1. kafka整体结构图
Kafka名词解释和工作方式
- Producer ：消息生产者，就是向kafka broker发消息的客户端。
- Consumer ：消息消费者，向kafka broker取消息的客户端
- Topic ：咋们可以理解为一个队列。
- Consumer Group （CG）：这是kafka用来实现一个topic消息的广播（发给所有的consumer）和单播（发给任意一个consumer）的手段。一个topic可以有多个CG。topic的消息会复制（不是真的复制，是概念上的）到所有的CG，但每个partion只会把消息发给该CG中的一个consumer。如果需要实现广播，只要每个consumer有一个独立的CG就可以了。要实现单播只要所有的consumer在同一个CG。用CG还可以将consumer进行自由的分组而不需要多次发送消息到不同的topic。
- Broker ：一台kafka服务器就是一个broker。一个集群由多个broker组成。一个broker可以容纳多个topic。
- Partition：为了实现扩展性，一个非常大的topic可以分布到多个broker（即服务器）上，一个topic可以分为多个partition，每个partition是一个有序的队列。partition中的每条消息都会被分配一个有序的id（offset）。kafka只保证按一个partition中的顺序将消息发给consumer，不保证一个topic的整体（多个partition间）的顺序。
- Offset：kafka的存储文件都是按照offset.kafka来命名，用offset做名字的好处是方便查找。例如你想找位于2049的位置，只要找到2048.kafka的文件即可。当然the first offset就是00000000000.kafka
2. topic和Consumer的关系
本质上kafka只支持Topic
- 每个group中可以有多个consumer，每个consumer属于一个consumer group；
- 通常情况下，一个group中会包含多个consumer，这样不仅可以提高topic中消息的并发消费能力，而且还能提高"故障容错"性，如果group中的某个consumer失效那么其消费的partitions将会有其他consumer自动接管
- 对于Topic中的一条特定的消息，只会被订阅此Topic的每个group中的其中一个consumer消费，此消息不会发送给一个group的多个consumer；
- 那么一个group中所有的consumer将会交错的消费整个Topic，每个group中consumer消息消费互相独立，我们可以认为一个group是一个"订阅"者。
- 在kafka中,一个partition中的消息只会被group中的一个consumer消费(同一时刻)；
- 一个Topic中的每个partions，只会被一个"订阅者"中的一个consumer消费，不过一个consumer可以同时消费多个partitions中的消息。
- kafka的设计原理决定,对于一个topic，同一个group中不能有多于partitions个数的consumer同时消费，否则将意味着某些consumer将无法得到消息。
- kafka只能保证一个partition中的消息被某个consumer消费时是顺序的；事实上，从Topic角度来说,当有多个partitions时,消息仍不是全局有序的。
3. Kafka消息的分发
Producer客户端负责消息的分发
- kafka集群中的任何一个broker都可以向producer提供metadata信息,这些metadata中包含"集群中存活的servers列表","partitions leader列表"等信息；
- 当producer获取到metadata信息之后, producer将会和Topic下所有partition leader保持socket连接；
- 消息由producer直接通过socket发送到broker，中间不会经过任何"路由层"，事实上，消息被路由到哪个partition上由producer客户端决定；
- 比如可以采用"random""key-hash""轮询"等,如果一个topic中有多个partitions,那么在producer端实现"消息均衡分发"是必要的。
- 在producer端的配置文件中,开发者可以指定partition路由的方式。
Producer消息发送的应答机制
设置发送数据是否需要服务端的反馈,有三个值0,1,-1
0: producer不会等待broker发送ack
1: 当leader接收到消息之后发送ack
-1: 当所有的follower都同步消息成功后发送ack
request.required.acks=0
4. Consumer的负载均衡
当一个group中,有consumer加入或者离开时,会触发partitions均衡，均衡的最终目的，是提升topic的并发消费能力，步骤如下：
(1) 假如topic1，具有如下partitions: P0，P1，P2，P3
(2) 假如group中，有如下consumer: C1，C2
(3) 首先根据partition索引号对partitions排序: P0，P1，P2，P3
(4) 根据consumer.id排序: C0，C1
(5) 计算倍数: M = [P0,P1,P2,P3].size / [C0,C1].size,本例值M=2(向上取整)
(6) 然后依次分配partitions: C0 = [P0,P1],C1=[P2,P3],即 Ci = [P(i * M),P((i + 1) * M -1)]
5. kafka文件存储机制
5.1 Kafka文件存储基本结构
（1）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。
（2）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。
（3）每个partiton只需要支持顺序读写就行了，segment文件生命周期由服务端配置参数决定。（什么时候创建，什么时候删除）
数据是否有序？
一个partition的数据间隔性有序，不连续；针对一个topic里面的数据，只能做到partition内部有序，不能做到全局有序。只有一种情况下才能保证全局有序，就是只有一个partition
5.2 Kafka Partition Segment
- Segment file组成：由2大部分组成，分别为index file和data file，此2个文件一一对应，成对出现，后缀".index"和“.log”分别表示为segment索引文件、数据文件。
- 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，依次在该数据文件中表示第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。
5.3 Kafka 查找message
读取offset=368776的message，需要通过下面2个步骤查找。
（1） 查找segment file
00000000000000000000.index表示最开始的文件，起始偏移量(offset)为0
00000000000000368769.index的消息量起始偏移量为368770 = 368769 + 1
00000000000000737337.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。
（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。