• 控制器组件（Controller），是 Apache Kafka 的核心组件。它的主要作用是在 Apache ZooKeeper 的帮助下管理和协调整个 Kafka 集群
  • 集群中任意一台 Broker 都能充当控制器的角色，但是，在运行过程中，只能有一个 Broker 成为控制器，行使其管理和协调的职责
  • 有个 activeController 的 JMX 指标，可以帮助我们实时监控控制器的存活状态
    • 如果值大于 1，表示集群出现脑裂

如何选举控制器

  • 控制器是重度依赖 ZooKeeper
    • Kafka 控制器大量使用 Watch 功能实现对集群的协调管理
  • Broker 在启动时，会尝试去 ZooKeeper 中创建 /controller 节点
    • Kafka 当前选举控制器的规则是：第一个成功创建 /controller 节点的 Broker 会被指定为控制器

控制器职责

主题管理（创建、删除、增加分区）

  • 当我们执行 kafka-topics 脚本时，大部分的后台工作都是控制器来完成的

分区重分配

  • 分区重分配主要是指，kafka-reassign-partitions 脚本提供的对已有主题分区进行细粒度的分配功能

    • 这部分功能也是控制器实现的。

      Preferred 领导者选举

  • Preferred 领导者选举主要是 Kafka 为了避免部分 Broker 负载过重而提供的一种换 Leader 的方案

集群成员管理（新增 Broker、Broker 主动关闭、Broker 宕机）

  • 包括自动检测新增 Broker、Broker 主动关闭及被动宕机
  • 这种自动检测是依赖于前面提到的 Watch 功能和 ZooKeeper 临时节点组合实现的。
    • 每个 Broker 启动后，会在 /brokers/ids 下创建一个临时 znode。当 Broker 宕机或主动关闭后，该 Broker 与 ZooKeeper 的会话结束，这个 znode 会被自动删除
    • 控制器组件会利用 Watch 机制检查 ZooKeeper 的 /brokers/ids 节点下的子节点数量变更

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数据服务

  • 控制器上保存了最全的集群元数据信息，其他所有 Broker 会定期接收控制器发来的元数据更新请求，从而更新其内存中的缓存数据

控制器保存的数据

  • 这些数据其实在 ZooKeeper 中也保存了一份
    • 每当控制器初始化时，它都会从 ZooKeeper 上读取对应的元数据并填充到自己的缓存中

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比较重要的数据

  • 所有主题信息
    • 包括具体的分区信息，比如领导者副本是谁，ISR 集合中有哪些副本等。
  • 所有 Broker 信息
    • 包括当前都有哪些运行中的 Broker，哪些正在关闭中的 Broker 等。
  • 所有涉及运维任务的分区
    • 包括当前正在进行 Preferred 领导者选举以及分区重分配的分区列表。

控制器故障转移（Failover）

  • 由于控制器只有一个，可能出现 单点失效
  • Failover，即故障转移指的是，当运行中的控制器突然宕机或意外终止时，Kafka 能够快速地感知到，并立即启用备用控制器来代替之前失败的控制器
  1. 当控制器宕机后，ZooKeeper 通过 Watch 机制感知到并删除了 /controller 临时节点
  2. 所有存活的 Broker 开始竞选新的控制器身份
  3. 存活的 Broker 开始竞选新的控制器身份，第一个成功地在 ZooKeeper 上重建了 /controller 节点的 Broker 会争夺到控制器

控制器设计

改进1

  • 0.11 版本重构了控制器的底层设计，最大的改进就是把多线程的方案改成了单线程加事件队列的方案
    • 社区引入了一个事件处理线程，统一处理各种控制器事件，然后控制器将原来执行的操作全部建模成一个个独立的事件，发送到专属的事件队列中，供此线程消费
      • 把缓存状态变更方面的工作委托给了这个线程
    • 这就是所谓的单线程 + 队列的实现方式

改进2

  • 将之前同步操作 ZooKeeper 全部改为异步操作
    • 当有大量主题分区发生变更时，ZooKeeper 容易成为系统的瓶颈

改进3

  • 不过自 2.2 开始，Kafka 正式支持这种不同优先级请求的处理
  • Kafka 将控制器发送的请求与普通数据类请求分开，实现了控制器请求单独处理的逻辑

手动删除 /controller 节点

  • 控制器组件出现问题时，比如主题无法删除了，或者重分区 hang 住了，不用重启 Kafka Broker 或控制器
  • 有一个简单快速的方式是，去 ZooKeeper 中手动删除/controller 节点。具体命令是 rmr /controller
    • 这样做的好处是，既可以引发控制器的重选举，又可以避免重启 Broker 导致的消息处理中断。