分布式必学的消息中间件---Kafka篇（想不出好名字了＞ ＜）

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立个flag，8月20日前整理出所有面试常见问题，包括有：
Java基础、JVM、多线程、Spring、Redis、MySQL、Zookeeper、Dubbo、RokectMQ、分布式锁、算法。

12. Kafka篇

因为项目中用到了kafka，所以在消息中间件环节以kafka为主要知识点进行学习。其他主流的消息中间件还有：RocketMQ、RabbitMQ、ActiveMQ等，以后在面试补充篇中会再进行介绍。

12.1 什么是消息中间件？

消息中间件是基于队列与消息传递技术，在网络环境中为应用系统提供同步或异步、可靠的消息传输的支撑性软件系统。

消息中间件利用高效可靠的消息传递机制进行平台无关的数据交流，并基于数据通信来进行分布式系统的集成。通过提供消息传递和消息排队模型，它可以在分布式环境下扩展进程间的通信。

总结：就是在分布式环境下进行消息传递的中间件，避免上下游系统因为消息传递问题导致的系统延迟、消息丢失等情况。

12.2 kafka 是什么？有什么作用？

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。

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)

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

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

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

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

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：

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。

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)。

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。

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。

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）

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。

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

• ……

12.3 生产者发送消息有哪些模式？

总共有三种模式

1. 发后即忘（fire-and-forget）
它只管往 Kafka 里面发送消息，但是不关心消息是否正确到达，这种方式的效率最高，但是可靠性也最差，比如当发生某些不可充实异常的时候会造成消息的丢失

2. 同步（sync）
producer.send()返回一个Future对象，调用get()方法变回进行同步等待，就知道消息是否发送成功，发送一条消息需要等上个消息发送成功后才可以继续发送

3. 异步（async）
Kafka支持 producer.send() 传入一个回调函数，消息不管成功或者失败都会调用这个回调函数，这样就算是异步发送，我们也知道消息的发送情况，然后再回调函数中选择记录日志还是重试都取决于调用方

12.4 发送消息的分区策略有哪些？

1. 轮询：依次将消息发送该topic下的所有分区，如果在创建消息的时候 key 为 null，Kafka 默认采用这种策略。

2. key 指定分区：在创建消息是 key 不为空，并且使用默认分区器，Kafka 会将 key 进行 hash，然后根据hash值映射到指定的分区上。这样的好处是 key 相同的消息会在一个分区下，Kafka 并不能保证全局有序，但是在每个分区下的消息是有序的，按照顺序存储，按照顺序消费。在保证同一个 key 的消息是有序的，这样基本能满足消息的顺序性的需求。但是如果 partation 数量发生变化，那就很难保证 key 与分区之间的映射关系了。

3. 自定义策略：实现 Partitioner 接口就能自定义分区策略。

4. 指定： 指定Partiton 发送

12.5 Kafka 支持读写分离吗？为什么？

Kafka 是不支持读写分离的，那么读写分离的好处是什么？主要就是让一个节点去承担另一个节点的负载压力，也就是能做到一定程度的负载均衡，而且 Kafka 不通过读写分离也可以一定程度上去实现负载均衡。

但是对于 Kafka 的架构来说，读写分离有两个很大的缺点：

1. 数据不一致的问题:读写分离必然涉及到数据的同步，只要是不同节点之间的数据同步，必然会有数据不一致的问题存在。

2. 延时问题:由于 Kafka 独特的数据处理方式，导致如果将数据从一个节点同步到另一个节点必然会经过主节点磁盘和从节点磁盘，对一些延时性要求较高的应用来说，并不太适用

12.6 Kafka 是怎么去实现负载均衡的？

Kafka 的负责均衡主要是通过分区来实现的，我们知道 Kafka 是主写主读的架构，如下图:

共三个 broker ，里面各有三个副本，总共有三个 partation， 深色的是 leader，浅色的是 follower，上下灰色分别代表生产者和消费者，虚线代表 follower 从 leader 拉取消息。

我们从这张图就可以很明显的看出来，每个 broker 都有消费者拉取消息，每个 broker 也都有生产者发送消息，每个 broker 上的读写负载都是一样的，这也说明了 kafka 独特的架构方式可以通过主写主读来实现负载均衡。

12.7 Kafka 的负载均衡会有什么问题呢？

kafka的负载均衡在绝对理想的状况下可以实现，但是会有某些情况出现一定程度上的负载不均衡。

1.** broker 端分配不均**:当创建 topic 的时候可能会出现某些 broker 分配到的分区数多，而有些 broker 分配的分区少，这就导致了 leader 多副本不均。

2. 生产者写入消息不均:生产者可能只对某些 broker 中的 leader 副本进行大量的写入操作，而对其他的 leader 副本不闻不问。

3. 消费者消费不均:消费者可能只对某些 broker 中的 leader 副本进行大量的拉取操作，而对其他的 leader 副本不闻不问。

4. leader 副本切换不均：当主从副本切换或者分区副本进行了重分配后，可能会导致各个 broker 中的 leader 副本分配不均匀。

12.8 Kafka 的可靠性是怎么保证的？

1. acks

这个参数用来指定分区中有多少个副本收到这条消息，生产者才认为这条消息是写入成功的，这个参数有三个值：

• acks = 1，默认为1。生产者发送消息，只要 leader 副本成功写入消息，就代表成功。这种方案的问题在于，当返回成功后，如果 leader 副本和 follower 副本还没有来得及同步，leader 就崩溃了，那么在选举后新的 leader 就没有这条消息，也就丢失了。

• acks = 0。生产者发送消息后直接算写入成功，不需要等待响应。这个方案的问题很明显，只要服务端写消息时出现任何问题，都会导致消息丢失。

• acks = -1 或 acks = all。生产者发送消息后，需要等待 ISR 中的所有副本都成功写入消息后才能收到服务端的响应。毫无疑问这种方案的可靠性是最高的，但是如果 ISR 中只有leader 副本，那么就和 acks = 1 毫无差别了。

2. 消息发送的方式

可以通过同步或者异步获取响应结果，失败做重试来保证消息的可靠性。

3. 手动提交位移

默认情况下，当消费者消费到消息后，就会自动提交位移。但是如果消费者消费出错，没有进入真正的业务处理，那么就可能会导致这条消息消费失败，从而丢失。我们可以开启手动提交位移，等待业务正常处理完成后，再提交offset。

4.通过副本 LEO 来确定分区 HW

12.9 Kafka 的消息消费方式有哪些？

一般消息消费有两种模式，推和拉。Kafka的消费是属于拉模式的，而此模式的消息消费方式有两种，点对点和发布订阅。

1. 点对点:如果所有消费者属于同一个消费组，那么所有的消息都会被均匀的投递给每一个消费者，每条消息只会被其中一个消费者消费。

2.发布订阅:如果所有消费者属于不同的消费组，那么所有的消息都会被投递给每一个消费者，每个消费者都会收到该消息。

12.10 分区再分配是做什么的？解决了什么问题？

分区再分配主要是用来维护 kafka 集群的负载均衡。既然是分区再分配，那么 kafka 分区有什么问题呢？

问题1:当集群中的一个节点下线了

• 如果该节点的分区是单副本的,那么分区将会变得不可用
• 如果是多副本的，就会进行 leader 选举，在其他机器上选举出新的 leader

kafka 并不会将这些失效的分区迁移到其他可用的 broker 上，这样就会影响集群的负载均衡，甚至也会影响服务的可靠性和可用性

问题2:当集群新增 broker 时，只有新的主题分区会分配在该 broker 上，而老的主题分区不会分配在该 broker 上，就造成了老节点和新节点之间的负载不均衡。

为了解决该问题就出现了分区再分配，它可以在集群扩容，broker 失效的场景下进行分区迁移。

分区再分配的原理就是通化控制器给分区新增新的副本，然后通过网络把旧的副本数据复制到新的副本上，在复制完成后，将旧副本清除。 当然，为了不影响集群正常的性能，在此复制期间还会有一些列保证性能的操作，比如复制限流。

12.11 分区数越多越好吗？吞吐量就会越高吗？

一般类似于这种问题的答案，都是持否定态度的。

但是可以说，在一定条件下，分区数的数量是和吞吐量成正比的，分区数和性能也是成正比的。

那么为什么说超过了一定限度，就会对性能造成影响呢？原因如下:

1. 客户端/服务器端需要使用的内存就越多

• 服务端在很多组件中都维护了分区级别的缓存，分区数越大，缓存成本也就越大。
• 消费端的消费线程数是和分区数挂钩的，分区数越大消费线程数也就越多，线程的开销成本也就越大
• 生产者发送消息有缓存的概念，会为每个分区缓存消息，当积累到一定程度或者时间时会将消息发送到分区，分区越多，这部分的缓存也就越大

2. 文件句柄的开销

每个 partition 都会对应磁盘文件系统的一个目录。在 Kafka 的数据日志文件目录中，每个日志数据段都会分配两个文件，一个索引文件和一个数据文件。每个 broker 会为每个日志段文件打开一个 index 文件句柄和一个数据文件句柄。因此，随着 partition 的增多，所需要保持打开状态的文件句柄数也就越多，最终可能超过底层操作系统配置的文件句柄数量限制。

3. 越多的分区可能增加端对端的延迟

Kafka 会将分区 HW 之前的消息暴露给消费者。分区越多则副本之间的同步数量就越多，在默认情况下，每个 broker 从其他 broker 节点进行数据副本复制时，该 broker 节点只会为此工作分配一个线程，该线程需要完成该 broker 所有 partition 数据的复制。

4. 降低高可用性

分区再分配，会将数据复制到另一份副本当中，分区数量越多，那么恢复时间也就越长，而如果发生宕机的 broker 恰好是 controller 节点时：在这种情况下，新 leader 节点的选举过程在 controller 节点恢复到新的 broker 之前不会启动。controller 节点的错误恢复将会自动地进行，但是新的 controller 节点需要从 zookeeper 中读取每一个 partition 的元数据信息用于初始化数据。例如，假设一个Kafka 集群存在 10000个partition，从 zookeeper 中恢复元数据时每个 partition 大约花费 2 ms，则 controller 的恢复将会增加约 20 秒的不可用时间窗口。

12.12 如何增强消费者的消费能力？

• 可以考虑增加 topic 的分区数，并且同时提升消费组的消费者数量，消费者数=分区数。

• 如果是消费者消费不及时，可以采用多线程的方式进行消费，并且优化业务方法流程，同样的分区数，为什么人家并发那么高，你的就不行？？

12.13 消费者与 topic 的分区分配策略有哪些？

1.** RangeAssignor 分配策略**

该分配策略是按照消费者总数和分区总数进行整除运算来获得一个跨度，然后分区按照跨度来进行平均分配，尽可能保证分区均匀的分配给所有的消费者。

对于每个 topic，该策略会将消费者组内所有订阅这个主题的消费者按照名称的字典顺序排序，然后为每个消费者划分固定的区域，如果不够平均分配，那么字典排序考前的就会多分配一个分区。

会出现非配不均匀的情况

2. RoundRobinAssignor 分配策略

该分配策略是按将消费者组内所有消费者及消费者订阅的所有主题的分区按照字典排序，然后通过轮询的方式分配给每个消费者。会出现分配不均匀的情况。

3. StickyAssignor分配策略

这种分配策略有两个目的

1. 分区的分配要尽可能的均匀
2. 分区的分配尽可能的与上次分配的保持相同。

当两者发生冲突时，第一个目标优先于第二个目标。

如果发生分区重分配，那么对于同一个分区而言有可能之前的消费者和新指派的消费者不是同一个，对于之前消费者进行到一半的处理还要在新指派的消费者中再次复现一遍，这显然很浪费系统资源。StickyAssignor策略如同其名称中的“sticky”一样，让分配策略具备一定的“粘性”，尽可能地让前后两次分配相同，进而减少系统资源的损耗以及其它异常情况的发生。

4. 自定义分区分配策略

可以通过实现 org.apache.kafka.clients.consumer.internals.PartitionAssignor 接口来实现

12.14 kafka 控制器是什么？有什么作用

在 Kafka 集群中会有一个或多个 broker，其中有一个 broker 会被选举为控制器，它负责管理整个集群中所有分区和副本的状态，kafka 集群中只能有一个控制器。

• 当某个分区的 leader 副本出现故障时，由控制器负责为该分区选举新的 leader 副本。
• 当检测到某个分区的ISR集合发生变化时，由控制器负责通知所有 broker 更新其元数据信息。
• 当为某个 topic 增加分区数量时，由控制器负责分区的重新分配。

12.15 kafka 控制器是怎么进行选举的？

kafka 中的控制器选举工作依赖于 Zookeeper，成功竞选成为控制器的 broker 会在Zookeeper中创建/controller临时节点。

每个 broker 启动的时候会去尝试读取/controller 节点的 brokerid的值

• 如果读取到的 brokerid 的值不为-1，表示已经有其他broker 节点成功竞选为控制器，所以当前 broker 就会放弃竞选；

如果Zookeeper中不存在/controller 节点，或者这个节点的数据异常，那么就会尝试去创建/controller 节点，创建成功的那个 broker 就会成为控制器。

每个 broker 都会在内存中保存当前控制器的 brokerid 值，这个值可以标识为 activeControllerId。

Zookeeper 中还有一个与控制器有关的/controller_epoch 节点，这个节点是持久节点，节点中存放的是一个整型的 controller_epoch 值。controller_epoch 值用于记录控制器发生变更的次数。

controller_epoch 的初始值为1，即集群中的第一个控制器的纪元为1，当控制器发生变更时，每选出一个新的控制器就将该字段值加1。

每个和控制器交互的请求都会携带 controller_epoch 这个字段，

• 如果请求的 controller_epoch 值小于内存中的 controller_epoch值，则认为这个请求是向已经过期的控制器发送的请求，那么这个请求会被认定为无效的请求。

• 如果请求的 controller_epoch 值大于内存中的 controller_epoch值，那么说明已经有新的控制器当选了。

12.16 kafka 为什么这么快？

1. 顺序读写

磁盘分为顺序读写与随机读写，基于磁盘的随机读写确实很慢，但磁盘的顺序读写性能却很高，kafka 这里采用的就是顺序读写。

2. Page Cache

为了优化读写性能，Kafka 利用了操作系统本身的 Page Cache，就是利用操作系统自身的内存而不是JVM空间内存。

3. 零拷贝

Kafka使用了零拷贝技术，也就是直接将数据从内核空间的读缓冲区直接拷贝到内核空间的 socket 缓冲区，然后再写入到 NIC 缓冲区，避免了在内核空间和用户空间之间穿梭。

4. 分区分段+索引

Kafka 的 message 是按 topic分 类存储的，topic 中的数据又是按照一个一个的 partition 即分区存储到不同 broker 节点。每个 partition 对应了操作系统上的一个文件夹，partition 实际上又是按照segment分段存储的。

通过这种分区分段的设计，Kafka 的 message 消息实际上是分布式存储在一个一个小的 segment 中的，每次文件操作也是直接操作的 segment。为了进一步的查询优化，Kafka 又默认为分段后的数据文件建立了索引文件，就是文件系统上的.index文件。这种分区分段+索引的设计，不仅提升了数据读取的效率，同时也提高了数据操作的并行度。

5. 批量读写

Kafka 数据读写也是批量的而不是单条的,这样可以避免在网络上频繁传输单个消息带来的延迟和带宽开销。假设网络带宽为10MB/S，一次性传输10MB的消息比传输1KB的消息10000万次显然要快得多。

6. 批量压缩

Kafka 把所有的消息都变成一个批量的文件，并且进行合理的批量压缩，减少网络 IO 损耗，通过 mmap 提高 I/O 速度，写入数据的时候由于单个Partion是末尾添加所以速度最优；读取数据的时候配合 sendfile 进行直接读取。

12.17 什么情况下 kafka 会丢失消息？

Kafka 有三次消息传递的过程：生产者发消息给 Broker，Broker 同步消息和持久化消息，Broker 将消息传递给消费者。

这其中每一步都有可能丢失消息.

1. 生产者发送数据:

• 当 acks 为 0，只要服务端写消息时出现任何问题，都会导致消息丢失。

• 当 acks 配置为 1 时，生产者发送消息，只要 leader 副本成功写入消息，就代表成功。这种方案的问题在于，当返回成功后，如果 leader 副本和 follower 副本还没有来得及同步，leader 就崩溃了，那么在选举后新的 leader 就没有这条消息，也就丢失了。

2. Broker 存储数据:kafka 通过 Page Cache 将数据写入磁盘。

• Page Cache 就是当往磁盘文件写入的时候，系统会先将数据流写入缓存中，但是什么时候将缓存的数据写入文件中是由操作系统自行决定。所以如果此时机器突然挂了，也是会丢失消息的。

3. 消费者消费数据:在开启自动提交 offset 时，只要消费者消费到消息，那么就会自动提交偏移量，如果业务还没有来得及处理，那么消息就会丢失。

参考： 《浅入浅出》-Kafka
Kafka常见面试题
【对线面试官】使用Kafka会考虑什么问题？