Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)

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背景:

下一个视频版本,从架构师视角,尼恩为大家打造史上最强kafka源码视频

并且,进一步,带大家实现一个超高质量的项目实操:10WQPS超高并发消息队列架构与实操

why kafka:

kafka 是高性能、高并发应用的经典案例,从技术学习、架构学习的角度来讲,浑身是宝。 netty 仅仅是通讯架构,kafka还有存储架构、高并发架构、高可用架构等等,都是经典中的经典。

但是,kafka很难,大家要做好思想准备。不过,跟着尼恩一起学架构,估计大家也不难了。

最终的目标,带大家穿透kafka, 掌握其存储架构、高并发架构、高可用架构的精髓。

最后,结合netty高性能架构,最终手写一个10WQPS超高并发消息队列。

此视频版本的整体的次序:

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此文为Kafka源码分析之11.

本系列博客的具体内容,请参见 Java 高并发 发烧友社群:疯狂创客圈

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其实,很多小伙伴,想学kafka,只是,其太难了

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第1张图片

尼恩带大家学架构的目标: 把kafka中的所有高并发、高性能、高可用架构,完全消化,完全吸收,最终再造kafka, 大大提升自己的架构能力, 向架构师前进一大步。

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理

Controller,是Apache Kafka的核心组件非常重要。它的主要作用是在Apache Zookeeper的帮助下管理和协调控制整个Kafka集群。

在整个Kafka集群中,如果Controller故障异常,有可能会影响到生产和消费。所以,我们需要对其状态、选举、日志等做全面的监控。

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。换句话说,每个正常运转的 Kafka 集群,在任意时刻都有且只有一个控制器。

要宏观的了解controller的位置,咱们还是先从分布式系统的集群架构说起

分布式的系统的集群架构分类

分布式系统中,由谁来管理集群的元数据信息和状态信息呢?

两种架构模式:

  • 中心化架构(主从架构)

  • 去中心话架构(p2p架构)

主从(或者说Leader-Follower)架构

主从架构模式中,Leader来管理集群的元数据信息和状态信息。

Leader可以是固定的,也可以是通过选举出来的。

Leader-Follower架构,也叫Master-Slave架构。

细数主流的开源分布式系统,你会发现四处都是Master-Slave架构的影子,是最常用的设计套路之一,深入理解了Master-Slave架构对于理解这些系统有很大的帮助

下面来简单介绍一下有哪些著名的分布式框架采用了Master-Slave架构:

1.HDFS

NameNode和DataNode实际上是Master-Slave模式,NameNode作为Master进行集群和元数据管理,DataNode负责实际的数据存储。

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第2张图片

2.Elasticsearch

Master-Slave模式,Master进行集群和元数据管理,Data Node作为Slave节点,负责实际数据的索引和搜索操作。

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3.Hbase

HMastet和HRegionServer也是Master-Slave架构,HMaster负责Region分配,协调HRegionServer,提供管理功能,而HRegionServer负责维护HRegion。

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4.Flink

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Flink的架构模式也是类似Master-Slave模式,JobManager相当于Master,负责集群任务调度和资源管理,TaskManager相当于Slave负责具体节点的资源申请和管理。

5.kafka

Kafka作为一个高效的分布式消息系统,也采用了主从(或者说Leader-Follower)的设计思路

kafka通过选举的方式,进行Leader角色的选举,从所有的节点中,选出一个broker节点,作为leader角色,或者说master角色。

选出的角色,叫做controller 。

controller 负责元数据的管理和状态信息的管理。

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第6张图片

P2P的模式

采用了P2P的模式,完全去中心化,如果 Redis Cluster集群。

Redis Cluster是一种服务器Sharding技术(分片和路由都是在服务端实现),采用多主多从,每一个分区都是由一个Redis主机和多个从机组成,片区和片区之间是相互平行的。

img

Redis Cluster如何管理集群的状态信息呢? 通过Gossip协议。

Gossip算法如其名,灵感来自办公室八卦,只要一个人八卦一下,在有限的时间内所有的人都会知道该八卦的信息,这种方式也与病毒传播类似,因此Gossip有众多的别名“闲话算法”、“疫情传播算法”、“病毒感染算法”、“谣言传播算法”。

但Gossip并不是一个新东西,之前的泛洪查找、路由算法都归属于这个范畴,不同的是Gossip给这类算法提供了明确的语义、具体实施方法及收敛性证明。

Gossip 过程是由种子节点发起,当一个种子节点有状态需要更新到网络中的其他节点时,它会随机的选择周围几个节点散播消息,收到消息的节点也会重复该过程,直至最终网络中所有的节点都收到了消息。这个过程可能需要一定的时间,由于不能保证某个时刻所有节点都收到消息,但是理论上最终所有节点都会收到消息,因此它是一个最终一致性协议。

这里一共有 16 个节点,节点 1 为初始被感染节点,通过 Gossip 过程,最终所有节点都被感染:

Controller是什么

Controller,是Apache Kafka的核心组件。

Controller的主要作用是在Apache Zookeeper的帮助下管理和协调控制整个Kafka集群,管理元数据,管理集群状态。

集群中的任意一台Broker都能充当Controller的角色.

但是,在整个集群运行过程中,只能有一个Broker成为Controller。

Controller的位置

也就是说,每个正常运行的Kafka集群,在任何时刻都有且只有一个Controller

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第7张图片

controller的两大职能

controller的两大职能

  • 集群元数据的管理
  • 集群节点的协调职能

图解:controller的集群元数据的管理职能

controller的元数据缓存架构

kafka的元数据信息,持久化在ZK中,具体如下图:

在这里插入图片描述

每一次元数据的使用,都去访问zk,性能比较低。

与java程序提升性能的策略类似,controller也使用了缓存的架构。

只不过,使用的是进程内的缓存,具体如下图:

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第8张图片

Controller缓存的元数据

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第9张图片

其中比较重要的数据有:

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。

这些数据其实在ZooKeeper中也保存了一份。

缓存的作用

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。

而Broker上元数据的更新都是由Controller通知完成的,Broker并不从Zookeeper获取元数据信息。

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第10张图片

Controller的集群节点的协调职能

9项细致的协调工作

下面以文字形式列举Controller需要做些什么集群节点的协调职能,大致9项:

  1. 当Producer或Consumer通过MetadataRequest请求查询Partition元数据(如Leader和ISR信息)时,将发生变化的Partition元数据广播给各个Broker。
  2. 处理ControlledShudownRequest请求,该请求用于优雅地关闭一个Broker(主要是会主动删除ZK中对应的Broker节点,减少对应Partition不可用的时间)。
  3. 启动并管理Partition状态机组件(PartitionStateMachine)和Replica状态机组件(ReplicaStateMachine)。
  4. 注册TopicChangeListener监听器,监听ZK的/brokers/topics节点,处理Topic的增删操作;注册TopicDeletionListener监听器,监听ZK的/admin/delete_topics节点,用来实际执行删除Topic的动作。
  5. 注册PartitionModificationsListener监听器,监听ZK中各个/brokers/topics/节点,处理Topic的Partition扩容和缩容操作。
  6. 注册PreferredReplicaElectionListener监听器,监听ZK的/admin/preferred_replica_election节点,处理最优Replica的重选举。
  7. 注册IsrChangeNotificetionListener监听器,监听ZK的/isr_change_notification节点,处理ISR(in-sync replicas)集合发生变化的Partition。
  8. 注册PartitionReassignmentListener监听器,监听ZK的/admin/reassign_partitions节点,用于重新分配各Partition的Leader和Follower。
  9. 注册BrokerChangeListener监听器,监听ZK的/brokers/ids节点,触发Broker的上下线操作。

如果上面的9项,还比较抽象,还请不要捉急,容我慢慢道来。

5类协调职能梳理

归类一下,相对就简单一下,Controller职责大致分为5类:

  • 主题管理
  • 分区重分配
  • Preferred leader选举
  • 集群成员管理(Broker上下线)
  • 数据服务(向其他Broker提供数据服务) 。

它们分别是:

UpdateMetadataRequest:更新元数据请求。

topic分区状态经常会发生变更(比如leader重新选举了或副本集合变化了等)。

由于当前clients只能与分区的leader Broker进行交互,那么一旦发生变更,controller会将最新的元数据广播给所有存活的Broker。

具体方式就是给所有Broker发送UpdateMetadataRequest请求。

CreateTopics: 创建topic请求。

当前不管是通过API方式、脚本方式抑或是CreateTopics请求方式来创建topic,做法几乎都是在Zookeeper的/brokers/topics下创建znode来触发创建逻辑,而controller会监听该path下的变更来执行真正的“创建topic”逻辑。

DeleteTopics:删除topic请求。

和CreateTopics类似,也是通过创建Zookeeper下的/admin/delete_topics/节点来触发删除topic,controller执行真正的逻辑。

分区重分配:

即kafka-reassign-partitions脚本做的事情。

同样是与Zookeeper结合使用,脚本写入/admin/reassign_partitions节点来触 发,controller负责按照方案分配分区。

Preferred leader分配:

preferred leader选举当前有两种触发方式:自动触发(auto.leader.rebalance.enable=true)和kafka-preferred-replica-election脚本触发。

两者“玩法”相同,向Zookeeper的/admin/preferred_replica_election写数据,controller提取数据执行preferred leader分配。

分区扩展:即增加topic分区数。

标准做法也是通过kafka-reassign-partitions脚本完成,不过用户可直接往Zookeeper中写数据来实现,比如直接把新增分区的副本集合写入到/brokers/topics/下,然后controller会为你自动地选出leader并增加分区。

集群扩展:

新增broker时Zookeeper中/brokers/ids下会新增znode,controller自动完成服务发现的工作。

broker崩溃:

同样地,controller通过Zookeeper可实时侦测broker状态。一旦有broker挂掉了,controller可立即感知并为受影响分区选举新的leader。

ControlledShutdown:

broker除了崩溃,还能“优雅”地退出。

broker一旦自行终止,controller会接收到一个 ControlledShudownRequest请求,然后controller会妥善处理该请求并执行各种收尾工作。

Controller leader选举:

controller必然要提供自己的leader选举以防这个全局唯一的组件崩溃宕机导致服务中断。

这个功能是通过 Zookeeper的帮助实现的。

Controller内部结构

最后来看看Controller的内部结构简图,如下所示。

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第11张图片

由图可见,Controller内部结构主要由以下5部分组成。

  1. ZK监听器:

    已经说过了,不再废话。

  2. 定时任务:

    举个例子,假设我们将auto.leader.rebalance.enable参数设为true,那么就会启动名为auto-leader-rebalance-task的定时任务来自动维护最优Replica的平衡。

  3. Controller上下文:

    元数据的本地缓存,就集中在此上下文对象中。

    在Controller初始化阶段,从ZK中已存储的数据建立,并在Controller的生命周期中一直维护。包含集群Broker可达性信息,与所有Topic、Partition、Replica的状态信息。

  4. 事件队列:

    本质上为FIFO的阻塞队列(LinkedBlockingQueue),承载各个监听器、定时任务投递过来的状态变更信息,这些信息都包装为事件。

    Controller 端有多个线程向事件队列写入不同种类的事件,比如,ZooKeeper 端注册的 Watcher 线程、KafkaRequestHandler 线程、Kafka 定时任务线程,等等。而在事件队列的另一端,只有一个名为 ControllerEventThread 的线程专门负责“消费”或处理队列中的事件。这就是所谓的单线程事件队列模型。

  5. 事件处理线程:

    顾名思义,只有单线程,用来处理各个事件,并将它们的结果反映到Controller上下文,以及异步地propagate到各个Broker中。使用单线程的好处是无需关心多线程的同步,无锁机制可以提升性能。

Broker如何成为Controller

非常简单:

通过竞争创建zk的znode节点完成,最先在Zookeeper上创建临时节点/controller成功的Broker就是Controller。

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第12张图片

对应的znode的路径为/controller

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第13张图片

znode的路径的代码如下:

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-m71tOVfj-1633955730560)(https://pics4.baidu.com/feed/d439b6003af33a8718d70dbb31c82d315243b573.png?token=d815d8eba16c1f075165060992305ae9)]

Controller如何监控其他的broker

当broker节点因故障离开Kafka集群时,broker中存在的leader分区将不可用(因为客户端只对leader分区进行读写)

为了最大限度地减少停机时间,需要快速找到替代的领导分区。Controller可以从zookeeper watch获取通知信息。Zookeeper给了客户端监听znode变化的能力,也就是所谓的watch通知功能。

一旦znode节点创建、删除、子节点数量发生变化,或者znode中存储的数据本身发生变化,Zookeeper会通过节点变化处理程序显式通知客户端。

当Broker宕机或主动关闭时,Broker与Zookeeper的会话结束,znode会被自动删除。同样的,Zookeeper的watch机制把这个变化推送给Controller,让Controller知道有Broker down或者up,这样Controller就可以进行后续的协调操作。

Controller将收到通知并对其采取行动,以确定Broker上的哪些分区将成为Leader partition。然后,它会通知每个相关的Broker,或者Broker上的topic partition将成为leader partition,或者LeaderAndIsrRequest从新的leader分区复制数据。

总之:

Controller重度依赖Zookeeper,依赖zookeepr保存元数据,依赖zookeeper进行服务发现。Controller大量使用Watch功能实现对集群的协调管理。

controller脑裂(多个controller)问题

脑裂问题出现的可能情况:

情况一:创建topic成功,但是produce的时候,却报unknown partition的错误,但zk上却显示了每个partition的leader信息;
情况二: 给某个topic增加分区,zk显示已有增加的分区信息,但是依旧报找不到新增加的分区信息错误
原因:多个controller,导致元数据不一致;

解决办法:

  1. zk上找到最新的controller
  2. 将其余几个过期的controller重启 原因分析:controller进行Full GC停顿时间太长超过zookeeper session timeout,导致kafka误以为controller已经挂掉,于是进行新一轮的controller选举。 当旧的controller重新恢复后,还在进行controller的逻辑。因此会出现多个controller的情况

如何避免Controller出现裂脑

如果Controller所在的Broker故障,Kafka集群必须有新的Controller,否则集群将无法正常工作。这儿存在一个问题。很难确定Broker是宕机还是只是暂时的故障。但是,为了使集群正常运行,必须选择新的Controller。如果之前更换的Controller又正常了,不知道自己已经更换了,那么集群中就会出现两个Controller。

其实这种情况是很容易发生的。

例如,由于垃圾回收(fullGC),一个Controller被认为是死的,并选择了一个新的控制器。在fullGC的情况下,在原Controller眼里没有任何变化,Broker甚至不知道自己已经被暂停了。因此,它将继续充当当前Controller,这在分布式系统中很常见,称为裂脑

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第14张图片

在fullGC的情况下,在原Controller眼里没有任何变化,Broker甚至不知道自己已经被暂停了。

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第15张图片

现在,集群中有两个Controller,可能会一起发出相互冲突的事件,这会导致脑裂。

脑裂之后,可能会导致严重的不一致。所以需要一种方法来区分谁是集群的最新Controller。

脑裂的解决方案:

Kafka是通过使用epoch number来处理,epoch number只是一个单调递增的数。第一次选择控制器时,epoch number值为1。如果再次选择新控制器,epoch number为2,依次单调递增。

重点是:epoch number记录在Zookeepr的一个永久节点controller_epoch。

每个新选择的Controller通过zookeeper的条件递增操作获得一个新的、更大的epoch number。

当其他Broker知道当前的epoch number时,如果他们从Controller收到包含旧(较小)epoch number的消息,则它们将被忽略。

即Broker根据最大的epoch number来区分最新的Controller。

Kafka源码分析9:Controller控制器的原理(图解+秒懂+史上最全)_第16张图片

上图中,Broker2向Broker1下发命令:

将Broker1上的partitionA做为leader,消息的epoch number值为1;

假设,同时Broker3也向Broker1发送同样的命令。

不同的是,Broker3消息的epoch number值为2,此时broker1只监听broker3的命令(由于其epoch号大),而会忽略broker3的命令,以免发生脑裂。

Controller控制器的监控

官网上有个名为 activeController 的 JMX 指标,可以帮助我们实时监控控制器的存活状态。这个 JMX 指标非常关键,你在实际运维操作过程中,一定要实时查看这个指标的值。

参考文献

https://blog.csdn.net/weixin_39025362/article/details/108420492

https://www.cnblogs.com/boanxin/p/13618431.html

https://www.jianshu.com/p/7a61a2aa09fc

https://www.cnblogs.com/boanxin/p/13696136.html

https://www.cnblogs.com/listenfwind/p/12465409.html

https://www.shangmayuan.com/a/5e15939288954d3cb3ad613e.html

https://my.oschina.net/u/3070368/blog/4338739

https://www.cnblogs.com/shimingjie/p/10374451.html

https://www.bbsmax.com/A/VGzlAONYJb/

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1707530675869255847&wfr=spider&for=pc

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