Kafka概述Kafka安装Linux集群版Kafka命令行操作Kafka生产者Kafka消费者Kafka API操作
Producer APIConsumer API Kafka监控 Kafka概述
kafka基础架构
Producer:消息生产者,向kafka broker发消息得客户端
Consumer:消息消费者,向kafka broker取消息的客户端
Consumer Grroup:消费者组,由多个Consumer组成,消费者组内每个消费者负责不同分区的数据,一个分区只能由一个组内消费者消费,消费者组之间互不影响。所有的消费者都属于某个消费者组,即消费者组是逻辑上的一个订阅者
Broker:一台kafka服务器就是一个broker,一个集群是由多个broker组成,一个broker可以容纳多个topic
Topic:主题类似一个消息队列,生产者和消费者面向的都是一个topic
Partition:为了实现扩展性,一个非常大的topic可以分布到多个broker上,一个topic可以分为多个partition,每个partition是一个有序序列
Replica:副本,为保证集群中的某个节点发生故障时,该节点上的partition数据不丢失,且kafka仍然能够继续工作,kafka提供了副本机制,一个topic的每个分区都有若干个副本,一个leader和若干个follower
leader:每个分区多个副本的主,生产者发送数据的对象,以及消费者消费数据的对象都是leader
follower:每个分区多个副本中的从,实时从leader中同步数据,保持和leader数据的同步。leader发生故障时,某个follower会成为新的leader
kafka工作流程
Kafka中消息是以topic进行分类的,生产者生产消息,消费者消费消息,都是面向topic的
topic是逻辑上的概念,而partition是物理上的概念,每个partition对应一个log文件,该log文件中存储的就是producer生产的数据。Producer生产的数据会被不断追加到该log文件末端,且每条数据都有自己的offset。消费者组中的每个消费者,都会实时记录自己消费到了哪个offset,以便出错恢复时,从上次的位置继续消费。
kafka文件存储机制
由于生产者生产的消息会不断追加到log文件末尾,为防止log文件大导致数据定位效率低下,kafka采取了分片和索引的机制,将每个partition分为多个segment。每个segment对应两个文件(.index索引文件和.log文件)。这些文件位于一个文件夹下,该文件夹的命名规则为topic名称+副本序号。如:first这个topic有三个副本,则其对应的文件为first-0,first-1,first-2
first-0first-1first-2
index和log文件以当前segment的第一条消息的offset命名
.index文件存储大量的索引信息,.log文件存储大量的数据,索引文件中的元数据指向对应数据中message的物理偏移地址。
Kafka安装Linux集群版官网地址
http://kafka.apache.org/downloads.html
修改配置文件
解压文件,修改kafka文件夹内config/server.properties
#broker的全局唯一编号,不能重复broker.id=0#删除topic功能使能delete.topic.enable=true#处理网络请求的线程数量num.network.threads=3#用来处理磁盘IO的现成数量num.io.threads=8#发送套接字的缓冲区大小socket.send.buffer.bytes=102400#接收套接字的缓冲区大小socket.receive.buffer.bytes=102400#请求套接字的缓冲区大小socket.request.max.bytes=104857600#kafka数据存储位置log.dirs=/opt/module/kafka/data#topic在当前broker上的分区个数num.partitions=1#用来恢复和清理data下数据的线程数量num.recovery.threads.per.data.dir=1#segment文件保留的最长时间,超时将被删除log.retention.hours=168#配置连接Zookeeper集群地址zookeeper.connect=hadoop102:2181,hadoop103:2181,hadoop104:2181
配置环境变量可以全局使用kafka脚本vim /etc/profile,使环境生效source /etc/profile
#KAFKA_HOMEexport KAFKA_HOME=/opt/module/kafkaexport PATH=$PATH:$KAFKA_HOME/bin
将配置好的kafka文件夹分发到集群下,修改集群另外服务器的broker.id,broker.id不能重复
kafka集群启停脚本
集群启动:依次在集群上执行kafka-server-start.sh -daemon config/server.properties
集群停止:依次在集群上执行kafka-server-stop.sh stop
#! /bin/bashcase $1 in"start"){ for i in hadoop102 hadoop103 hadoop104 do echo " --------启动 $i Kafka-------" ssh $i "/opt/module/kafka/bin/kafka-server-start.sh -daemon /opt/module/kafka/config/server.properties" done};;"stop"){ for i in hadoop102 hadoop103 hadoop104 do echo " --------停止 $i Kafka-------" ssh $i "/opt/module/kafka/bin/kafka-server-stop.sh stop" done};;esac
Kafka命令行操作对topic主题的操作
查看当前服务器中的所有topic
kafka-topics.sh --zookeeper hadoop102:2181 --list
查看某个topic的详情
kafka-topics.sh --zookeeper hadoop102:2181 --describe --topic first
创建topic
# --topic 定义topic名# --replication-factor 定义副本数# --partitions 定义分区数kafka-topics.sh --zookeeper hadoop102:2181 --create --replication-factor 3 --partitions 1 --topic first
修改分区数
kafka-topics.sh --zookeeper hadoop102:2181 --alter --topic first --partitions 6
删除topic
# 需要server.properties中设置delete.topic.enable=true否则只是标记删除kafka-topics.sh --zookeeper hadoop102:2181 --delete --topic first
发送消息
kafka-console-producer.sh --broker-list hadoop102:9092,hadoop103:9092,hadoop104:9092 --topic first> hello world
消费消息
# 0.9版本,消费offset存在zk,之后版本存在本地,故已放弃使用kafka-console-consumer.sh --zookeeper hadoop102:2181,hadoop103:2181,hadoop104:2181 --topic first# 目前在用kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server hadoop102:9092,hadoop103:9092,hadoop104:9092 --topic first# 从开始读取 --from-beginning会把主题中以往所有的数据都读取出来kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server hadoop102:9092,hadoop103:9092,hadoop104:9092 --from-beginning --topic first
Kafka生产者分区策略
分区方便再集群中扩展,每个partition可以通过调整以适应它所在的机器,而一个topic又可以有多个partition组成,因此整个集群就可以适应任意大小的数据。同时分区也可以提高并发度,因为可以以Partition为单位进行读写。
producer发送数据需要封装一个ProducerRecord对象
指明partition的情况下,直接将指明的值作为partition的值
没有指明partition的值,但是有key的情况下,将key的hash值与topic的partition数进行取余得到partition的值。
既没有partition也没有key值的情况下,第一次调用时随机生成一个整数(后面每次调用在这个整数上自增),将这个值与topic可用的partition总数取余得到partition值,也就是常说的round-robin算法。
数据可靠性保证
为保证producer发送的数据,能可靠的发送到指定的topic,topic的每个partition收到producer发送的数据后,都需要向producer发送ack(acknowledgement确认收到)。如果producer收到ack,就会进行下一轮的发送,否则重新发送数据。
kafka采用全部完成同步才发送ack的方案,因为同样为了容忍n台节点的故障,第一种方案需要2n+1个副本,而第二种方案只需要n+1个副本,而Kafka的每个分区都有大量的数据,第一种方案会造成大量数据的冗余。虽然第二种方案的网络延迟会比较高,但网络延迟对Kafka的影响较小。
在kafka采用的大体方案中,引入了ISR概念:Leader维护了一个动态的in-sync replica set (ISR),意为和leader保持同步的follower集合。当ISR中的follower完成数据的同步之后,leader就会给follower发送ack。如果follower长时间未向leader同步数据,则该follower将被踢出ISR,该时间阈值由replica.lag.time.max.ms参数设定。Leader发生故障之后,就会从ISR中选取新的leader。这样就可以解决(leader收到数据,所有follower都开始同步数据,但有一个follower,因为某种故障,迟迟不能与leader进行同步,那leader就要一直等下去,直到它完成同步,才能发送ack)的问题
ack应答机制
对于某些不太重要的数据,对数据的可靠性要求不是很高,能够容忍数据的少量丢失,所以没必要等ISR中的follower全部接收成功。Kafka提供了三种可靠性级别,用户根据对可靠性和延迟的要求进行权衡,选择以下的配置
ack=1数据丢失
ack=-1数据重复
故障处理细节HW和LEO
LEO:指的是每个副本最大的offset;
HW:指的是消费者能见到的最大的offset,ISR队列中最小的LEO
follower故障:follower发生故障后会被临时踢出ISR,等待该follower恢复后,follower会读取本地磁盘记录的上次HW,并将log文件高于HW的部分截取掉,从HW开始向leader进行同步。等待follower的LEO大于等于该Partition的HW,即follower追上leader之后,就可以重新加入ISR
leader故障:leader发生故障之后,会从ISR中选取一个新的leader,之后,为保证多个副本之间数据一致性,其余的follower会先将各自的log文件高于HW的部分截掉,然后从新的leader同步数据。这样能保证副本之间的数据一致性,并不能保证数据不丢失或者不重复
Exactly Once语义
将服务器的ACK级别设置为-1.可以保证producer到server之间不会丢失数据(但是不能保证重重数据),即At Least Once语义。相对的,将服务器级别设置为0,可以保证生产者每条消息只会被发送一次(但是不能保证数据不丢失),即At Most Once语义。
At Least Once可以保证数据不丢失,但是不能保证数据不重复;相对的,At Least Once可以保证数据不重复,但是不能保证数据不丢失。**但是,对于一些非常重要的信息,比如说交易数据,下游数据消费者要求数据既不重复也不丢失,即Exactly Once语义。**在0.11版本以前的Kafka,对此是无能为力的,只能保证数据不丢失,再在下游消费者对数据做全局去重。对于多个下游应用的情况,每个都需要单独做全局去重,这就对性能造成了很大影响。
0.11版本的Kafka,引入了一项重大特性:幂等性。所谓的幂等性就是指Producer不论向Server发送多少次重复数据,Server端都只会持久化一条。幂等性结合At Least Once语义,就构成了Kafka的Exactly Once语义。即:At Least once + 幂等性 = Exactly Once
要启用幂等性,只需要将Producer的参数中enable.idompotence设置为true即可。Kafka的幂等性实现其实就是将原来下游需要做的去重放在了数据上游。开启幂等性的Producer在初始化的时候会被分配一个PID,发往同一Partition的消息会附带Sequence Number。而Broker端会对
Kafka从0.11版本开始引入了事务支持。事务可以保证Kafka在Exactly Once语义的基础上,生产和消费可以跨分区和会话,要么全部成功,要么全部失败
Producer事务:为了实现跨分区跨会话的事务,需要引入一个全局唯一的Transaction ID,并将Producer获得的PID和Transaction ID绑定。这样当Producer重启后就可以通过正在进行的Transaction ID获得原来的PID。为了管理Transaction,Kafka引入了一个新的组件Transaction Coordinator。Producer就是通过和Transaction Coordinator交互获得Transaction ID对应的任务状态。Transaction Coordinator还负责将事务所有写入Kafka的一个内部Topic,这样即使整个服务重启,由于事务状态得到保存,进行中的事务状态可以得到恢复,从而继续进行
Consunmer事务:上述事务机制主要是从Producer方面考虑,对于Consumer而言,事务的保证就会相对较弱,尤其时无法保证Commit的信息被精确消费。这是由于Consumer可以通过offset访问任意信息,而且不同的Segment File生命周期不同,同一事务的消息可能会出现重启后被删除的情况
Kafka消费者消费方式
consumer采用pull(拉)模式从broker中读取数据
push(推)模式很难适应消费速率不同的消费者,因为消息发送速率是由broker决定的。它的目标是尽可能以最快速度传递消息,但是这样很容易造成consumer来不及处理消息,典型的表现就是拒绝服务以及网络拥塞。而pull模式则可以根据consumer的消费能力以适当的速率消费消息
pull模式不足之处是,如果kafka没有数据,消费者可能会陷入循环中,一直返回空数据。针对这一点,Kafka的消费者在消费数据时会传入一个时长参数timeout,如果当前没有数据可供消费,consumer会等待一段时间之后再返回,这段时长即为timeout
分区分配策略
一个consumer group中有多个consumer,一个 topic有多个partition,所以必然会涉及到partition的分配问题,即确定哪个partition由哪个consumer来消费
Kafka有两种分配策略,一是RoundRobin,一是Range
分区分配策略RoundRobin轮询
分区分配策略Range,取模
offset的维护
由于consumer在消费过程中可能会出现断电宕机等故障,consumer恢复后,需要从故障前的位置的继续消费,所以consumer需要实时记录自己消费到了哪个offset,以便故障恢复后继续消费
Kafka 0.9版本之前,consumer默认将offset保存在Zookeeper中,从0.9版本开始,consumer默认将offset保存在Kafka一个内置的topic中,该topic为__consumer_offsets
读取__consumer_offsets
修改配置文件consumer.properties
exclude.internal.topics=false
读取offset数据
# 0.11.0.0之前版本bin/kafka-console-consumer.sh --topic __consumer_offsets --zookeeper hadoop102:2181 --formatter "kafka.coordinator.GroupmetadataManager$OffsetsMessageFormatter" --consumer.config config/consumer.properties --from-beginning# 0.11.0.0之后版本(含)bin/kafka-console-consumer.sh --topic __consumer_offsets --zookeeper hadoop102:2181 --formatter "kafka.coordinator.group.GroupmetadataManager$OffsetsMessageFormatter" --consumer.config config/consumer.properties --from-beginning
指定消费者组消费数据
kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server hadoop102:2181 --topic first --from-beginning --consumer-property group.id='test'
Kafka API操作引入依赖
Kafka的Producer发送消息采用的是异步发送的方式。在消息发送的过程中,涉及到了两个线程——main线程和Sender线程,以及一个线程共享变量——RecordAccumulator。main线程将消息发送给RecordAccumulator,Sender线程不断从RecordAccumulator中拉取消息发送到Kafka broker
batch.size:只有数据积累到batch.size之后,sender才会发送数据。
linger.ms:如果数据迟迟未达到batch.size,sender等待linger.time之后就会发送数据
不带回调函数发送
Properties properties = new Properties();properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "bigdata100:9092");properties.put(ProducerConfig.ACKS_CONFIG, "all");//重试次数properties.put(ProducerConfig.RETRIES_CONFIG, 1);//批次大小 16kproperties.put(ProducerConfig.BATCH_SIZE_CONFIG, 16384);//等待时间properties.put(ProducerConfig.LINGER_MS_CONFIG, 1);//RecordAccumulator缓冲区大小 32Mproperties.put(ProducerConfig.BUFFER_MEMORY_CONFIG, 33554432);// 序列化properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");KafkaProducer
带回调函数发送
回调函数会在producer收到ack时调用,为异步调用,该方法有两个参数,分别是Recordmetadata和Exception,如果Exception为null,说明消息发送成功,如果Exception不为null,说明消息发送失败。消息发送失败会自动重试,不需要在回调函数中手动重试
Properties properties = new Properties();properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "bigdata100:9092");properties.put(ProducerConfig.ACKS_CONFIG, "all");//重试次数properties.put(ProducerConfig.RETRIES_CONFIG, 1);//批次大小 16kproperties.put(ProducerConfig.BATCH_SIZE_CONFIG, 16384);//等待时间properties.put(ProducerConfig.LINGER_MS_CONFIG, 1);//RecordAccumulator缓冲区大小 32Mproperties.put(ProducerConfig.BUFFER_MEMORY_CONFIG, 33554432);// 序列化properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");KafkaProducer
同步发送
同步发送的意思就是,一条消息发送之后,会阻塞当前线程,直至返回ack。由于send方法返回的是一个Future对象,根据Futrue对象的特点,我们也可以实现同步发送的效果,只需在调用Future对象的get方发即可。
ProducerRecord producerRecord = new ProducerRecord
Consumer消费数据时的可靠性是很容易保证的,因为数据在Kafka中是持久化的,故不用担心数据丢失问题。由于consumer在消费过程中可能会出现断电宕机等故障,consumer恢复后,需要从故障前的位置的继续消费,所以consumer需要实时记录自己消费到了哪个offset,以便故障恢复后继续消费。所以offset的维护是Consumer消费数据是必须考虑的问题。
自动提交offset
public static void main(String[] args) { Properties properties = new Properties(); properties.put(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "bigdata100:9092"); properties.put(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, "czs"); // 开启自动提交 properties.put(ConsumerConfig.ENABLE_AUTO_COMMIT_CONFIG, "true"); // 自动提交时间 properties.put(ConsumerConfig.AUTO_COMMIT_INTERVAL_MS_CONFIG, "1000"); properties.put(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); properties.put(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); KafkaConsumer
手动提交offset
虽然自动提交offset十分简介便利,但由于其是基于时间提交的,开发人员难以把握offset提交的时机。因此Kafka还提供了手动提交offset的API。
手动提交offset的方法有两种:分别是commitSync(同步提交)和commitAsync(异步提交)。两者的相同点是,都会将本次poll的一批数据最高的偏移量提交;不同点是,commitSync阻塞当前线程,一直到提交成功,并且会自动失败重试(由不可控因素导致,也会出现提交失败);而commitAsync则没有失败重试机制,故有可能提交失败。
由于同步提交offset有失败重试机制,故更加可靠
// 同步提交public static void main(String[] args) { Properties properties = new Properties(); properties.put(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "bigdata100:9092"); properties.put(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, "czs"); // 关闭自动提交 properties.put(ConsumerConfig.ENABLE_AUTO_COMMIT_CONFIG, "false"); properties.put(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); properties.put(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); KafkaConsumer
虽然同步提交offset更可靠一些,但是由于其会阻塞当前线程,直到提交成功。因此吞吐量会收到很大的影响。因此更多的情况下,会选用异步提交offset的方式
// 异步提交public static void main(String[] args) { Properties properties = new Properties(); properties.put(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "bigdata100:9092"); properties.put(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, "czs"); properties.put(ConsumerConfig.ENABLE_AUTO_COMMIT_CONFIG, "true"); properties.put(ConsumerConfig.AUTO_COMMIT_INTERVAL_MS_CONFIG, "1000"); properties.put(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); properties.put(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); KafkaConsumer
自定义offset
Kafka 0.9版本之前,offset存储在zookeeper,0.9版本及之后,默认将offset存储在Kafka的一个内置的topic中。除此之外,Kafka还可以选择自定义存储offset。
offset的维护是相当繁琐的,因为需要考虑到消费者的Rebalace。
当有新的消费者加入消费者组、已有的消费者推出消费者组或者所订阅的主题的分区发生变化,就会触发到分区的重新分配,重新分配的过程叫做Rebalance。
消费者发生Rebalance之后,每个消费者消费的分区就会发生变化。因此消费者要首先获取到自己被重新分配到的分区,并且定位到每个分区最近提交的offset位置继续消费。
要实现自定义存储offset,需要借助ConsumerRebalanceListener,其中提交和获取offset的方法,需要根据所选的offset存储系统自行实现
private static Map
自定义Interceptor
public class TimeInterceptor implements ProducerInterceptor
public class CounterInterceptor implements ProducerInterceptor
public static void main(String[] args) { Properties props = new Properties(); props.put("bootstrap.servers", "bigdata100:9092"); props.put("acks", "all"); props.put("retries", 3); props.put("batch.size", 16384); props.put("linger.ms", 1); props.put("buffer.memory", 33554432); props.put("key.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer"); props.put("value.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer"); // 拦截器 ArrayList
使用kafka-eagle监控kafka,下载地址Download - EFAK (kafka-eagle.org)
准备环境
修改kafka目录下的conf中的kafka-server-start.sh,修改之后在启动Kafka之前要分发之其他节点
if [ "x$KAFKA_HEAP_OPTS" = "x" ]; then export KAFKA_HEAP_OPTS="-server -Xms2G -Xmx2G -XX:PermSize=128m -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200 -XX:ParallelGCThreads=8 -XX:ConcGCThreads=5 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=70" export JMX_PORT="9999"sh #export KAFKA_HEAP_OPTS="-Xmx1G -Xms1G"fi
解压官网下载的kafka-eagle里面的kafka-eagle-web
tar -zxvf kafka-eagle-web-xxx -C /opt/module/
给启动文件执行权限,在kafka-eagle-web的bin目录下
chmod 777 ke.sh
修改配置文件,在kafka-eagle-web的conf目录下的system-config.properties
####################################### multi zookeeper&kafka cluster list######################################kafka.eagle.zk.cluster.alias=cluster1cluster1.zk.list=hadoop102:2181,hadoop103:2181,hadoop104:2181####################################### kafka offset storage######################################cluster1.kafka.eagle.offset.storage=kafka####################################### enable kafka metrics######################################kafka.eagle.metrics.charts=truekafka.eagle.sql.fix.error=false####################################### kafka jdbc driver address######################################kafka.eagle.driver=com.mysql.cj.jdbc.Driverkafka.eagle.url=jdbc:mysql://bigdata100:3306/ke?useUnicode=true&characterEncoding=UTF-8&zeroDateTimeBehavior=convertToNullkafka.eagle.username=rootkafka.eagle.password=root
添加环境变量,source /etc/profile
export KE_HOME=/opt/module/eagleexport PATH=$PATH:$KE_HOME/bin
启动eagle
bin/ke.sh start