【Java面试】十二、Kafka相关

1、Kafka如何保证消息不丢失

broker：经纪人

和RabbitMQ类似的分析，Kafka丢数据的可能点有：

• 生产者发消息到Brocker的过程丢消息
• 消息存Broker时丢了
• 消费者从Broker接收消息后丢了

1.1 生产者发消息到Brocker丢失：设置异步发送

异步发送，传入回调逻辑，回调逻辑中，判断发送有异常时，记录日志并重试：

配置中设置重试次数：

1.2 消息在Broker存储时丢失：发送确认机制

生产者发送消息到leader，leader需要把数据同步到follower

发送确认机制，即返给生产者producer一个acks，当设置acks = :

• 0：producer不等Kafka的回复，消息一扔就走。因此消息发的快，但可能丢消息
• 1：leader收到消息后，给producer一个成功的响应，告诉它消息发送成功
• all：leader、follower都收到消息后，才给producer一个成功的响应

1.3 消费者从Brocker接收消息丢失

Kafka的分区机制，即一个Topic被划分成多个分区，如图，Topic1被分为P1、P2、P3、P4，且这四个分区，又在两个不同的Broker。

现有一个消费者组，里面有三个实例consume1、consume2、consume3，负责处理topic1 的消息。topic分区的消息，只能由消费者组的唯一一个消费者处理，因此，不同的分区分给了不同的消费者，如图，consume1负责P1、P2，consume2负责P3，consume3负责P4分区。

每个分区里，都是按照偏移量存储数据、消费数据（分区中的每条消息，都分配了一个序号，即偏移量，从0开始自增）。消费者默认每5秒自动提交一次已经消费的偏移量，即自己处理到哪个位置了

如上，某个消费组的实例consumer1处理P1、P2，实例consumer处理P3。假设consumer2宕机，其负责的分区分给组里的其他实例去处理，如交给了consumer1

此时：

• 如果consume2消费到了偏移量3，提交的偏移量也是3，则consumer1接手后，没任何问题
• 如果consume2消费到了偏移量6，但提交的偏移量只到3（还没来得及提交），则consumer1接手后，会导致3~6偏移量的数据重复消费
• 如果consume2消费到了偏移量1，但提交的偏移量到了3（消息拿走了，但还没来得及处理），则consumer1接手后，会导致1~3的消息丢失

1.4 同步 + 异步组合提交偏移量

解决这个问题，可禁用自动提交偏移量，改为手动提交：

• 同步提交：会导致消费者在提交偏移量后阻塞，直到提交成功或失败，但偏移量准确（看重可靠性）
• 异步提交：允许消费者继续处理其他消息，而不必等待偏移量提交的确认，但偏移量可能提交失败（看重吞吐量）
• 同步 + 异步组合使用

组合使用，处理消息时使用异步提交，而在消费完后提交出现异常时（consumer.commitAsync方法异常），使用同步提交来确保最后一批消息的偏移量被正确提交。如此，可以在保证效率的同时，尽可能地保证偏移量的正确性

这样写，提交偏移量可控了，但如果消费完一条消息后，还没异步提交就断电，还是会有重复消费问题。finally里写个同步提交，可以解决异步提交时，偏移量可能提交失败（有异常）的问题，但解决不了瞬间断电宕机的问题。

再回头看瞬间断电宕机一个consumer，导致的重复消费和消息丢失问题。这么写代码，重复消费的问题还在，因此，还是要考虑幂等方案，如消费时，先判断业务ID是否存在，是则return。

但消息丢失的问题就没有了，因为现在是手动提交偏移量，不存在：消息拿走了，但还没来得及处理，偏移量就被提交了（然后宕机）的情况。现在的代码是，先处理，再提交。因此，如果最坏也就是消息被处理了，但没提交偏移量，后面的consumer接手后，还是属于重复消费问题。

2、Kafka如何保证消费的顺序性

需要顺序性的场景如：聊天，A发消息的顺序 == B收消息的顺序。Kafka，一个Topic可能有多个分区，每个分区内，是有顺序的，但整个Topic的所有分区里，无顺序。因此，要顺序，可只提供一个分区。或者说，同一个业务的数据，放同一个分区。

以上两种写法都可，第一种写法指定分区，第二种写法用key，key被hash后，分到不同的区，因此，同一个业务，用相同的key即可。

3、Kafka高可用机制

3.1 集群模式

每一个broker，就是一个Kafka实例。 多个broker实例，组成集群。挂掉一个，其余的也能处理请求。

3.2 分区备份机制

一个topic有多个分区，每个分区有多个副本，其中一个是leader，另一个是follower，且follower存储在集群的其他broker实例中。如下图，topic1的分区P0，其leader在broker1，两个follower在broker1和broker2。当leader故障，Kafka会将一个follower提升为leader，且ISR的follower优先被提升。

ISR，即in-sync-relica，是同步复制的follower，数据更加完整，但效率不高。普通的follower，即异步复制的，不保证完整性，但性能好。

最后，关于ISR副本数的控制：

4、Kafka数据清理机制

4.1 数据存储

topic是一个逻辑概念，数据在磁盘，按照topic分区存，一个分区对应一个文件夹，如下图：

分区内部，存储了数据，且是分段存储，segment，每一段，对应三个文件，.index索引文件、.log真正的数据文件、.timeindex时间索引文件。采取分段，而不是将所有数据都放到一个文件，是因为分段后：

• 删除已被消费的无用分段文件更方便
• 查找数据更便捷（文件名是以偏移量命名的）

都放一个文件，不分段，则不管是删除还是查找都很烦。

4.2 数据清理

清理策略1：消息保存时间超过了指定时间，默认168h即7天。

清理策略2：当topic所有分区的文件总和，所占的文件大小超过配置的阈值，开始删除最久的消息。需手动开启。

5、Kafka实现高性能的设计

• 消息分区：一个topic分成多个part，在不同的broker节点上。不再受单台服务器的限制，可以不受限的处理更多的数据
• 顺序读写：磁盘顺序读写，而不是随机磁盘寻道，提升读写效率
• 页缓存：把磁盘中的数据缓存到内存中，把对磁盘的访问变为对内存的访问。第二次读相同数据时，直接走页缓存，写时，先写到页缓存，再刷回磁盘。

• 零拷贝：减少上下文切换及数据拷贝
• 消息压缩：Kafka提供了多种数据压缩算法，东西变小了，从而减少磁盘IO和网络IO，但同时压缩也会额外损耗CPU资源
• 分批发送：将多个消息打包批量发送，减少网络开销，默认16KB一发，如果指定时间内，不到16KB，也会发，以防消息积压

5.1 零拷贝

现在有一个producer需要发送消息，过程为：从用户空间（权限小，无法直接调用硬件资源磁盘）拷贝到内核空间的页缓存，到一定批次后，将数据写进磁盘。

再来一个consumer消费消息，过程为：用户空间的Kafka先在页缓存找有没这个消息，没找到则去磁盘，并拷贝到内核空间的页缓存，再拷贝到用户空间。想要把消息发送给消费者，就要用到socket连接和网卡，因此接下来是，数据从用户空间拷贝到内核空间的Socket缓冲区，再拷贝到网卡，然后发出去，经历了4次拷贝

而Kafka的零拷贝，即磁盘 copy到 页缓存，页缓存直接copy到网卡，只要两次拷贝。Kafka知道哪个消费者要消费消息，因此，把整个操作委托给系统，不再经过用户空间。

6、面试