Kafka学习(三) 主题、分区与副本

主题、分区与副本

基本概念

主题、分区和副本的关系

主题是一个逻辑概念，代表了一类消息，实际工作中我们使用主题来区分业务，而主题之下并不是消息，而是分区，分区是一个物理概念，它是磁盘上的一个目录，目录中是保存消息的日志段文件。分区的目的是为了提高吞吐量，实现主题的负载均衡，一个主题至少有一个分区；而故障转移这个功能就放在了副本上，一个分区至少有一个副本，一个分区的所有副本原则上其数据是一致的且分布在不同的broker上，这样其中某一个broker故障那么其他的broker可以继续提供针对该分区的数据读写。

主题的名称是用户自己设定，分区名称是主题名称-分区编号，其中分区编号从0开始而且用户不可能自己设置。副本数量由用户设置。前面说过分区是存放消息的物理文件，那么消息也会被分配一个序列号，该序列号从0开始单调递增。

副本的类型

上面我们知道副本的作用是防止数据丢失，那么当有多个副本的时候这些副本都提供服务么？在Kafka的机制里副本并不都对外提供服务，它分为两类：Leader和Follower。前者对外提供读写服务后者只被动的从Leader副本同步数据。所以通过这里我们就可以回答一个问题就是3台Kafka集群，所有服务器都是活跃的不存在主从之分，服务器是否对外提供读写服务完全取决于所持有的副本类型，如果是Leader则提供，如果是Follower则不提供。

Kafka会尽量保证所有副本不在同一台机器上，但是如果副本数量大于集群机器数量那么就无法保证了。

上面这个主题就是3个分区，每个分区有3个副本。横向来看就是

Partition：0 这个分区当前的Leader副本在Broker.id为0的机器上

Replicas：1,0,2 表示副本有3个，以及这些副本都在哪些broker上

Isr：1,0,2 表示该集合中的所有副本的数据都与Leader副本保持同步状态。意味着只要Isr中存在一个活着的副本那么生产者已提交的数据就不会丢失，如果Isr中的某些副本落后Leader副本那么该落后的副本就会被移出。

副本与ISR

我们知道副本就是备份，Kafka会尽量把分区的副本均衡的放在不同broker上，并从中挑选一个作为Leader副本来对外提供读写服务，那么其他的就是Follower副本，而这些Follower副本保持与Leader副本的数据同步。

为什么Kafka只能让Leader副本提供读写操作呢？因为这样可以实现所写即所得，都是从Leader副本读写，所以写入数据后，消费者就可以马上读取；另外就是单调读，尤其是在副本数量多的时候，不会出现某些副本有这个数据，某些副本没有。所以这就是只让Leader副本提供读写操作的好处。

假如当前的Leader副本所在主机宕机，那么Kafka集群就要从剩余的Follower副本中重新挑选一个副本作为新的Leader副本，那么显然不是所有的Follower副本都具有竞选资格，如果某些Follower副本数据落后太多那么它们则不能成为Leader副本。所以这就有了ISR的概念。

ISR就是Kafka动态维护的一组同步副本集合，每个主题的分区都有自己的ISR列表，ISR中的所有副本都与Leader保持同步状态，而且Leader副本也在ISR列表中，只有在ISR列表中的副本才有这个被选中为Leader。

不过这里有人可能会糊涂，broker的id是从0、1、2，这里的Isr也是0、1、2这三个数字，那么Replicas和Isr中的数字表示的是broker的id呢还是分区的编号。下面我们修改一下集群中的broker的id，不过这种操作在线上可不建议使用。我们要把log.dirs目录中的数据删除，然后修改配置文件，然后再启动。

我们这里建立一个新的主题叫做TestBBB

可以看到无论是Replicas还是Isr显示的都是broker的id，而不是分区编号。下面我们说一下ISR是怎么同步的呢？

起始位移：表示副本中第一条消息的位置

高水位标记：表示副本最新一条被提交的消息的位置，这个值决定了客户端可以读取到的消息最大范围，超过高水位标记的消息【5、6】属于未提交消息，客户端读取不到。

日志末端位移：表示下一条待写入消息的位移，也就是说LEO指向的位置是没有消息的。当写入一条消息LEO会加1.

以上三个位移无论是在Leader副本还是Follower副本都具有。而分区的HW值就是Leader副本的HW值。并且Leader副本所在的broker上还保存了Follower副本的HW和LEO水位值。

何时更新LEO值

从上图看到Leader副本所在broker上保存了所有Follower副本的HW和LEO值，同时Follower副本所在broker也保存了自己的HW和LEO。

生产者向Leader副本写入数据，那么Leader的LEO值就会增加；Follower向Leader拉取数据并写入自己的日志文件时Follower的LEO也会增加。

在Leader的broker上保存的Follower副本的LEO值是在Leader收到Follower的拉取数据请求之后和真正发送数据给Follower之前进行更新的，而且来拉取的时候Follower会发送自己的HW值，Leader上保存的Follower副本的LEO值就是Follower拉取数据时发送过来的自己的HW值。

何时更新HW值

Follower收到数据然后就要写入日志，之后就要更新自己的LEO值，更新完成后再去更新自己的HW值，原则就是Leader发送过来的数据中包含Leader自己的HW，所以Follower在更新完自己的LEO之后尝试更新自己的HW的时候会比较Leader的HW和自己的LEO哪个最小，它取最小值来设置自己的HW值。

Leader更新自己的HW发生在：

• 生产者写入新的消息，Leader更新了自己的LEO后尝试更新自己的HW

• Leader从日志中读取了数据并发送给Follower之后尝试更新自己的HW

上面都是尝试更新，而不是一定更新，因为更新原则是取Leader副本的LEO和它所保存的所有Follower副本的LEO的最小值为Leader副本的HW值。比如在初始状态（LEO为0、HW为0，保存的Follower的LEO也为0）下如果写入一条消息虽然Leader更新了自己的LEO为1，而此时保存的的Follower的LEO为0，取最小值就是0，所以HW也是0，故不需要更新。

上述机制由于有时间差问题导致Follower需要进行两轮拉取才能完成HW的更新，所以会出现数据丢失情况，所以在0.11版本中引入了Leader Epoch机制来解决。

如何判定不同步

这里就有一个问题，如何被认定ISR中的副本落后Leader太久呢也就是判断不同步的标准是什么？0.9版本之前是按照消息个数来做的，0.9之后是时间，默认是10秒，如果一个Follower副本落后Leader的时间持续超过10秒则该Follower被认为不是同步的。

主题和分区的日常管理

创建主题

kafka-topics.sh --bootstrap-server 172.16.100.10:9092 --create --topic TestCCC --partitions 3 --replication-factor 3

列出所有主题

kafka-topics.sh --list --bootstrap-server 172.16.100.10:9092

查看主题详情

kafka-topics.sh --describe --bootstrap-server 172.16.100.10:9092 --topic TestCCC

删除主题

kafka-topics.sh --delete --bootstrap-server 172.16.100.10:9092 --topic TestCCC

这只是标记主题为删除，因为它是一个异步操作，如果发现某些时候删除了主题但是其ZK中的节点包括磁盘数据还都在，你可以手动清理一下：

• 删除ZK中/admin/delete_topics下的需要删除的主题名称

• 手动删除磁盘上的该主题分区目录

• 在ZK中执行 rmr /controller 来触发Controller的重新选举，这一步要慎重因为它会造成大规模Leader重新选举，不过只执行前两步也行，只是Controller中的缓存没有更新而已。

修改主题的分区数量

kafka-topics.sh --bootstrap-server 172.16.100.10:9092 --alter --topic TestCCC --partitions 4

只支持增加分区数量，不支持减少。

说明：这里你可能发现命令中使用的都是 --bootstrap-server而不是之前的--zookeeper参数，因为使用--bootstrap-server是目前操作kafka的标准方式，而且也会经过kafka的安全体系。

这只是标记主题为删除，因为它是一个异步操作，如果发现某些时候删除了主题但是其ZK中的节点包括磁盘数据还都在，你可以手动清理一下：

• 删除ZK中/admin/delete_topics下的需要删除的主题名称

• 手动删除磁盘上的该主题分区目录

• 在ZK中执行 rmr /controller 来触发Controller的重新选举，这一步要慎重因为它会造成大规模Leader重新选举，不过只执行前两步也行，只是Controller中的缓存没有更新而已。

修改主题的分区数量

kafka-topics.sh --bootstrap-server 172.16.100.10:9092 --alter --topic TestCCC --partitions 4

只支持增加分区数量，不支持减少。

说明：这里你可能发现命令中使用的都是 --bootstrap-server而不是之前的--zookeeper参数，因为使用--bootstrap-server是目前操作kafka的标准方式，而且也会经过kafka的安全体系。