Apache Kafka 企业级消息队列

1、大纲

• 了解 Apache Kafka是什么

• 掌握Apache Kafka的基本架构

• 搭建Kafka集群

• 掌握操作集群的两种方式

• 了解Apache Kafka高级部分的内容

2、消息系统的作用是什么？

消息系统最核心的功能有三个，分别是解耦、异步、并行。

下面我们通过用户注册的案例来说明消息系统的作用：

2.1、用户注册的一般流程

问题：随着后端流程越来越多，每步流程都需要额外的耗费很多时间，从而会导致用户更长的等待延迟。

2.2、改进成并行流程

 问题：系统并行的发起了4 个请求，4 个请求中，如果某一个环节执行1 分钟，其他环节再快，用户也需要等待1 分钟。如果其中一个环节异常之后，整个服务挂掉了。

如何解决？？？

2.3、通过消息系统解决（异步架构）

可见，通过消息架构解决了并行架构的问题。

3、了解 Apache Kafka

3.1、简介

官网：http://kafka.apache.org/

• Apache Kafka 是一个开源消息系统，由Scala 写成。是由Apache 软件基金会开发的一个开源消息系统项目。

• Kafka 最初是由LinkedIn 开发，并于2011 年初开源。2012 年10 月从Apache Incubator 毕业。该项目的目标是为处理实时数据提供一个统一、高通量、低等待（低延时）的平台。

• Kafka 是一个分布式消息系统：具有生产者、消费者的功能。它提供了类似于JMS 的特性，但是在设计实现上完全不同，此外它并不是JMS 规范的实现。【重点】

3.2、kafka的基本结构

 

• Producer：消息的发送者

• Consumer：消息的接收者

• kafka cluster：kafka的集群。

• Topic：就是消息类别名，一个topic中通常放置一类消息。每个topic都有一个或者多个订阅者（消费者）。

消息的生产者将消息推送到kafka集群，消息的消费者从kafka集群中拉取消息。

3.3、kafka的完整架构

说明：

• broker：集群中的每一个kafka实例，称之为broker；

• ZooKeeper：Kafka 利用ZooKeeper 保存相应元数据信息， Kafka 元数据信息包括如代理节点信息、Kafka集群信息、旧版消费者信息及其消费偏移量信息、主题信息、分区状态信息、分区副本分配方案信息、动态配置信息等。

• ConsumerGroup：在Kafka 中每一个消费者都属于一个特定消费组（ ConsumerGroup ），我们可以为每个消费者指定一个消费组，以groupld 代表消费组名称，通过group.id 配置设置。如果不指定消费组，则该消费者属于默认消费组test-consumer-group 。

3.4、kafka的特性

• 消息持久化

  • Kafka 基于文件系统来存储和缓存消息。

• 高吞吐量

  • Kafka 将数据写到磁盘，充分利用磁盘的顺序读写。同时， Kafka 在数据写入及数据同步采用了零拷贝（ zero-copy ）技术，采用sendFile()函数调用，sendFile()函数是在两个文件描述符之间直接传递数据，完全在内核中操作，从而避免了内核缓冲区与用户缓冲区之间数据的拷贝，操作效率极高。

  • Kafka 还支持数据压缩及批量发送，同时Kafka 将每个主题划分为多个分区，这一系列的优化及实现方法使得Kafka 具有很高的吞吐量。经大多数公司对Kafka 应用的验证， Kafka 支持每秒数百万级别的消息。

• 高扩展性

  • Kafka 依赖ZooKeeper来对集群进行协调管理，这样使得Kafka 更加容易进行水平扩展，生产者、消费者和代理都为分布式，可配置多个。

  • 同时在机器扩展时无需将整个集群停机，集群能够自动感知，重新进行负责均衡及数据复制。

• 多客户端支持

  • Kafka 核心模块用Scala 语言开发，Kafka 提供了多种开发语言的接入，如Java 、Scala、C 、C＋＋、Python 、Go 、Erlang 、Ruby 、Node. 等。

• 安全机制

  • 的Kafka 支持以下几种安全措施：

    • 通过SSL 和SASL(Kerberos), SASL/PLA时验证机制支持生产者、消费者与broker连接时的身份认证；

    • 支持代理与ZooKeeper 连接身份验证；

    • 通信时数据加密；

    • 客户端读、写权限认证；

    • Kafka 支持与外部其他认证授权服务的集成；

• 数据备份

  • Kafka 可以为每个topic指定副本数，对数据进行持久化备份，这可以一定程度上防止数据丢失，提高可用性。

• 轻量级

  • Kafka 的实例是无状态的，即broker不记录消息是否被消费，消费偏移量的管理交由消费者自己或组协调器来维护。

  • 同时集群本身几乎不需要生产者和消费者的状态信息，这就使得Kafka非常轻量级，同时生产者和消费者客户端实现也非常轻量级。

• 消息压缩

  • Kafka 支持Gzip, Snappy 、LZ4 这3 种压缩方式，通常把多条消息放在一起组成MessageSet，然后再把Message Set 放到一条消息里面去，从而提高压缩比率进而提高吞吐量。

3.5、kafka的应用场景

• 消息系统。

  • Kafka 作为一款优秀的消息系统，具有高吞吐量、内置的分区、备份冗余分布式等特点，为大规模消息处理提供了一种很好的解决方案。

• 应用监控。

  • 利用Kafka 采集应用程序和服务器健康相关的指标，如CPU 占用率、IO 、内存、连接数、TPS 、QPS 等，然后将指标信息进行处理，从而构建一个具有监控仪表盘、曲线图等可视化监控系统。例如，很多公司采用Kafka 与ELK (Elastic Search 、Logstash 和Kibana)整合构建应用服务监控系统。

• 网站用户行为追踪。

  • 为了更好地了解用户行为、操作习惯，改善用户体验，进而对产品升级改进，将用户操作轨迹、内容等信息发送到Kafka 集群上，通过Hadoop 、Spark 或Strom等进行数据分析处理，生成相应的统计报告，为推荐系统推荐对象建模提供数据源，进而为每个用户进行个性化推荐。

• 流处理。

  • 需要将己收集的流数据提供给其他流式计算框架进行处理，用Kafka 收集流数据是一个不错的选择。

• 持久性日志。

  • Kafka 可以为外部系统提供一种持久性日志的分布式系统。日志可以在多个节点间进行备份， Kafka 为故障节点数据恢复提供了一种重新同步的机制。同时， Kafka很方便与HDFS 和Flume 进行整合，这样就方便将Kafka 采集的数据持久化到其他外部系统。

4、Kafka的安装与配置

准备三台虚拟机，分别是node01，node02，node03，并且修改hosts文件如下：

vim /etc/hosts
#注意: 前面的ip地址改成自己的ip地址
​
192.168.40.133 node01
192.168.40.134 node02
192.168.40.135 node03
​
#3台服务器的时间要一致
#时间更新：
yum install -y rdate
rdate -s  time-b.nist.gov

4.1、基础环境配置

4.1.1、JDK环境

由于Kafka 是用Scala 语言开发的，运行在JVM上，因此在安装Kafka 之前需要先安装JDK 。

安装过程略过，我这里使用的是jdk1.8。

4.1.2、ZooKeeper环境

4.1.2.1、安装ZooKeeper

Kafka 依赖ZooKeeper ，通过ZooKeeper 来对服务节点、消费者上下线管理、集群、分区元数据管理等，因此ZooKeeper 也是Kafka 得以运行的基础环境之一。

#上传zookeeper-3.4.9.tar.gz到/export/software
cd /export/software
mkdir -p /export/servers/
tar -xvf zookeeper-3.4.9.tar.gz -C /export/servers/
#创建ZooKeeper的data目录
mkdir /export/data/zookeeper -p
cd /export/servers/zookeeper-3.4.9/conf/
#修改配置文件
mv zoo_sample.cfg zoo.cfg
vim zoo.cfg
#设置data目录
dataDir=/export/data/zookeeper
#启动ZooKeeper
./zkServer.sh start
#检查是否启动成功
jps

4.1.2.3、搭建ZooKeeper集群

#在/export/data/zookeeper目录中创建myid文件
vim /export/data/zookeeper/myid
#写入对应的节点的id，如：1,2等，保存退出
​
#在conf下，修改zoo.cfg文件
vim zoo.cfg
#添加如下内容
server.1=node01:2888:3888
server.2=node02:2888:3888
server.3=node03:2888:3888

4.1.2.3、配置环境变量

vim /etc/profile
export ZK_HOME=/export/servers/zookeeper-3.4.9
export PATH=${ZK_HOME}/bin:$PATH
​
#立即生效
source /etc/profile

4.1.2.4、分发到其它机器

scp /etc/profile node02:/etc/
scp /etc/profile node03:/etc/
​
cd /export/servers
scp -r zookeeper-3.4.9 node02:/export/servers/
scp -r zookeeper-3.4.9 node03:/export/servers/

4.1.2.5、一键启动、停止脚本

mkdir -p /export/servers/onekey/zk
vim slave
#输入如下内容
node01
node02
node03
#保存退出
​
vim startzk.sh
#输入如下内容
cat /export/servers/onekey/zk/slave | while read line
do
{
 echo "开始启动 --> "$line
 ssh $line "source /etc/profile;nohup sh ${ZK_HOME}/bin/zkServer.sh start >/dev/null 2>&1 &"
}&
wait
done
echo "★★★启动完成★★★"
#保存退出
​
vim stopzk.sh
#输入如下内容
cat /export/servers/onekey/zk/slave | while read line
do
{
 echo "开始停止 --> "$line
 ssh $line "source /etc/profile;nohup sh ${ZK_HOME}/bin/zkServer.sh stop >/dev/null 2>&1 &"
}&
wait
done
echo "★★★停止完成★★★"
#保存退出
​
#设置可执行权限
chmod +x startzk.sh stopzk.sh
​
#添加到环境变量中
export ZK_ONEKEY=/export/servers/onekey
export PATH=${ZK_ONEKEY}/zk:$PATH

4.1.2.6、检查启动是否成功

发现三台机器都有“QuorumPeerMain”进程，说明机器已经启动成功了。

检查集群是否正常：

zkServer.sh status

发现，集群运行一切正常。

4.2、安装Kafka

4.2.1、单机版Kafka安装

第一步：上传Kafka安装包并且解压

rz 上传kafka_2.11-1.1.0.tgz到 /export/software/
cd /export/software/
tar -xvf kafka_2.11-1.1.0.tgz -C /export/servers/
cd /export/servers
mv kafka_2.11-1.1.0/ kafka

第二步：配置环境变量

vim /etc/profile
​
#输入如下内容
export KAFKA_HOME=/export/servers/kafka
export PATH=${KAFKA_HOME}/bin:$PATH
​
#保存退出
source /etc/profile

第三步：修改配置文件

cd /export/servers/kafka
cd config
vim server.properties
​
# The id of the broker. This must be set to a unique integer for each broker.
# 必须要只要一个brokerid，并且它必须是唯一的。
broker.id=0
​
# A comma separated list of directories under which to store log files
# 日志数据文件存储的路径 （如不存在，需要手动创建该目录, mkdir -p /export/data/kafka/）
log.dirs=/export/data/kafka
​
# ZooKeeper的配置，本地模式下指向到本地的ZooKeeper服务即可
zookeeper.connect=node01:2181
​
# 保存退出

第四步：启动kafka服务

# 以守护进程的方式启动kafka
kafka-server-start.sh -daemon /export/servers/kafka/config/server.properties

第五步：检测kafka是否启动

如果进程中有名为kafka的进程，就说明kafka已经启动了。

4.2.2、验证kafka是否安装成功

由于kafka是将元数据保存在ZooKeeper中的，所以，可以通过查看ZooKeeper中的信息进行验证kafka是否安装成功。

4.2.3、部署kafka-manager

Kafka Manager 由 yahoo 公司开发，该工具可以方便查看集群 主题分布情况，同时支持对 多个集群的管理、分区平衡以及创建主题等操作。

源码托管于github：https://github.com/yahoo/kafka-manager

第一步：上传Kafka-manager安装包并且解压

rz上传kafka-manager-1.3.3.17.tar.gz到 /export/software/
cd /export/software
tar -xvf kafka-manager-1.3.3.17.tar.gz -C /export/servers/
cd /export/servers/kafka-manager-1.3.3.17/conf

第二步：修改配置文件

#修改配置文件
vim application.conf
#新增项，http访问服务的端口
http.port=19000
#修改成自己的zk机器地址和端口
kafka-manager.zkhosts="node01:2181"
#保存退出

第三步：启动服务

cd /export/servers/kafka-manager-1.3.3.17/bin
#启动服务
./kafka-manager -Dconfig.file=../conf/application.conf
​
#制作启动脚本
vim /etc/profile
export KAFKA_MANAGE_HOME=/export/servers/kafka-manager-1.3.3.17
export PATH=${KAFKA_MANAGE_HOME}/bin:$PATH
​
source /etc/profile
​
cd /export/servers/onekey/
mkdir kafka-manager
cd kafka-manager
vim start-kafka-manager.sh
nohup kafka-manager -Dconfig.file=${KAFKA_MANAGE_HOME}/conf/application.conf >/dev/null 2>&1 &
chmod +x start-kafka-manager.sh
vim /etc/profile
export PATH=${ZK_ONEKEY}/kafka-manager:$PATH
source /etc/profile
​

第四步：检查是否启动成功

打开浏览器，输入地址：http://node01:19000/，即可看到kafka-manage管理界面。

4.2.4、kafka-manager的使用

进入管理界面，是没有显示Cluster信息的，需要添加后才能操作。

• 添加 Cluster：

 

输入Cluster Name、ZooKeeper信息、以及Kafka的版本信息（这里最高只能选择1.0.0）。

点击Save按钮保存。

添加成功。

• 查看kafka的信息

• 查看Broker信息

• 查看Topic列表

• 查看单个topic信息以及操作

• 优化副本选举

• 查看消费者信息

4.2.5、搭建kafka集群

kafka集群的搭建是非常简单的，只需要将上面的单机版的kafka分发的其他机器，并且将ZooKeeper信息修改成集群的配置以及设置不同的broker值即可。

第一步：将kafka分发到node02、node03

cd /export/servers/
scp -r kafka node02:/export/servers/
scp -r kafka node03:/export/servers/
scp /etc/profile node02:/etc/
scp /etc/profile node03:/etc/
# 分别到node02、node03机器上执行
source /etc/profile

第二步：修改node01、node02、node03上的kafka配置文件

• node01：

  
  cd /export/servers/kafka/config
  vim server.properties
  zookeeper.connect=node01:2181,node02:2181,node03:2181

• node02：

  
  cd /export/servers/kafka/config
  vim server.properties
  broker.id=1
  zookeeper.connect=node01:2181,node02:2181,node03:2181

• node03：

  
  cd /export/servers/kafka/config
  vim server.properties
  broker.id=2
  zookeeper.connect=node01:2181,node02:2181,node03:2181

第三步：编写一键启动、停止脚本。注意：该脚本依赖于环境变量中的KAFKA_HOME。

mkdir -p /export/servers/onekey/kafka
vim slave
#输入如下内容
node01
node02
node03
#保存退出
​
vim start-kafka.sh
#输入如下内容
cat /export/servers/onekey/kafka/slave | while read line
do
{
 echo "开始启动 --> "$line
 ssh $line "source /etc/profile;nohup sh ${KAFKA_HOME}/bin/kafka-server-start.sh -daemon ${KAFKA_HOME}/config/server.properties >/dev/null 2>&1 &"
}&
wait
done
echo "★★★启动完成★★★"
#保存退出
chmod +x start-kafka.sh
​
vim stop-kafka.sh
#输入如下内容
cat /export/servers/onekey/kafka/slave | while read line
do
{
 echo "开始停止 --> "$line
 ssh $line "source /etc/profile;nohup sh ${KAFKA_HOME}/bin/kafka-server-stop.sh >/dev/null 2>&1 &"
}&
wait
done
echo "★★★停止完成★★★"
#保存退出
chmod +x stop-kafka.sh
​
#加入到环境变量中
export PATH=${ZK_ONEKEY}/kafka:$PATH
source /etc/profile

第四步：通过kafka-manager管理工具查看集群信息。

由此可见，kafka集群已经启动完成。

5、Kafka快速入门

对kafka的操作有2种方式，一种是通过命令行方式，一种是通过API方式。

5.1、通过命令行Kafka

Kafka在bin目录下提供了shell脚本文件，可以对Kafka进行操作，分别是：

通过命令行的方式，我们将体验下kafka，以便我们对kafka有进一步的认知。

5.1.1、topic的操作

5.1.1.1、创建topic

kafka-topics.sh --create --zookeeper node01:2181 --replication-factor 1 --partitions 1 --topic my-kafka-topic
​
#执行结果：
Created topic "my-kafka-topic".

参数说明：

• zookeeper：参数是必传参数，用于配置 Kafka 集群与 ZooKeeper 连接地址。至少写一个。

• partitions：参数用于设置主题分区数，该配置为必传参数。

• replication-factor：参数用来设置主题副本数 ，该配置也是必传参数。

• topic：指定topic的名称。

5.1.1.2、查看topic列表

kafka-topics.sh --list --zookeeper node01:2181
​
__consumer_offsets
my-kafka-topic

可以查看列表。

如果需要查看topic的详细信息，需要使用describe命令。

kafka-topics.sh --describe --zookeeper node01:2181 --topic test-topic
#若不指定topic，则查看所有topic的信息
kafka-topics.sh --describe --zookeeper node01:2181

5.1.1.3、删除topic

通过kafka-topics.sh执行删除动作，需要在server.properties文件中配置 delete.topic.enable=true，该配置默认为 false。

否则执行该脚本并未真正删除主题 ，将该topic标记为删除状态 。

kafka-topics.sh --delete --zookeeper node01:2181 --topic my-kafka-topic
​
# 执行如下
[root@node01 config]# kafka-topics.sh --delete --zookeeper node01:2181 --topic my-kafka-topic
Topic my-kafka-topic is marked for deletion.
Note: This will have no impact if delete.topic.enable is not set to true.
​
# 如果将delete.topic.enable=true
[root@node01 config]# kafka-topics.sh --delete --zookeeper node01:2181 --topic my-kafka-topic2
Topic my-kafka-topic2 is marked for deletion.
Note: This will have no impact if delete.topic.enable is not set to true.
​
# 说明：虽然设置后，删除时依然提示没有设置为true，实际上已经删除了。

5.1.2、生产者的操作

kafka-console-producer.sh --broker-list node01:9092 --topic my-kafka-topic

可以看到，已经向topic发送了消息。

5.1.3、消费者的操作

kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server node01:9092 --topic my-kafka-topic
# 通过以上命令，可以看到消费者可以接收生产者发送的消息
​
# 如果需要从头开始接收数据，需要添加--from-beginning参数
kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server node01:9092 --from-beginning --topic my-kafka-topic

5.2、通过Java Api操作Kafka

除了通过命令行的方式操作kafka外，还可以通过Java api的方式操作，这种方式将更加的常用。

5.2.1、创建工程

导入依赖：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <parent>
        <artifactId>bigdata</artifactId>
        <groupId>cn.bigdata</groupId>
        <version>1.0.0-SNAPSHOT</version>
    </parent>
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
​
    <artifactId>bigdata-kafka</artifactId>
​
    <dependencies>
​
        <dependency>
            <groupId>org.apache.kafka</groupId>
            <artifactId>kafka_2.11</artifactId>
            <version>1.1.0</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.kafka</groupId>
            <artifactId>kafka-clients</artifactId>
            <version>1.1.0</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>junit</groupId>
            <artifactId>junit</artifactId>
            <version>4.12</version>
        </dependency>
​
    </dependencies>
    
    <build>
        <plugins>
            <!-- java编译插件 -->
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <version>3.2</version>
                <configuration>
                    <source>1.8</source>
                    <target>1.8</target>
                    <encoding>UTF-8</encoding>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>
​
​
</project>

5.2.2、topic的操作

由于主题的元数据信息是注册在 ZooKeeper 相 应节点之中，所以对主题的操作实质是对 ZooKeeper 中记录主题元数据信息相关路径的操作。 Kafka将对 ZooKeeper 的相关操作封装成一 个 ZkUtils 类 ， 井封装了一个AdrninUtils 类调用 ZkClient 类的相关方法以实现对 Kafka 元数据 的操作，包括对主题、代理、消费者等相关元数据的操作。对主题操作的相关 API调用较简单， 相应操作都是通过调用 AdminUtils类的相应方法来完成的。

package cn. .kafka;
​
import kafka.admin.AdminUtils;
import kafka.utils.ZkUtils;
import org.apache.kafka.common.security.JaasUtils;
import org.junit.Test;
​
import java.util.Properties;
​
public class TestKafkaTopic {
​
    @Test
    public void testCreateTopic() {
        ZkUtils zkUtils = null;
        try {
            //参数：zookeeper的地址，session超时时间，连接超时时间，是否启用zookeeper安全机制
            zkUtils = ZkUtils.apply("node01:2181", 30000, 3000, JaasUtils.isZkSecurityEnabled());
​
            String topicName = "my-kafka-topic-test1";
            if (!AdminUtils.topicExists(zkUtils, topicName)) {
                //参数：zkUtils，topic名称，partition数量，副本数量，参数，机架感知模式
                AdminUtils.createTopic(zkUtils, topicName, 1, 1, new Properties(), AdminUtils.createTopic$default$6());
                System.out.println(topicName + " 创建成功!");
            } else {
                System.out.println(topicName + " 已存在!");
            }
        } finally {
            if (null != zkUtils) {
                zkUtils.close();
            }
        }
​
    }
}
​

测试结果：

5.2.2.1、删除topic

    @Test
    public void testDeleteTopic() {
        ZkUtils zkUtils = null;
        try {
            //参数：zookeeper的地址，session超时时间，连接超时时间，是否启用zookeeper安全机制
            zkUtils = ZkUtils.apply("node01:2181", 30000, 3000, JaasUtils.isZkSecurityEnabled());
            String topicName = "my-kafka-topic-test1";
            if (AdminUtils.topicExists(zkUtils, topicName)) {
                //参数：zkUtils，topic名称
                AdminUtils.deleteTopic(zkUtils, topicName);
                System.out.println(topicName + " 删除成功!");
            } else {
                System.out.println(topicName + " 不已存在!");
            }
        } finally {
            if (null != zkUtils) {
                zkUtils.close();
            }
        }
​
    }

测试结果：

5.2.3、生产者的操作

package cn. .kafka;
​
import org.apache.kafka.clients.producer.*;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;
import org.junit.Test;
​
import java.util.Properties;
​
public class TestProducer {
​
    @Test
    public void testProducer() throws InterruptedException {
        Properties config = new Properties();
​
        // 设置kafka服务列表，多个用逗号分隔
        config.setProperty(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "node01:9092,node02:9092");
        // 设置序列化消息 Key 的类
        config.setProperty(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        // 设置序列化消息 value 的类
        config.setProperty(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
​
        // 初始化
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<String, String>(config);
        for (int i = 0; i < 100 ; i++) {
            ProducerRecord record = new ProducerRecord("my-kafka-topic","data-" + i);
            // 发送消息
            kafkaProducer.send(record);
            System.out.println("发送消息 --> " + i);
​
            Thread.sleep(100);
        }
​
        kafkaProducer.close();
​
    }
​
}
​

5.2.4、消费者的操作

package cn. .kafka;
​
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerConfig;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecords;
import org.apache.kafka.clients.consumer.KafkaConsumer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;
import org.junit.Test;
​
import javax.sound.midi.Soundbank;
import java.util.Arrays;
import java.util.Properties;
​
public class TestConsumer {
​
    @Test
    public void testConsumer() {
        Properties config = new Properties();
        // 设置kafka服务列表，多个用逗号分隔
        config.setProperty(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "node01:9092,node02:9092");
        // 设置消费者分组id
        config.setProperty(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, "my-group");
        // 设置序反列化消息 Key 的类
        config.setProperty(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringDeserializer.class.getName());
        // 设置序反列化消息 value 的类
        config.setProperty(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringDeserializer.class.getName());
​
​
        KafkaConsumer<String, String> kafkaConsumer = new KafkaConsumer<String, String>(config);
        // 订阅topic
        kafkaConsumer.subscribe(Arrays.asList("my-kafka-topic"));
​
        while (true) { // 使用死循环不断的拉取数据
            ConsumerRecords<String, String> records = kafkaConsumer.poll(1000);
            for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
                String value = record.value();
                long offset = record.offset();
                System.out.println("value = " + value + ", offset = " + offset);
            }
        }
​
    }
}
​

6、Kafka高级

6.1、生产者的同步和异步模式

• 异步方式:两个 send 方法都返回一个 Future<RecordMetadata>对象，即只负责将消息 发送到消息缓冲区，并不等待 Sender线程处理结果，若希望了解异步方式消息发送成功与否 ，可以在回调函数中进行相应处理， 当消息被 Sender线程处理后会回调 Callback。

• 同步方式:通过调用 send方法返回的 Future对象的 get()方法以阻塞式获取执行结果， 即等待 Sender线程处理的最终结果。

• 默认采用的异步方式。

6.1.1、异步实现

package cn. .kafka;
​
import org.apache.kafka.clients.producer.*;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;
import org.junit.Test;
​
import java.util.Properties;
​
public class TestAsyncProducer {
​
    @Test
    public void testProducer() throws InterruptedException {
        Properties config = new Properties();
​
        // 设置kafka服务列表，多个用逗号分隔
        config.setProperty(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "node01:9092,node02:9092");
        // 设置序列化消息 Key 的类
        config.setProperty(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        // 设置序列化消息 value 的类
        config.setProperty(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        //缓冲区数量
        config.setProperty(ProducerConfig.BATCH_SIZE_CONFIG, "1000");
        //等待时间
        config.setProperty(ProducerConfig.LINGER_MS_CONFIG, "10000");
​
        // 初始化
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<String, String>(config);
        for (int i = 0; i < 10 ; i++) {
            ProducerRecord record = new ProducerRecord("my-kafka-topic","data-" + i);
            // 发送消息
            kafkaProducer.send(record, new Callback() {
                @Override
                public void onCompletion(RecordMetadata metadata, Exception exception) {
                    System.out.println("消息的callbakc --> " + metadata);
                }
            });
            System.out.println("发送消息 --> " + i);
​
            Thread.sleep(100);
        }
​
        kafkaProducer.close();
​
    }
​
}
​

测试的结果：

发送消息 --> 0
发送消息 --> 1
发送消息 --> 2
发送消息 --> 3
发送消息 --> 4
发送消息 --> 5
发送消息 --> 6
发送消息 --> 7
发送消息 --> 8
发送消息 --> 9
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@-1
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@-1
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@-1
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@-1
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@-1
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@-1
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@-1
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@-1
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@-1
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@-1

Process finished with exit code 0

6.1.2、同步实现

package cn. .kafka;
​
import org.apache.kafka.clients.producer.*;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;
import org.junit.Test;
​
import java.util.Properties;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Future;
​
public class TestSyncProducer {
​
    @Test
    public void testProducer() throws InterruptedException, ExecutionException {
        Properties config = new Properties();
​
        // 设置kafka服务列表，多个用逗号分隔
        config.setProperty(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "node01:9092,node02:9092");
        // 设置序列化消息 Key 的类
        config.setProperty(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        // 设置序列化消息 value 的类
        config.setProperty(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
​
        // 初始化
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<String, String>(config);
        for (int i = 0; i < 10 ; i++) {
            ProducerRecord record = new ProducerRecord("my-kafka-topic","data-" + i);
            // 发送消息
            Future future = kafkaProducer.send(record, new Callback() {
                @Override
                public void onCompletion(RecordMetadata metadata, Exception exception) {
                    System.out.println("消息的callbakc --> " + metadata);
                }
            });
            future.get(); //同步模式进行阻塞
            System.out.println("发送消息 --> " + i);
​
            Thread.sleep(100);
        }
​
        kafkaProducer.close();
​
    }
​
}

测试：

消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@3128
发送消息 --> 0
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@3129
发送消息 --> 1
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@3130
发送消息 --> 2
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@3131
发送消息 --> 3
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@3132
发送消息 --> 4
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@3133
发送消息 --> 5
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@3134
发送消息 --> 6
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@3135
发送消息 --> 7
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@3136
发送消息 --> 8
消息的callbakc --> my-kafka-topic-0@3137
发送消息 --> 9

Process finished with exit code 0

6.2、消费者组

在 Kafka 中每一个消费者都属于一个特定消费组( ConsumerGroup)，我们可以为每个消费者指定一个消费组，以 groupld 代表消费组名称，通过 group.id 配置设置 。 如果不指定消费组，则 该消费者属于默 认消费组 test-consumer-group。

需要重点说明的是：

• 同一个主题的一条消息只能同一个消费者组下的某一个消费者消费。

• 不同消费组的消费者可同时消费该消息。

6.2.1、测试：同一个消息只能为同组的一个消费者消费

消费者1： my-client-1

package cn. .kafka;
​
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerConfig;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecords;
import org.apache.kafka.clients.consumer.KafkaConsumer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;
import org.junit.Test;
import org.springframework.kafka.listener.MessageListener;
​
import javax.sound.midi.Soundbank;
import java.util.Arrays;
import java.util.Properties;
​
public class TestConsumer {
​
    @Test
    public void testConsumer() {
        Properties config = new Properties();
        // 设置kafka服务列表，多个用逗号分隔
        config.setProperty(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "node01:9092,node02:9092");
        // 设置消费者分组id
        config.setProperty(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, "my-group-test-2");
        // 设置序反列化消息 Key 的类
        config.setProperty(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringDeserializer.class.getName());
        // 设置序反列化消息 value 的类
        config.setProperty(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringDeserializer.class.getName());
​
​
        KafkaConsumer<String, String> kafkaConsumer = new KafkaConsumer<String, String>(config);
        // 订阅topic
        kafkaConsumer.subscribe(Arrays.asList("my-kafka-topic"));
​
        while (true) { // 使用死循环不断的拉取数据
            ConsumerRecords<String, String> records = kafkaConsumer.poll(1000);
            for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
                String value = record.value();
                long offset = record.offset();
                System.out.println("value = " + value + ", offset = " + offset);
            }
        }
    }
}

消费者2：my-client-2

package cn. .kafka;
​
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerConfig;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecords;
import org.apache.kafka.clients.consumer.KafkaConsumer;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer;
import org.junit.Test;
​
import java.util.Arrays;
import java.util.Properties;
​
public class TestConsumer2 {
​
    @Test
    public void testConsumer() {
        Properties config = new Properties();
        // 设置kafka服务列表，多个用逗号分隔
        config.setProperty(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "node01:9092,node02:9092");
        // 设置消费者分组id
        config.setProperty(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, "my-group-test-2");
        // 设置序反列化消息 Key 的类
        config.setProperty(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringDeserializer.class.getName());
        // 设置序反列化消息 value 的类
        config.setProperty(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringDeserializer.class.getName());
​
​
        KafkaConsumer<String, String> kafkaConsumer = new KafkaConsumer<String, String>(config);
        // 订阅topic
        kafkaConsumer.subscribe(Arrays.asList("my-kafka-topic"));
​
        while (true) { // 使用死循环不断的拉取数据
            ConsumerRecords<String, String> records = kafkaConsumer.poll(1000);
            for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
                String value = record.value();
                long offset = record.offset();
                System.out.println("value = " + value + ", offset = " + offset);
            }
        }
​
    }
}
​

测试：

分别启动消费者1和消费者2，然后在控制台输入消息，观察消费者1和消费者2的控制台打印情况。

6.2.2、测试：不同组的消费可以获取相同的数据

消费者1：my-client-11在my-group-test-3组中

package cn. .kafka;
​
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerConfig;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecords;
import org.apache.kafka.clients.consumer.KafkaConsumer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;
import org.junit.Test;
import org.springframework.kafka.listener.MessageListener;
​
import javax.sound.midi.Soundbank;
import java.util.Arrays;
import java.util.Properties;
​
public class TestConsumer {
​
    @Test
    public void testConsumer() {
        Properties config = new Properties();
        // 设置kafka服务列表，多个用逗号分隔
        config.setProperty(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "node01:9092,node02:9092");
        // 设置消费者分组id
        config.setProperty(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, "my-group-test-3");
        // 设置序反列化消息 Key 的类
        config.setProperty(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringDeserializer.class.getName());
        // 设置序反列化消息 value 的类
        config.setProperty(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringDeserializer.class.getName());
​
​
        KafkaConsumer<String, String> kafkaConsumer = new KafkaConsumer<String, String>(config);
        // 订阅topic
        kafkaConsumer.subscribe(Arrays.asList("my-kafka-topic"));
​
        while (true) { // 使用死循环不断的拉取数据
            ConsumerRecords<String, String> records = kafkaConsumer.poll(1000);
            for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
                String value = record.value();
                long offset = record.offset();
                System.out.println("value = " + value + ", offset = " + offset);
            }
        }
​
    }
}
​

消费者2：my-client-22在my-group-test-4组中

​
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerConfig;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecords;
import org.apache.kafka.clients.consumer.KafkaConsumer;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer;
import org.junit.Test;
​
import java.util.Arrays;
import java.util.Properties;
​
public class TestConsumer2 {
​
    @Test
    public void testConsumer() {
        Properties config = new Properties();
        // 设置kafka服务列表，多个用逗号分隔
        config.setProperty(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "node01:9092,node02:9092");
        // 设置消费者分组id
        config.setProperty(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, "my-group-test-4");
        // 设置序反列化消息 Key 的类
        config.setProperty(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringDeserializer.class.getName());
        // 设置序反列化消息 value 的类
        config.setProperty(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringDeserializer.class.getName());
​
​
        KafkaConsumer<String, String> kafkaConsumer = new KafkaConsumer<String, String>(config);
        // 订阅topic
        kafkaConsumer.subscribe(Arrays.asList("my-kafka-topic"));
​
        while (true) { // 使用死循环不断的拉取数据
            ConsumerRecords<String, String> records = kafkaConsumer.poll(1000);
            for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
                String value = record.value();
                long offset = record.offset();
                System.out.println("value = " + value + ", offset = " + offset);
            }
        }
​
    }
}

测试：

由此可见，2个消费者获取到的消息是一样的。

6.2.3、总结

消费组是 Kafka 用来实现对一个主题消息进行广播和单播的手段，实现消息广播只需指定各消费者均属于不同的消费组，消息单播则只 需让各消费者属于同 一个消费组 。

6.3、分区和副本

6.3.1、分区

6.3.1.1、什么是分区？

• 创建topic时，如果不指定分区，那么，topic的数据只是在一个broker中存储。

  • 问题：如果一台机器存储不下怎么办？

• 创建topic时，可以指定分区，将一个topic的数据分散存储到多个broker，实现分区存储，从而解决一个机器存储不下的问题，也就实现了存储的横向扩展。

6.3.1.2、如何设置分区？

第一种：通过脚本创建topic时指定

kafka-topics.sh --create --zookeeper node01:2181 --replication-factor 1 --partitions 3 --topic my-kafka-topic-3

第二种：在通过java api创建topic时指定

//参数：zkUtils，topic名称，partition数量，副本数量，参数，机架感知模式
                AdminUtils.createTopic(zkUtils, topicName, 3, 1, new Properties(), AdminUtils.createTopic$default$6());

6.3.1.3、分区和消费者的关系（负载均衡机制）

说明：

• 同一个partition的数据可以被不同的消费组获取。

• 同一个组内的消费者不能同时消费同一个partition。

• 同一个组内的消费者可以消费不同的partition，也就是说，同一个组内的消费者数 小于等于 partition数，不能大于。

  • 如果同组内的消费者数大于partition数，那么一定会有消费者是空闲的。

6.3.2、副本

6.3.2.1、什么是副本？

• 创建topic时，如果不指定副本，那么一个partition只会在一个Broker中存储

  • 问题：如果该机器宕机，那么topic的数据将丢失。

• 创建topic时，如果设置副本，那么kafka将在其他分区中保存该分区的数据，已确保数据的可靠性。

• 在多个副本中，kafka会选取一个作为leader提供服务。其它的作为Follower节点存在。

6.3.2.2、如何设置副本？

第一种：通过脚本创建topic时指定

kafka-topics.sh --create --zookeeper node01:2181 --replication-factor 3 --partitions 3 --topic my-kafka-topic-4

第二种：在通过java api创建topic时指定

//参数：zkUtils，topic名称，partition数量，副本数量，参数，机架感知模式
                AdminUtils.createTopic(zkUtils, topicName, 3, 3, new Properties(), AdminUtils.createTopic$default$6());

6.3.2.3、副本之间数据同步是否会丢失数据？

消息的生产者将消息发送到leader，Follower会进行同步消息，如果消息还未同步完成，leader宕机，消息会丢失吗？

其实， Kafka为生产者提供3种消息确认机制(acks)，分别是，0，-1,1，默认为：1。

( 1) 当 acks=0时，生产者不用等待代理返回确认信息，而连续发送消息。显然这种 方式加快了消息投递的速度，然而无法保证消息是否己被代理接受 ，有可能存在丢失数据 的风险。

(2)当 acsk=1时，生产者需要等待 Leader 己成功将消息写入日志文件中。这种方式 在一定程度上降低了数据丢失的可能性，但仍无法保证数据一定不会丢失。如果在 Leader副本 成功存储数据后， Follower 副本还没有来得及进行同步，而此时 Leader 着机了，那么此时虽 然数据己进行了存储，由于原来的 Leader 己不可用而会从集群中下线，同时存活的代理又再也不会有从原来的 Leader副本存储的数据，此时数据就会丢失。

(3)当 acks=-1 时， Leader副本和所有 ISR列表中的副本都完成数据存储时才会向生产者 发送确认信息，这种策略保证只要 Leader 副本和 Follower 副本中至少有一个节点存活，数据就 不会丢失。为了保证数据不丢失，需要保证同步的副本至少大于1，通过参数 min.insync.replicas 设置，当同步副本数不足此配置值时，生产者会抛出异常，但这种方式同时也影响了生产者发 送消息的速度以及吞吐量。

6.4、消费者如何保证消息不丢失？

在kafka0.8.2版本之后，消费者将消费记录（offset）值，保存在名为__consumer_offsets的topic中。

所以，只要能够正确记录offset值，就能保证消息不丢失，但是有可能消息会重复消费。

6.5、Kafka的文件存储机制

6.5.1、Kafka 文件存储基本结构

• 在Kafka 文件存储中，同一个topic 下有多个不同partition，每个partition 为一个目录，partiton命名规则为topic 名称+有序序号，第一个partiton 序号从0 开始，序号最大值为partitions数量减1。

• 每个partion(目录)相当于一个巨型文件被平均分配到多个大小相等segment(段)数据文件中。但每个段segment file 消息数量不一定相等，这种特性方便old segment file 快速被删除。默认保留7 天的数据。

6.5.2、Segment文件

• Segment file 组成：由3大部分组成，分别为index file 、data file、timeindex file，此3个文件一一对应，分别表示为segment 索引文件、数据文件、时间日志。

• 当log文件等于1G时，新的会写入到下一个segment中。

• Segment 文件命名规则：partion 全局的第一个segment 从0 开始，后续每个segment文件名为上一个segment 文件最后一条消息的offset 值。数值最大为64 位long 大小，19 位数字字符长度，没有数字用0 填充。

• 索引文件存储大量元数据，数据文件存储大量消息，索引文件中元数据指向对应数据文件中message 的物理偏移地址。

上述图中索引文件存储大量元数据，数据文件存储大量消息，索引文件中元数据指向对应数据文件中message 的物理偏移地址。其中以索引文件中元数据3,497 为例，依次在数据文件中表示第3 个message(在全局partiton表示第368772 个message)、以及该消息的物理偏移地址为497。

6.5.3、Kafka 查找message

如果需要读取offset=368776 的message，如何查找？

6.5.3.1、查找segment file

00000000000000000000.index 表示最开始的文件，起始偏移量(offset)为000000000000000368769.index 的消息量起始偏移量为368770 = 368769 + 100000000000000737337.index 的起始偏移量为737338=737337 + 1其他后续文件依次类推。以起始偏移量命名并排序这些文件，只要根据offset 二分查找文件列表，就可以快速定位到具体文件。当offset=368776 时定位到00000000000000368769.index 和对应log 文件。

6.5.3.2、通过segment file 查找message

当offset=368776 时， 依次定位到00000000000000368769.index 的元数据物理位置和00000000000000368769.log 的物理偏移地址，然后再通过00000000000000368769.log 顺序查找直到offset=368776 为止。

6.5.4、思考？

kafka为什么要将数据进行分段存储，好处是什么？

• 读写数据速度快

  • 小文件一定比大文件快

• 对于旧数据，清除起来方便

6.6、生产者数据分发策略

kafka在数据生产的时候，有一个数据分发策略。默认的情况使用DefaultPartitioner.class类。

分发策略有三种：

1. 如果是用户指定了partition，生产就不会调用DefaultPartitioner.partition()方法

2. 当用户指定key，使用hash算法。Utils.toPositive(Utils.murmur2(keyBytes)) % numPartitions

   1. 如果key一直不变，同一个key算出来的hash值是个固定值。

   2. 如果是固定值，这种hash取模就没有意义。

3. 当用既没有指定partition也没有key，就采用轮询算法。

源码：

public class KafkaProducer<K, V> implements Producer<K, V> {
   。。。。。。。
       
    private int partition(ProducerRecord<K, V> record, byte[] serializedKey, byte[] serializedValue, Cluster cluster) {
        Integer partition = record.partition();
        return partition != null ?
                partition :
                partitioner.partition(
                        record.topic(), record.key(), serializedKey, record.value(), serializedValue, cluster);
    }
    

DefaultPartitioner.java文件：

    public int partition(String topic, Object key, byte[] keyBytes, Object value, byte[] valueBytes, Cluster cluster) {
        List<PartitionInfo> partitions = cluster.partitionsForTopic(topic);
        int numPartitions = partitions.size();
        if (keyBytes == null) {
            // 轮询算法
            int nextValue = nextValue(topic);
            List<PartitionInfo> availablePartitions = cluster.availablePartitionsForTopic(topic);
            if (availablePartitions.size() > 0) {
                int part = Utils.toPositive(nextValue) % availablePartitions.size();
                return availablePartitions.get(part).partition();
            } else {
                // no partitions are available, give a non-available partition
                return Utils.toPositive(nextValue) % numPartitions;
            }
        } else {
            // hash the keyBytes to choose a partition hash算法
            return Utils.toPositive(Utils.murmur2(keyBytes)) % numPartitions;
        }
    }

 

​