消息队列的特性

卡夫卡(Kafka)作为消息队列的一种，拥有异步、削峰、解耦三种特性，并依靠这些特性，他经常在搜索、直播、订单和支付服务。

  • **异步：**不同于同步通信的需要等待接收方响应，异步通信的发送方在发送消息到消息队列后，不等待接收方响应，而是继续进行其他操作。接收方仅需要从消息队列中拉取消息即可。 异步操作减少了流程长度，提高消息的吞吐量和效率。
  • **削峰：**对于突发的消息高峰，消息队列起到了存储请求的作用，使后台能以稳定的速率处理消息，从而减少了服务器的高峰负担，提高系统的稳定性。
  • 解耦：解耦合即降低各个组件之间的依赖。使用消息队列，发送者和接收者各种把自己的消息发送给消息队列，从而实现解耦，方便各自开发部署，避免一方接口发生错误而影响多方，实现错误隔离。

卡夫卡的基本概念

  • **逻辑队列(Topic)：**可以建立不同的逻辑队列，存储于物理集群中。
  • **物理集群(Cluster)：**可建立多个逻辑队列。
  • **生产者(Producer)：**发送消息到逻辑队列。
  • **消费者(Consumer)&消费者组(Consumer Group)：**消费逻辑队列内的消息，各个消费者组互不干扰。
  • **Offset：**记录消息在有序序列Partition中的相对位置，每个Topic可分为多个Partition。Offset是消息的唯一ID，并在序列中严格递增。搜索Offset采用二分查找找到小于目标Offset的最大索引位置（时间戳索引类似）。
  • **Replica：**相当于副本，保证集群中节点上的 Partition 数据不因故障丢失。每个Partition有一个Replica-Leader，用于写入，同时拥有多个Follower用于记录Leader。如果Follower数据与Leader差距过大则踢出ISR。Replica又以log日志文件存储。

卡夫卡的消费模式

卡夫卡消息队列有两种最常见的消费模式。

**一对一：**生产者将消息发送到消息队列后，由消费者从队列中拉取并消费，然后信息会被删除。

one to one

一对多：即发布-订阅模式。生产者将消息发送到逻辑队列(Topic)（逻辑队列存储在Cluster物理集群中），可以被多个消费者订阅，从而实现每个消费者独立从该主题中拉取消息，值得注意的是该模式下消息并不会在消费后立刻删除，而是会在删除前保留一段时间。

one to more

然而在实际业务中，这两种消费模式并不能覆盖所有常业务场景，因此也会衍生出如竞争消费和优先级消费等高级模式。

卡夫卡消息分配

  • **手动分配：**通过手动分配完成哪个consumer消费哪个Partition。缺点是当Consumer节点故障后，Partition数据流受影响；当出现新的Consumer，需要重新分配Partition。
  • **Rebalance：**通过设立Coordinator，自动识别故障的consumer节点或新增的consumer，实现自动分配。Consumer端应用程序在提交位移时，其实是向 Coordinator 所在的 Broker 提交位移。同样地，当 Consumer 应用启动时，也是向 Coordinator 所在的 Broker 发送各种请求，然后由 Coordinator 负责执行消费者组的注册、成员管理记录等元数据管理操作。

提高卡夫卡吞吐量和稳定性的方法

  1. **Producer：**批量发送（降低io次数）、数据压缩（降低带宽流量）。
  2. **Broker：**顺序写（提高吸入速度），消息索引，零拷贝。
  3. **Consumer：**Rebalance分配。

卡夫卡的缺点

  • **重启操作：**重启broker后，Leader切换。与此同时数据仍在写入，导致重启的broker和当前的Leader数据产生差异，需要重新追赶后才能回切（由于其他broker也有可能需要重启），导致需要大量时间。
  • **替换、扩容、缩容操作：**替换与重启操作类似，不过由于是重新写入，所以需要的时间更多。扩容和缩容都需要进行复制操作，因此也需要大量时间。
  • **负载不均衡问题：**为降低某个Partition的IO写入而进行迁移，但同时也会引入新的IO负载，陷入恶性循环，需要复杂的解决方案。

缺点总结：

  1. 卡夫卡运维成本高。
  2. 负载不均衡问题严重。
  3. 没有缓存，依赖页缓存Page Cache。
  4. Controller、Coordinator和Broker在同一进程中，IO性能下降。