String> {
    @Override
    public void configure(Map<String, ?> configs) { 
        
        }
    @Override
    public ProducerRecord<String, String> onSend(ProducerRecord<String, String> record) {
    // 创建一个新的 record，把时间戳写入消息体的最前部
        return new ProducerRecord(
                record.topic(), record.partition(), record.timestamp()
                , record.key(),System.currentTimeMillis() + "," + record.value().toString());
        }
    @Override
    public void onAcknowledgement(RecordMetadata metadata,Exception exception) {
        }
    @Override
    public void close() {
        }
}      

ProducerInterceptor

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer;
import org.apache.kafka.clients.producer.Producer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;

public class InterceptorProducer {
    public static void main(String[] args) {
        // 1 设置配置信息
        Properties props = new Properties();
        props.put("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");
        props.put("acks", "all");
        props.put("retries", 3);
        props.put("batch.size", 16384);
        props.put("linger.ms", 1);
        props.put("buffer.memory", 33554432);
        props.put("key.serializer",
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
        props.put("value.serializer",
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
        // 2 构建拦截链
        List<String> interceptors = new ArrayList<>();

        interceptors.add("TimeInterceptor");//一般项目为全路径com.xxx.kafka.interceptor.yyy
        interceptors.add("CounterInterceptor");

        props.put(ProducerConfig.INTERCEPTOR_CLASSES_CONFIG,interceptors);
        String topic = "first";
        Producer<String, String> producer = new KafkaProducer<>(props);
        // 3 发送消息
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            ProducerRecord<String, String> record = new
                    ProducerRecord<>(topic, "message" + i);
            producer.send(record);
        }
        // 4 一定要关闭 producer，这样才会调用 interceptor 的 close 方法
        producer.close();
    }
}      

InterceptorProducer

>bin/kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server hadoop102:9092 --from-beginning --topic  first      

大多数人都以为是才智成就了科学家，他们错了，是品格。---爱因斯坦