kafka：topic为什么要进行分区?副本机制是如何做的？

水深无声 2023-07-19 12:10 20阅读 0赞

### kafka为什么要在topic里加入分区的概念？如果没有分区,topic中的segment消息写满后,直接给订阅者不是也可以吗？ ###

Kafka可以将主题划分为多个分区（Partition），会根据分区规则选择把消息存储到哪个分区中，只要如果分区规则设置的合理，那么所有的消息将会被均匀的分布到不同的分区中，这样就实现了负载均衡和水平扩展。另外，多个订阅者可以从一个或者多个分区中同时消费数据，以支撑海量数据处理能力：

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Kafka的设计也是源自生活，好比是为公路运输，不同的起始点和目的地需要修不同高速公路（主题），高速公路上可以提供多条车道（分区），流量大的公路多修几条车道保证畅通，流量小的公路少修几条车道避免浪费。收费站好比消费者，车多的时候多开几个一起收费避免堵在路上，车少的时候开几个让汽车并道就好了，嗯……

顺便说一句，由于消息是以追加到分区中的，多个分区顺序写磁盘的总效率要比随机写内存还要高（引用Apache Kafka – A High Throughput Distributed Messaging System的观点），是Kafka高吞吐率的重要保证之一。

为了保证数据的可靠性，Kafka会给每个分区找一个节点当带头大哥（Leader），以及若干个节点当随从（Follower）。消息写入分区时，带头大哥除了自己复制一份外还会复制到多个随从。如果随从挂了，Kafka会再找一个随从从带头大哥那里同步历史消息；如果带头大哥挂了，随从中会选举出新一任的带头大哥，继续笑傲江湖。

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详见下：卡夫卡的副本机制。

观点2：

这里其实有2个问题，可以逐一回答

1.kafka为什么要在topic里加入分区的概念？ topic是逻辑的概念，partition是物理的概念，对用户来说是透明的。

producer只需要关心消息发往哪个topic，而consumer只关心自己订阅哪个topic，并不关心每条消息存于整个集群的哪个broker。  为了性能考虑，如果topic内的消息只存于一个broker，那这个broker会成为瓶颈，无法做到水平扩展。

所以把topic内的数据分布到整个集群就是一个自然而然的设计方式。

Partition的引入就是解决水平扩展问题的一个方案。

如同我在Kafka设计解析（一）里所讲，每个partition可以被认为是一个无限长度的数组，新数据顺序追加进这个数组。

物理上，每个partition对应于一个文件夹。一个broker上可以存放多个partition。

这样，producer可以将数据发送给多个broker上的多个partition，consumer也可以并行从多个broker上的不同paritition上读数据，实现了水平扩展

2.如果没有分区,topic中的segment消息写满后,直接给订阅者不是也可以吗 ？

“segment消息写满后”，consume消费数据并不需要等到segment写满，只要有一条数据被commit，就可以立马被消费

segment对应一个文件（实现上对应2个文件，一个数据文件，一个索引文件），一个partition对应一个文件夹，一个partition里理论上可以包含任意多个segment。

所以partition可以认为是在segment上做了一层包装。

这个问题换个角度问可能更好，“为什么有了partition还需要segment”。

如果不引入segment，一个partition直接对应一个文件（应该说两个文件，一个数据文件，一个索引文件），那这个文件会一直增大。

同时，在做data purge时，需要把文件的前面部分给删除，不符合kafka对文件的顺序写优化设计方案。

引入segment后，每次做data purge，只需要把旧的segment整个文件删除即可，保证了每个segment的顺序写，

参考：[https://www.zhihu.com/question/28925721][https_www.zhihu.com_question_28925721]

### **卡夫卡的副本机制** ###

由于Producer和Consumer都只会与Leader角色的分区副本相连，所以kafka需要以集群的组织形式提供主题下的消息高可用。kafka支持主备复制，所以消息具备高可用和持久性。

一个分区可以有多个副本，这些副本保存在不同的broker上。每个分区的副本中都会有一个作为Leader。当一个broker失败时，Leader在这台broker上的分区都会变得不可用，kafka会自动移除Leader，再其他副本中选一个作为新的Leader。

在通常情况下，增加分区可以提供kafka集群的吞吐量。然而，也应该意识到集群的总分区数或是单台服务器上的分区数过多，会增加不可用及延迟的风险。

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**创建副本的2种模式——同步复制和异步复制**

kafka动态维护了一个同步状态的副本的集合（a set of In-Sync Replicas），简称ISR。

在这个集合中的节点都是和leader保持高度一致的，任何一条消息只有被这个集合中的每个节点读取并追加到日志中，才会向外部通知说“这个消息已经被提交”。

只有当消息被所有的副本加入到日志中时，才算是“committed”，只有committed的消息才会发送给consumer，这样就不用担心一旦leader down掉了消息会丢失。

消息从leader复制到follower, 我们可以通过决定producer是否等待消息被提交的通知(ack)来区分同步复制和异步复制。

**如果等待ack则为同步，如果不需要等待所有follower复制完成即回传ack则为异步模式。**

**同步复制：**

1.producer联系zk识别leader

2.向leader发送消息

3.leadr收到消息写入到本地log

4.follower从leader pull消息

5.follower向本地写入log

6.follower向leader发送ack消息

7.leader收到所有follower的ack消息

8.leader向producer回传ack

**异步复制：**

和同步复制的区别在于，leader写入本地log之后，

直接向client回传ack消息，不需要等待所有follower复制完成。

卡夫卡支持副本模式，那么其中一个broker里的挂掉，一个新的leader就能通过ISR机制推选出来，继续处理读写请求。

### Kafka集群partition replication默认自动分配分析 ###

下面以一个Kafka集群中4个Broker举例，创建1个topic包含4个Partition，2 Replication；数据Producer流动如图所示：

(1)

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(2)当集群中新增2节点，Partition增加到6个时分布情况如下：

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副本分配逻辑规则如下：

*  在Kafka集群中，每个Broker都有均等分配Partition的Leader机会。
 *  上述图Broker Partition中，箭头指向为副本，以Partition-0为例:broker1中parition-0为Leader，Broker2中Partition-0为副本。
 *  上述图中每个Broker(按照BrokerId有序)依次分配主Partition,下一个Broker为副本，如此循环迭代分配，多副本都遵循此规则。

副本分配算法如下：

*  将所有N Broker和待分配的i个Partition排序.
 *  将第i个Partition分配到第(i mod n)个Broker上.
 *  将第i个Partition的第j个副本分配到第((i + j) mod n)个Broker上.

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