Kafka核心技术与实战——20 | 多线程开发消费者实例

Kafka Java Consumer 设计原理
- 谈到 Java Consumer API，最重要的当属它的入口类 KafkaConsumer 了
  - KafkaConsumer 就变为了双线程的设计，即用户主线程和心跳线程
  - 所谓用户主线程，就是你启动 Consumer 应用程序 main 方法的那个线程
  - 而新引入的心跳线程（Heartbeat Thread）只负责定期给对应的 Broker 机器发送心跳请求，以标识消费者应用的存活性（liveness）
  - 引入这个心跳线程还有一个目的，那就是期望它能将心跳频率与主线程调用 KafkaConsumer.poll 方法的频率分开，从而解耦真实的消息处理逻辑与消费者组成员存活性管理
- 社区为新版本 Consumer 设计了单线程 + 轮询的机制
多线程方案
- 方案一，消费者程序启动多个线程，每个线程维护专属的 KafkaConsumer 实例，负责完整的消息获取、消息处理流程
- 方案二，消费者程序使用单或多线程获取消息，同时创建多个消费线程执行消息处理逻辑
- 方案对比
- 我们先看方案 1，它的优势有 3 点。
  - 1、实现起来简单，因为它比较符合目前我们使用 Consumer API 的习惯。我们在写代码的时候，使用多个线程并在每个线程中创建专属的 KafkaConsumer 实例就可以了。
  - 2、多个线程之间彼此没有任何交互，省去了很多保障线程安全方面的开销。
  - 3、由于每个线程使用专属的 KafkaConsumer 实例来执行消息获取和消息处理逻辑，因此，Kafka 主题中的每个分区都能保证只被一个线程处理，这样就很容易实现分区内的消息消费顺序。这对在乎事件先后顺序的应用场景来说，是非常重要的优势。
- 说完了方案 1 的优势，我们来看看这个方案的不足之处。
  - 1、每个线程都维护自己的 KafkaConsumer 实例，必然会占用更多的系统资源，比如内存、TCP 连接等。在资源紧张的系统环境中，方案 1 的这个劣势会表现得更加明显。
  - 2、这个方案能使用的线程数受限于 Consumer 订阅主题的总分区数。我们知道，在一个消费者组中，每个订阅分区都只能被组内的一个消费者实例所消费。假设一个消费者组订阅了 100 个分区，那么方案 1 最多只能扩展到 100 个线程，多余的线程无法分配到任何分区，只会白白消耗系统资源。当然了，这种扩展性方面的局限可以被多机架构所缓解。除了在一台机器上启用 100 个线程消费数据，我们也可以选择在 100 台机器上分别创建 1 个线程，效果是一样的。因此，如果你的机器资源很丰富，这个劣势就不足为虑了。
  - 3、每个线程完整地执行消息获取和消息处理逻辑。一旦消息处理逻辑很重，造成消息处理速度慢，就很容易出现不必要的 Rebalance，从而引发整个消费者组的消费停滞。这个劣势你一定要注意。我们之前讨论过如何避免 Rebalance，如果你不记得的话，可以回到专栏第 17 讲复习一下。
- 下面我们来说说方案 2。
  - 与方案 1 的粗粒度不同，方案 2 将任务切分成了消息获取和消息处理两个部分，分别由不同的线程处理它们
  - 比起方案 1，方案 2 的最大优势就在于它的高伸缩性，就是说我们可以独立地调节消息获取的线程数，以及消息处理的线程数，而不必考虑两者之间是否相互影响
  - 如果你的消费获取速度慢，那么增加消费获取的线程数即可；如果是消息的处理速度慢，那么增加 Worker 线程池线程数即可。
- 不过，这种架构也有它的缺陷。
  - 1、它的实现难度要比方案 1 大得多，毕竟它有两组线程，你需要分别管理它们。
  - 2、因为该方案将消息获取和消息处理分开了，也就是说获取某条消息的线程不是处理该消息的线程，因此无法保证分区内的消费顺序。举个例子，比如在某个分区中，消息 1 在消息 2 之前被保存，那么 Consumer 获取消息的顺序必然是消息 1 在前，消息 2 在后，但是，后面的 Worker 线程却有可能先处理消息 2，再处理消息 1，这就破坏了消息在分区中的顺序。还是那句话，如果你在意 Kafka 中消息的先后顺序，方案 2 的这个劣势是致命的。
  - 3、方案 2 引入了多组线程，使得整个消息消费链路被拉长，最终导致正确位移提交会变得异常困难，结果就是可能会出现消息的重复消费。如果你在意这一点，那么我不推荐你使用方案 2

实现代码示例

方案 1 的主体代码：

 1 public class KafkaConsumerRunner implements Runnable {
 2      private final AtomicBoolean closed = new AtomicBoolean(false);
 3      private final KafkaConsumer consumer;
 4  
 5  
 6      public void run() {
 7          try {
 8              consumer.subscribe(Arrays.asList("topic"));
 9              while (!closed.get()) {
10             ConsumerRecords records = 
11                 consumer.poll(Duration.ofMillis(10000));
12                  //  执行消息处理逻辑
13              }
14          } catch (WakeupException e) {
15              // Ignore exception if closing
16              if (!closed.get()) throw e;
17          } finally {
18              consumer.close();
19          }
20      }
21  
22  
23      // Shutdown hook which can be called from a separate thread
24      public void shutdown() {
25          closed.set(true);
26          consumer.wakeup();
27      }

这段代码创建了一个 Runnable 类，表示执行消费获取和消费处理的逻辑。每个 KafkaConsumerRunner 类都会创建一个专属的 KafkaConsumer 实例。在实际应用中，你可以创建多个 KafkaConsumerRunner 实例，并依次执行启动它们，以实现方案 1 的多线程架构

对于方案 2 来说，核心的代码

 1 private final KafkaConsumer<String, String> consumer;
 2 private ExecutorService executors;
 3 ...
 4  
 5  
 6 private int workerNum = ...;
 7 executors = new ThreadPoolExecutor(
 8     workerNum, workerNum, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
 9     new ArrayBlockingQueue<>(1000), 
10     new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
11  
12  
13 ...
14 while (true)  {
15     ConsumerRecords<String, String> records = 
16         consumer.poll(Duration.ofSeconds(1));
17     for (final ConsumerRecord record : records) {
18         executors.submit(new Worker(record));
19     }
20 }
21 ..

这段代码最重要的地方是我标为橙色的那个语句：当 Consumer 的 poll 方法返回消息后，由专门的线程池来负责处理具体的消息。调用 poll 方法的主线程不负责消息处理逻辑，这样就实现了方案 2 的多线程架构

小结
- 结合你的实际业务场景，实现适合你自己的多线程架构，真正做到举一反三、融会贯通，彻底掌握多线程消费的精髓，从而在日后实现更宏大的系统
- 请你比较一下多线程方案和多进程方案