一、简介

Apache Kafka 是一个分布式的流处理平台。它具有以下特点：

• 支持消息的发布和订阅，类似于 RabbtMQ、ActiveMQ 等消息队列；
• 支持数据实时处理；
• 能保证消息的可靠性投递；
• 支持消息的持久化存储，并通过多副本分布式的存储方案来保证消息的容错；
• 高吞吐率，单 Broker 可以轻松处理数千个分区以及每秒百万级的消息量。

  二、基本概念

  Messages And Batches

  Kafka 的基本数据单元被称为 message(消息)，为减少网络开销，提高效率，多个消息会被放入同一批次 (Batch) 中后再写入。

  Topics And Partitions

  Kafka 的消息通过 Topics(主题) 进行分类，一个主题可以被分为若干个 Partitions(分区)，一个分区就是一个提交日志 (commit log)。消息以追加的方式写入分区，然后以先入先出的顺序读取。Kafka 通过分区来实现数据的冗余和伸缩性，分区可以分布在不同的服务器上，这意味着一个 Topic 可以横跨多个服务器，以提供比单个服务器更强大的性能。

由于一个 Topic 包含多个分区，因此无法在整个 Topic 范围内保证消息的顺序性，但可以保证消息在单个分区内的顺序性。

Producers And Consumers

生产者

生产者负责创建消息。一般情况下，生产者在把消息均衡地分布到在主题的所有分区上，而并不关心消息会被写到哪个分区。如果我们想要把消息写到指定的分区，可以通过自定义分区器来实现。

消费者

消费者是消费者群组的一部分，消费者负责消费消息。消费者可以订阅一个或者多个主题，并按照消息生成的顺序来读取它们。消费者通过检查消息的偏移量 (offset) 来区分读取过的消息。偏移量是一个不断递增的数值，在创建消息时，Kafka 会把它添加到其中，在给定的分区里，每个消息的偏移量都是唯一的。消费者把每个分区最后读取的偏移量保存在 Zookeeper 或 Kafka 上，如果消费者关闭或者重启，它还可以重新获取该偏移量，以保证读取状态不会丢失。

一个分区只能被同一个消费者群组里面的一个消费者读取，但可以被不同消费者群组中所组成的多个消费者共同读取。多个消费者群组中消费者共同读取同一个主题时，彼此之间互不影响。

Brokers And Clusters

一个独立的 Kafka 服务器被称为 Broker。Broker 接收来自生产者的消息，为消息设置偏移量，并提交消息到磁盘保存。Broker 为消费者提供服务，对读取分区的请求做出响应，返回已经提交到磁盘的消息。

Broker 是集群 (Cluster) 的组成部分。每一个集群都会选举出一个 Broker 作为集群控制器 (Controller)，集群控制器负责管理工作，包括将分区分配给 Broker 和监控 Broker。

在集群中，一个分区 (Partition) 从属一个 Broker，该 Broker 被称为分区的首领 (Leader)。一个分区可以分配给多个 Brokers，这个时候会发生分区复制。这种复制机制为分区提供了消息冗余，如果有一个 Broker 失效，其他 Broker 可以接管领导权。

生产者发送消息的过程

介绍一下 Kafka 生产者发送消息的过程：

• Kafka 会将发送消息包装为 ProducerRecord 对象， ProducerRecord 对象包含了目标主题和要发送的内容，同时还可以指定键和分区。在发送 ProducerRecord 对象前，生产者会先把键和值对象序列化成字节数组，这样它们才能够在网络上传输。
• 接下来，数据被传给分区器。如果之前已经在 ProducerRecord 对象里指定了分区，那么分区器就不会再做任何事情。如果没有指定分区 ，那么分区器会根据 ProducerRecord 对象的键来选择一个分区，紧接着，这条记录被添加到一个记录批次里，这个批次里的所有消息会被发送到相同的主题和分区上。有一个独立的线程负责把这些记录批次发送到相应的 broker 上。
• 服务器在收到这些消息时会返回一个响应。如果消息成功写入 Kafka，就返回一个 RecordMetaData 对象，它包含了主题和分区信息，以及记录在分区里的偏移量。如果写入失败，则会返回一个错误。生产者在收到错误之后会尝试重新发送消息，如果达到指定的重试次数后还没有成功，则直接抛出异常，不再重试。

  消费者和消费者群组

  在 Kafka 中，消费者通常是消费者群组的一部分，多个消费者群组共同读取同一个主题时，彼此之间互不影响。Kafka 之所以要引入消费者群组这个概念是因为 Kafka 消费者经常会做一些高延迟的操作，比如把数据写到数据库或 HDFS ，或者进行耗时的计算，在这些情况下，单个消费者无法跟上数据生成的速度。此时可以增加更多的消费者，让它们分担负载，分别处理部分分区的消息，这就是 Kafka 实现横向伸缩的主要手段。

需要注意的是：同一个分区只能被同一个消费者群组里面的一个消费者读取，不可能存在同一个分区被同一个消费者群里多个消费者共同读取的情况。

分区再均衡

因为群组里的消费者共同读取主题的分区，所以当一个消费者被关闭或发生崩溃时，它就离开了群组，原本由它读取的分区将由群组里的其他消费者来读取。同时在主题发生变化时 ， 比如添加了新的分区，也会发生分区与消费者的重新分配，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。正是因为再均衡，所以消费费者群组才能保证高可用性和伸缩性。

消费者通过向群组协调器所在的 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。只要消费者以正常的时间间隔发送心跳，就被认为是活跃的，说明它还在读取分区里的消息。消费者会在轮询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，就会触发再均衡。