kafka原理
架构设计过程中，每次说到业务解耦，都会说到消息队列，消息队列组件、工具非常多，甚至自己维护个redis queue也是可以实现，但是每到这时候，大家都会聊过kafka, 于是特意了解了下kafka的原理，在以后的设计、工作中起到参考作用。
Kafka是什么？
Apache Kafka是由Apache开发的一种发布订阅消息系统，它是一个分布式的、分区的和重复的日志服务。
kafka中的基础概念：
Producer：Producer即生产者，消息的产生者，是消息的入口。
kafka cluster：
Broker：Broker是kafka实例，每个服务器上有一个或多个kafka的实例，我们姑且认为每个broker对应一台服务器。每个kafka集群内的broker都有一个不重复的编号，如图中的broker-0、broker-1等……
Topic：消息的主题，可以理解为消息的分类，kafka的数据就保存在topic。在每个broker上都可以创建多个topic。
Partition：Topic的分区，每个topic可以有多个分区，分区的作用是做负载，提高kafka的吞吐量。同一个topic在不同的分区的数据是不重复的，partition的表现形式就是一个一个的文件夹！
Replication:每一个分区都有多个副本，副本的作用是做备胎。当主分区（Leader）故障的时候会选择一个备胎（Follower）上位，成为Leader。在kafka中默认副本的最大数量是10个，且副本的数量不能大于Broker的数量，follower和leader绝对是在不同的机器，同一机器对同一个分区也只可能存放一个副本（包括自己）。
Message：每一条发送的消息主体。
Consumer：消费者，即消息的消费方，是消息的出口。
Consumer Group：我们可以将多个消费组组成一个消费者组，在kafka的设计中同一个分区的数据只能被消费者组中的某一个消费者消费。同一个消费者组的消费者可以消费同一个topic的不同分区的数据，这也是为了提高kafka的吞吐量！
Zookeeper：kafka集群依赖zookeeper来保存集群的的元信息，来保证系统的可用性。
LEO：即日志末端位移(log end offset)，记录了该副本底层日志(log)中下一条消息的位移值。注意是下一条消息！也就是说，如果 LEO=10，那么表示该副本保存了 10 条消息，位移值范围是[0, 9]。另外，leader LEO 和 follower LEO 的更新是有区别的。每个副本中最大的 offset；
AR：分区中的所有副本统称为AR（Assigned Repllicas）;
HW：水位值。对于同一个副本对象而言，其HW 值不会大于 LEO 值。小于等于 HW 值的所有消息都被认为是“已备份”的（replicated）。同理，leader 副本和follower 副本的 HW 更新是有区别的,消费者能见到的最大的 offset，ISR中最小的LEO；
先介绍下kafka的完整的数据流(从两篇文章中找到了两个都非常好的图，不好取舍，都放这里了)：
这是非常清晰而且易懂的操作流程；
图中有两个topic，topic 0有两个partition，topic 1有一个partition，三副本备份。
写数据过程：
Producer在写入数据的时候永远的找leader，不会直接将数据写入follower！
消息写入leader后，follower是主动的去leader进行同步的！producer采用push模式将数据发布到broker，每条消息追加到分区中，顺序写入磁盘，所以保证同一分区内的数据是有序的！写入示意图如下：
上面说到数据会写入到不同的分区，那kafka为什么要做分区呢？相信大家应该也能猜到，分区的主要目的是：
1、 方便扩展。因为一个topic可以有多个partition，所以我们可以通过扩展机器去轻松的应对日益增长的数据量。
2、 提高并发。以partition为读写单位，可以多个消费者同时消费数据，提高了消息的处理效率。
熟悉负载均衡的朋友应该知道，当我们向某个服务器发送请求的时候，服务端可能会对请求做一个负载，将流量分发到不同的服务器，那在kafka中，如果某个topic有多个partition，producer又怎么知道该将数据发往哪个partition呢？kafka中有几个原则：
1、 partition在写入的时候可以指定需要写入的partition，如果有指定，则写入对应的partition。
2、 如果没有指定partition，但是设置了数据的key，则会根据key的值hash出一个partition。
3、 如果既没指定partition，又没有设置key，则会轮询选出一个partition。
保证消息不丢失是一个消息队列中间件的基本保证，那producer在向kafka写入消息的时候，怎么保证消息不丢失呢？其实上面的写入流程图中有描述出来，那就是通过ACK应答机制！在生产者向队列写入数据的时候可以设置参数来确定是否确认kafka接收到数据，这个参数可设置的值为0、1、all。
0代表producer往集群发送数据不需要等到集群的返回，不确保消息发送成功。安全性最低但是效率最高。
1代表producer往集群发送数据只要leader应答就可以发送下一条，只确保leader发送成功。
all代表producer往集群发送数据需要所有的follower都完成从leader的同步才会发送下一条，确保leader发送成功和所有的副本都完成备份。安全性最高，但是效率最低。
保存数据
Producer将数据写入kafka后，集群就需要对数据进行保存了！kafka将数据保存在磁盘，可能在我们的一般的认知里，写入磁盘是比较耗时的操作，不适合这种高并发的组件。Kafka初始会单独开辟一块磁盘空间，顺序写入数据（效率比随机写入高）。
Partition 结构
前面说过了每个topic都可以分为一个或多个partition，如果你觉得topic比较抽象，那partition就是比较具体的东西了！Partition在服务器上的表现形式就是一个一个的文件夹，每个partition的文件夹下面会有多组segment文件，每组segment文件又包含.index文件、.log文件、.timeindex文件（早期版本中没有）三个文件， log文件就实际是存储message的地方，而index和timeindex文件为索引文件，用于检索消息。
如上图，这个partition有三组segment文件，每个log文件的大小是一样的，但是存储的message数量是不一定相等的（每条的message大小不一致）。文件的命名是以该segment最小offset来命名的，如000.index存储offset为0~368795的消息，kafka就是利用分段+索引的方式来解决查找效率的问题。
Message结构
上面说到log文件就实际是存储message的地方，我们在producer往kafka写入的也是一条一条的message，那存储在log中的message是什么样子的呢？消息主要包含消息体、消息大小、offset、压缩类型……等等！我们重点需要知道的是下面三个：
1、 offset：offset是一个占8byte的有序id号，它可以唯一确定每条消息在parition内的位置！
2、 消息大小：消息大小占用4byte，用于描述消息的大小。
3、 消息体：消息体存放的是实际的消息数据（被压缩过），占用的空间根据具体的消息而不一样。
存储策略
无论消息是否被消费，kafka都会保存所有的消息。那对于旧数据有什么删除策略呢？
1、 基于时间，默认配置是168小时（7天）。
2、 基于大小，默认配置是1073741824。
需要注意的是，kafka读取特定消息的时间复杂度是O(1)，所以这里删除过期的文件并不会提高kafka的性能！
消费数据
消息存储在log文件后，消费者就可以进行消费了。与生产消息相同的是，消费者在拉取消息的时候也是找leader去拉取。
多个消费者可以组成一个消费者组（consumer group），每个消费者组都有一个组id！同一个消费组者的消费者可以消费同一topic下不同分区的数据，但是不会组内多个消费者消费同一分区的数据！！！
在保存数据的小节里面，我们聊到了partition划分为多组segment，每个segment又包含.log、.index、.timeindex文件，存放的每条message包含offset、消息大小、消息体……我们多次提到segment和offset，查找消息的时候是怎么利用segment+offset配合查找的呢？假如现在需要查找一个offset为368801的message是什么样的过程呢？我们先看看下面的图：
1、 先找到offset的368801message所在的segment文件（利用二分法查找），这里找到的就是在第二个segment文件。
2、 打开找到的segment中的.index文件（也就是368796.index文件，该文件起始偏移量为368796+1，我们要查找的offset为368801的message在该index内的偏移量为368796+5=368801，所以这里要查找的相对offset为5）。由于该文件采用的是稀疏索引的方式存储着相对offset及对应message物理偏移量的关系，所以直接找相对offset为5的索引找不到，这里同样利用二分法查找相对offset小于或者等于指定的相对offset的索引条目中最大的那个相对offset，所以找到的是相对offset为4的这个索引。
3、 根据找到的相对offset为4的索引确定message存储的物理偏移位置为256。打开数据文件，从位置为256的那个地方开始顺序扫描直到找到offset为368801的那条Message。
这套机制是建立在offset为有序的基础上，利用segment+有序offset+稀疏索引+二分查找+顺序查找等多种手段来高效的查找数据！至此，消费者就能拿到需要处理的数据进行处理了。那每个消费者又是怎么记录自己消费的位置呢？在早期的版本中，消费者将消费到的offset维护zookeeper中，consumer每间隔一段时间上报一次，这里容易导致重复消费，且性能不好！在新的版本中消费者消费到的offset已经直接维护在kafk集群的__consumer_offsets这个topic中！
问题：
1. topic在不同分区的消息是如何保持时序性的？
严格来说是无法保证的，只能局部有序。
下面是kafka作者Jay Kreps的blog中介绍kafka设计思想的一段话。
Each partition is a totally ordered log, but there is no global ordering between partitions (other than perhaps some wall-clock time you might include in your messages). The assignment of the messages to a particular partition is controllable by the writer, with most users choosing to partition by some kind of key (e.g. user id). Partitioning allows log appends to occur without co-ordination between shards and allows the throughput of the system to scale linearly with the Kafka cluster size.
针对部分消息有序（message.key相同的message要保证消费顺序）场景，可以在producer往kafka插入数据时控制，同一key分发到同一partition上面。
2. kafka中，ISR是什么？是如果保证高可用的？
ISR(InSyncRepli) : 所有与leader保持同步的副本集合；与之对应的是OSR(OutSyncRepli) : 被leader剔除ISR的集合；当副本在一定时间未与leader进行同步就会被踢出ISR。
ISR 的设计原理 ：
在所有的分布式存储中，冗余备份是一种常见的设计方式，而常用的模式有同步复制和异步复制，按照 kafka 这个副本模型来说如果采用同步复制，那么需要要求所有能工作的 Follower 副本都复制完，这条消息才会被认为提交成功，一旦有一个follower 副本出现故障，就会导致 HW 无法完成递增，消息就无法提交，消费者就获取不到消息。这种情况下，故障的Follower 副本会拖慢整个系统的性能，甚至导致系统不可用如果采用异步复制，leader 副本收到生产者推送的消息后，就认为次消息提交成功。follower 副本则异步从 leader 副本同步。这种设计虽然避免了同步复制的问题，但是假设所有follower 副本的同步速度都比较慢他们保存的消息量远远落后于 leader 副本。而此时 leader 副本所在的 broker 突然宕机，则会重新选举新的 leader 副本，而新的 leader 副本中没有原来 leader 副本的消息。这就出现了消息的丢失。
kafka 权衡了同步和异步的两种策略，采用 ISR 集合，巧妙解决了两种方案的缺陷：当 follower 副本延迟过高，leader 副本则会把该 follower 副本剔除ISR 集合，消息依然可以快速提交。当 leader 副本所在的 broker 突然宕机，会优先将 ISR 集合中follower 副本选举为 leader，新 leader 副本包含了 HW 之前的全部消息，这样就避免了消息的丢失。
失效副本为速率比leader相差大于10秒的follower
将失效的follower先剔除ISR
等速率接近leader10秒内,再加进ISR
参考：
链接：https://www.jianshu.com/p/d3e963ff8b70
链接： https://www.cnblogs.com/sujing/p/10960832.html
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