Kafka学习笔记(一) 基本概念

简单说明什么是kafka

Apache kafka是消息中间件的一种，我发现很多人不知道消息中间件是什么，在开始学习之前，我这边就先简单的解释一下什么是消息中间件，只是粗略的讲解，目前kafka已经可以做更多的事情。

举个例子，生产者消费者，生产者生产鸡蛋，消费者消费鸡蛋，生产者生产一个鸡蛋，消费者就消费一个鸡蛋，假设消费者消费鸡蛋的时候噎住了（系统宕机了），生产者还在生产鸡蛋，那新生产的鸡蛋就丢失了。再比如生产者很强劲（大交易量的情况），生产者1秒钟生产100个鸡蛋，消费者1秒钟只能吃50个鸡蛋，那要不了一会，消费者就吃不消了（消息堵塞，最终导致系统超时），消费者拒绝再吃了，”鸡蛋“又丢失了，这个时候我们放个篮子在它们中间，生产出来的鸡蛋都放到篮子里，消费者去篮子里拿鸡蛋，这样鸡蛋就不会丢失了，都在篮子里，而这个篮子就是”kafka“。
鸡蛋其实就是“数据流”，系统之间的交互都是通过“数据流”来传输的（就是tcp、http什么的），也称为报文，也叫“消息”。
消息队列满了，其实就是篮子满了，”鸡蛋“ 放不下了，那赶紧多放几个篮子，其实就是kafka的扩容。
各位现在知道kafka是干什么的了吧，它就是那个"篮子"。

Kafka名词解释

Topic

Kafka将消息种子(Feed)分门别类，每一类的消息称之为一个主题(Topic).

Producer

发布消息的对象称之为主题生产者(Kafka topic producer)

Consumer

订阅消息并处理发布的消息的种子的对象称之为主题消费者(consumers)

Broker

已发布的消息保存在一组服务器中，称之为Kafka集群。集群中的每一个服务器都是一个代理(Broker). 消费者可以订阅一个或多个主题（topic），并从Broker拉数据，从而消费这些已发布的消息。

kafka作为一个集群运行在一个或多个服务器上。
kafka集群存储的消息是以topic为类别记录的。
每个消息（也叫记录record，我习惯叫消息）是由一个key，一个value和时间戳构成。

 

kafka有四个核心API

应用程序使用 Producer API 发布消息到1个或多个topic（主题）。
应用程序使用 Consumer API 来订阅一个或多个topic，并处理产生的消息。
应用程序使用 Streams API 充当一个流处理器，从1个或多个topic消费输入流，并生产一个输出流到1个或多个输出topic，有效地将输入流转换到输出流。
Connector API允许构建或运行可重复使用的生产者或消费者，将topic连接到现有的应用程序或数据系统。例如，一个关系数据库的连接器可捕获每一个变化。

 

Topic

让我们更深入的了解Kafka中的Topic。如下图所示：

Topic中每一个分区都是一个顺序的、不可变的消息队列， 并且可以持续的添加。分区中的消息都被分了一个序列号，称之为偏移量(offset)，在每个分区中此偏移量都是唯一的。

Kafka集群保持所有的消息，直到它们过期， 无论消息是否被消费了。 实际上消费者所持有的仅有的元数据就是这个偏移量，也就是消费者在这个log中的位置。 这个偏移量由消费者控制：正常情况当消费者消费消息的时候，偏移量也线性的的增加。但是实际偏移量由消费者控制，消费者可以将偏移量重置为更老的一个偏移量，重新读取消息。 可以看到这种设计对消费者来说操作自如， 一个消费者的操作不会影响其它消费者对此log的处理。 再说说分区。Kafka中采用分区的设计有几个目的。一是可以处理更多的消息，不受单台服务器的限制。Topic拥有多个分区意味着它可以不受限的处理更多的数据。第二，分区可以作为并行处理的单元，稍后会谈到这一点。

偏移量由消费者控制，消息可以被重复消费，如图所示：

 

分布式(Distribution) 

每个Topic的分区可以被分布到集群中的多个服务器上。每个服务器处理它分到的分区。 根据配置每个分区还可以复制到其它服务器作为备份容错。 每个分区有一个leader，零或多个follower。Leader处理此分区的所有的读写请求，而follower被动的复制数据。如果leader宕机，其它的一个follower会被推举为新的leader。 一台服务器可能同时是一个分区的leader，另一个分区的follower。 这样可以平衡负载，避免所有的请求都只让一台或者某几台服务器处理。

 

生产者(Producers)

生产者往某个Topic上发布消息。生产者也负责选择发布到Topic上的哪一个分区。最简单的方式从分区列表中轮流选择。也可以根据某种算法依照权重选择分区。开发者负责如何选择分区的算法。

消费者(Consumers)

通常来讲，消息模型可以分为两种， 队列和发布-订阅式。 队列的处理方式是 一组消费者从服务器读取消息，一条消息只有其中的一个消费者来处理。在发布-订阅模型中，消息被广播给所有的消费者，接收到消息的消费者都可以处理此消息。Kafka为这两种模型提供了单一的消费者抽象模型： 消费者组 （consumer group）。 消费者用一个消费者组名标记自己。 一个发布在Topic上消息被分发给此消费者组中的一个消费者。 假如所有的消费者都在一个组中，那么这就变成了queue模型。 假如所有的消费者都在不同的组中，那么就完全变成了发布-订阅模型。 更通用的， 我们可以创建一些消费者组作为逻辑上的订阅者。每个组包含数目不等的消费者， 一个组内多个消费者可以用来扩展性能和容错。正如下图所示：

正像传统的消息系统一样，Kafka保证消息的顺序不变。 再详细扯几句。传统的队列模型保持消息，并且保证它们的先后顺序不变。但是， 尽管服务器保证了消息的顺序，消息还是异步的发送给各个消费者，消费者收到消息的先后顺序不能保证了。这也意味着并行消费将不能保证消息的先后顺序。用过传统的消息系统的同学肯定清楚，消息的顺序处理很让人头痛。如果只让一个消费者处理消息，又违背了并行处理的初衷。 在这一点上Kafka做的更好，尽管并没有完全解决上述问题。 Kafka采用了一种分而治之的策略：分区。 因为Topic分区中消息只能由消费者组中的唯一一个消费者处理，所以消息肯定是按照先后顺序进行处理的。但是它也仅仅是保证Topic的一个分区顺序处理，不能保证跨分区的消息先后处理顺序。 所以，如果你想要顺序的处理Topic的所有消息，那就只提供一个分区。

 

Kafka的保证(Guarantees)

• 生产者发送到一个特定的Topic的分区上，消息将会按照它们发送的顺序依次加入，也就是说，如果一个消息M1和M2使用相同的producer发送，M1先发送，那么M1将比M2的offset低，并且优先的出现在日志中。
• 消费者收到的消息也是此顺序。
• 如果一个Topic配置了复制因子（replication facto）为N， 那么可以允许N-1服务器宕机而不丢失任何已经提交（committed）的消息。

kafka作为一个消息系统

Kafka的流与传统企业消息系统相比的概念如何？

传统的消息有两种模式：队列和发布订阅。 在队列模式中，消费者池从服务器读取消息（每个消息只被其中一个读取）; 发布订阅模式：消息广播给所有的消费者。这两种模式都有优缺点，队列的优点是允许多个消费者瓜分处理数据，这样可以扩展处理。但是，队列不像多个订阅者，一旦消息者进程读取后故障了，那么消息就丢了。而发布和订阅允许你广播数据到多个消费者，由于每个订阅者都订阅了消息，所以没办法缩放处理。

kafka中消费者组有两个概念：队列：消费者组（consumer group）允许同名的消费者组成员瓜分处理。发布订阅：允许你广播消息给多个消费者组（不同名）。

kafka的每个topic都具有这两种模式。

 

kafka有比传统的消息系统更强的顺序保证。

传统的消息系统按顺序保存数据，如果多个消费者从队列消费，则服务器按存储的顺序发送消息，但是，尽管服务器按顺序发送，消息异步传递到消费者，因此消息可能乱序到达消费者。这意味着消息存在并行消费的情况，顺序就无法保证。消息系统常常通过仅设1个消费者来解决这个问题，但是这意味着没用到并行处理。

kafka做的更好。通过并行topic的parition —— kafka提供了顺序保证和负载均衡。每个partition仅由同一个消费者组中的一个消费者消费到。并确保消费者是该partition的唯一消费者，并按顺序消费数据。每个topic有多个分区，则需要对多个消费者做负载均衡，但请注意，相同的消费者组中不能有比分区更多的消费者，否则多出的消费者一直处于空等待，不会收到消息。

kafka作为一个存储系统

所有发布消息到消息队列和消费分离的系统，实际上都充当了一个存储系统（发布的消息先存储起来）。Kafka比别的系统的优势是它是一个非常高性能的存储系统。

写入到kafka的数据将写到磁盘并复制到集群中保证容错性。并允许生产者等待消息应答，直到消息完全写入。

kafka的磁盘结构 - 无论你服务器上有50KB或50TB，执行是相同的。

client来控制读取数据的位置。你还可以认为kafka是一种专用于高性能，低延迟，提交日志存储，复制，和传播特殊用途的分布式文件系统。

 

kafka的流处理

仅仅读，写和存储是不够的，kafka的目标是实时的流处理。

在kafka中，流处理持续获取输入topic的数据，进行处理加工，然后写入输出topic。例如，一个零售APP，接收销售和出货的输入流，统计数量或调整价格后输出。

可以直接使用producer和consumer API进行简单的处理。对于复杂的转换，Kafka提供了更强大的Streams API。可构建聚合计算或连接流到一起的复杂应用程序。

助于解决此类应用面临的硬性问题：处理无序的数据，代码更改的再处理，执行状态计算等。

Sterams API在Kafka中的核心：使用producer和consumer API作为输入，利用Kafka做状态存储，使用相同的组机制在stream处理器实例之间进行容错保障。