Kafka 3.x.x 入门到精通（02）——对标尚硅谷Kafka教程

本文档参看的视频是：

• 尚硅谷Kafka教程，2024新版kafka视频，零基础入门到实战
  
• 黑马程序员Kafka视频教程，大数据企业级消息队列kafka入门到精通
  
• 小朋友也可以懂的Kafka入门教程，还不快来学
  

本文档参看的文档是：

• 尚硅谷官方文档，并在基础上修改 完善！非常感谢尚硅谷团队！！！！
  

参考：

• https://mp.weixin.qq.com/s/uI2zkf74KXsWaCOplX1Ing
  
• https://mp.weixin.qq.com/s/oxb2Ezn4K2jMPzubqFULuw
  
• https://mp.weixin.qq.com/s/tTKXb6On5bfJGjcvn9IpbA
  
• https://mp.weixin.qq.com/s/CCAP8n0mTCrUT-NzOAacCg
  
• https://blog.csdn.net/qq_43745578/article/details/135931980
  

在这之前大家可以看我以下几篇文章，循序渐进：
❤️Kafka 3.x.x 入门到精通（01）——对标尚硅谷Kafka教程

2. Kafka基础

Kafka借鉴了JMS规范的头脑，但是却并没有完全遵循JMS规范，因此从设计原理上，Kafka的内部也会有许多用于数据传输的组件对象，这些组件对象之间会形成关联，组合在一起实现高效的数据传输。所以接下来，我们就按照数据流转的过程详细讲一讲Kafka中的基础概念以及核心组件。

   大量的生产者，大量的消耗者，可能对于单一的Kafka造成 吞吐量过大，IO热点题目，那么单一的Kafka就有可能作为整个系统的性能瓶颈，降低可用性和稳固性，而且假如Down掉了，那就不是一个好的系统方案。
  有效策略：

• 为了数据可靠性，可以将数据文件进行备份，但是Kafka没有备份的概念
  
• Kafka中称之为副本，多个副本同时只能有一个提供数据的读写操作
  
• 具有读写本领的副本称之为Leader副本，作为备份的副本称之为Follower副本
  

假如管理者出现了题目，有2种解决方案：

• 给管理者增长备份
  
  
  
  
• 任何一个节点都可以做备份
  
  
  
  

那都是Standby，假如我的master down掉了，如何确定哪一个上位
谁来控制选举呢？ZooKeeper！！！
SO！！！！

2.1 集群部署

生产环境都是采用linux系统搭建服务器集群，但是我们的重点是在于学习kafka的基础概念和核心组件，所以这里我们搭建一个简单易用的windows集群方便大家的学习和练习。Linux集群的搭建会在第3章给大家进行讲解。
2.1.1 解压文件

(1) 在磁盘根目录创建文件夹cluster，文件夹名称不要太长

(2) 将kafka安装包kafka-3.6.1-src.tgz解压缩到kafka文件夹

2.1.2 安装ZooKeeper

(1) 修改文件夹名为kafka-zookeeper
因为kafka内置了ZooKeeper软件，所以此处将解压缩的文件作为ZooKeeper软件使用。

(2) 修改config/zookeeper.properties文件

1. # Licensed to the Apache Software Foundation (ASF) under one or more
2. # contributor license agreements.  See the NOTICE file distributed with
3. # this work for additional information regarding copyright ownership.
4. # The ASF licenses this file to You under the Apache License, Version 2.0
5. # (the "License"); you may not use this file except in compliance with
6. # the License.  You may obtain a copy of the License at
7. #
8. #    http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
9. #
10. # Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
11. # distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
12. # WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
13. # See the License for the specific language governing permissions and
14. # limitations under the License.
15. # the directory where the snapshot is stored.
16. # 此处注意，如果文件目录不存在，会自动创建
17. dataDir=E:/cluster/kafka-zookeeper/data
18. # the port at which the clients will connect
19. # ZooKeeper默认端口为2181
20. clientPort=2181
21. # disable the per-ip limit on the number of connections since this is a non-production config
22. maxClientCnxns=0
23. # Disable the adminserver by default to avoid port conflicts.
24. # Set the port to something non-conflicting if choosing to enable this
25. admin.enableServer=false
26. # admin.serverPort=8080

复制代码

2.1.3 安装Kafka

(1) 将上面解压缩的文件复制一份，改名为kafka-node-1

(2) 修改config/server.properties设置文件

1. broker.id=1
3. ############################# Socket Server Settings #############################
4. # 监听器 9091为本地端口，如果冲突，请重新指定
5. listeners=PLAINTEXT://:9091
7. num.network.threads=3
9. num.io.threads=8
11. # The send buffer (SO_SNDBUF) used by the socket server
12. socket.send.buffer.bytes=102400
14. # The receive buffer (SO_RCVBUF) used by the socket server
15. socket.receive.buffer.bytes=102400
17. # The maximum size of a request that the socket server will accept (protection against OOM)
18. socket.request.max.bytes=104857600
21. ############################# Log Basics #############################
22. log.dirs=E:/cluster/kafka-node-1/data
23. num.partitions=1
24. num.recovery.threads.per.data.dir=1
26. ############################# Internal Topic Settings  #############################
27. offsets.topic.replication.factor=1
28. transaction.state.log.replication.factor=1
29. transaction.state.log.min.isr=1
31. ############################# Log Flush Policy #############################
32. log.retention.hours=168
35. log.segment.bytes=190
36. log.flush.interval.messages=2
37. log.index.interval.bytes=17
39. # The interval at which log segments are checked to see if they can be deleted according
40. # to the retention policies
41. log.retention.check.interval.ms=300000
42. # ZooKeeper软件连接地址，2181为默认的ZK端口号 /kafka 为ZK的管理节点
43. zookeeper.connect=localhost:2181/kafka
44. # Timeout in ms for connecting to zookeeper
45. zookeeper.connection.timeout.ms=18000
46. ############################# Group Coordinator Settings #############################
47. group.initial.rebalance.delay.ms=0

复制代码

(3) 将kafka-node-1文件夹复制两份，改名为kafka-node-2，kafka-node-3

(4) 分别修改kafka-node-2，kafka-node-3文件夹中的设置文件server.properties

• 将文件内容中的broker.id=1分别改为broker.id=2，broker.id=3
  
• 将文件内容中的9091分别改为9092，9093（假如端口冲突，请重新设置）
  
• 将文件内容中的kafka-node-1分别改为kafka-node-2，kafka-node-3
  

2.1.4 封装启动脚本

因为Kafka启动前，必须先启动ZooKeeper，并且Kafka集群中有多个节点必要启动，所以启动过程比力繁琐，这里我们将启动的指令进行封装。
(1) 在kafka-zookeeper文件夹下创建zk.cmd批处理文件

(2) 在zk.cmd文件中添加内容

1. # 添加启动命令
2. call bin/windows/zookeeper-server-start.bat config/zookeeper.properties

复制代码

(3) 在kafka-node-1，kafka-node-2，kafka-node-3文件夹下分别创建kfk.cmd批处理文件

(4) 在kfk.bat文件中添加内容

1. # 添加启动命令
2. call bin/windows/kafka-server-start.bat config/server.properties

复制代码

(5) 在cluster文件夹下创建cluster.cmd批处理文件，用于启动kafka集群

(6) 在cluster.cmd文件中添加内容

1. cd kafka-zookeeper
2. start zk.cmd
3. ping 127.0.0.1 -n 10 >nul
4. cd ../kafka-broker-1
5. start kfk.cmd
6. cd ../kafka-broker-2
7. start kfk.cmd
8. cd ../kafka-broker-3
9. start kfk.cmd

复制代码

(7) 在cluster文件夹下创建cluster-clear.cmd批处理文件，用于清理和重置kafka数据

(8) 在cluster-clear.cmd文件中添加内容

1. cd kafka-zookeeper
2. rd /s /q data
3. cd ../kafka-broker-1
4. rd /s /q data
5. cd ../kafka-broker-2
6. rd /s /q data
7. cd ../kafka-broker-3
8. rd /s /q data

复制代码

(9) 双击实行cluster.cmd文件，启动Kafka集群
集群启动命令后，会打开多个黑窗口，每一个窗口都是一个kafka服务，请不要关闭，一旦关闭，对应的kafka服务就停止了。假如启动过程报错，主要是因为zookeeper和kafka的同步题目，请先实行cluster-clear.cmd文件，再实行cluster.cmd文件即可。

2.2 集群启动

2.2.1 相关概念

2.2.1.1 署理：Broker

使用Kafka前，我们都会启动Kafka服务历程，这里的Kafka服务历程我们一样平常会称之为Kafka Broker或Kafka Server。因为Kafka是分布式消息系统，所以在实际的生产环境中，是必要多个服务历程形成集群提供消息服务的。所以每一个服务节点都是一个broker，而且在Kafka集群中，为了区分不同的服务节点，每一个broker都应该有一个不重复的全局ID，称之为broker.id，这个ID可以在kafka软件的设置文件server.properties中进行设置

1. ############################# Server Basics #############################
2. # The id of the broker. This must be set to a unique integer for each broker
3. # 集群ID
4. broker.id=0

复制代码

咱们的Kafka集群中每一个节点都有自己的ID，整数且唯一。
主机kafka-broker1kafka-broker2kafka-broker3broker.id123 2.2.1.2 控制器：Controller

Kafka是分布式消息传输系统，所以存在多个Broker服务节点，但是它的软件架构采用的是分布式系统中比力常见的主从（Master - Slave）架构，也就是说必要从多个Broker中找到一个用于管理整个Kafka集群的Master节点，这个节点，我们就称之为Controller。它是Apache Kafka的核心组件非常重要。它的主要作用是在Apache Zookeeper的资助下管理和和谐控制整个Kafka集群。

假如在运行过程中，Controller节点出现了故障，那么Kafka会依托于ZooKeeper软件选举其他的节点作为新的Controller，让Kafka集群实现高可用。

Kafka集群中Controller的基本功能：

• Broker管理
  
  
  
  • 监听 /brokers/ids节点相关的变化：
    
    
    
    • Broker数目增长或减少的变化
      
    • Broker对应的数据变化
      
    
    
  
  
• Topic管理
  
  
  
  • 新增：监听 /brokers/topics节点相关的变化
    
  • 修改：监听 /brokers/topics节点相关的变化
    
  • 删除：监听 /admin/delete_topics节点相关的变化
    
  
  
• Partation管理
  
  
  
  • 监听 /admin/reassign_partitions节点相关的变化
    
  • 监听 /isr_change_notification节点相关的变化
    
  • 监听 /preferred_replica_election节点相关的变化
    
  
  
• 数据服务
  
• 启动分区状态机和副本状态机
  

ZooKeeper工具：

ZooKeeper客户端

2.2.2 启动ZooKeeper

Kafka集群中含有多个服务节点，而分布式系统中经典的主从（Master - Slave）架构就要求从多个服务节点中找一个节点作为集群管理Master，Kafka集群中的这个Master，我们称之为集群控制器Controller

假如此时Controller节点出现故障，它就不能再管理集群功能，那么其他的Slave节点该如何是好呢？

假如从剩余的2个Slave节点中选一个节点出来作为新的集群控制器是不是一个不错的方案，我们将这个选择的过程称之为：选举（elect）。方案是不错，但是题目就在于选哪一个Slave节点呢？不同的软件实现类似的选举功能都会有一些选举算法，而Kafka是依赖于ZooKeeper软件实现Broker节点选举功能。

ZooKeeper如何实现Kafka的节点选举呢？这就要说到我们用到ZooKeeper的3个功能：

• 一个是在ZooKeeper软件中创建节点Node，创建一个Node时，我们会设定这个节点是长期化创建，还是临时创建。所谓的长期化创建，就是Node一旦创建后会不绝存在，而临时创建，是根据当前的客户端连接创建的临时节点Node，一旦客户端连接断开，那么这个临时节点Node也会被主动删除，所以这样的节点称之为临时节点。
  
• 
  
  
  
  
  
• ZooKeeper节点是不允许有重复的，所以多个客户端创建同一个节点，只能有一个创建乐成。
  
• 别的一个是客户端可以在ZooKeeper的节点上增长监听器，用于监听节点的状态变化，一旦监听的节点状态发生变化，那么监听器就会触发相应，实现特定监听功能。
  
• 
  
  

有了上面的三个知识点，我们这里就介绍一下Kafka是如何使用ZooKeeper实现Controller节点的选举的：

• 第一次启动Kafka集群时，会同时启动多个Broker节点，每一个Broker节点就会连接ZooKeeper，并尝试创建一个临时节点 /controller
  
• 因为ZooKeeper中一个节点不允许重复创建，所以多个Broker节点，终极只能有一个Broker节点可以创建乐成，那么这个创建乐成的Broker节点就会主动作为Kafka集群控制器节点，用于管理整个Kafka集群。
  
• 没有选举乐成的其他Slave节点会创建Node监听器，用于监听 /controller节点的状态变化。
  
• 一旦Controller节点出现故障或挂掉了，那么对应的ZooKeeper客户端连接就会停止。ZooKeeper中的 /controller 节点就会主动被删除，而其他的那些Slave节点因为增长了监听器，所以当监听到 /controller 节点被删除后，就会马上向ZooKeeper发出创建 /controller 节点的请求，一旦创建乐成，那么该Broker就变成了新的Controller节点了。
  

   如今我们能明白启动Kafka集群之前，为什么要先启动ZooKeeper集群了吧。就是因为ZooKeeper可以协助Kafka进行集群管理。
  

2.2.3 启动Kafka

ZooKeeper已经启动好了，那我们如今可以启动多个Kafka Broker节点构建Kafka集群了。构建的过程中，每一个Broker节点就是一个Java历程，而在这个历程中，有许多必要提前预备好，并进行初始化的内部组件对象。
2.2.3.1初始化ZooKeeper

Kafka Broker启动时，首先会先创建ZooKeeper客户端（KafkaZkClient），用于和ZooKeeper进行交互。客户端对象创建完成后，会通过该客户端对象向ZooKeeper发送创建Node的请求，留意，这里创建的Node都是长期化Node。

节点类型说明/admin/delete_topics长期化节点设置必要删除的topic，因为删除过程中，可能broker下线，或实行失败，那么就必要在broker重新上线后，根据当前节点继续删除操作，一旦topic所有的分区数据全部删除，那么当前节点的数据才会进行清理/brokers/ids长期化节点服务节点ID标识，只要broker启动，那么就会在当前节点中增长子节点，brokerID不能重复/brokers/topics长期化节点服务节点中的主题详细信息，包罗分区，副本/brokers/seqid长期化节点seqid主要用于主动生产brokerId/config/changes长期化节点kafka的元数据发生变化时,会向该节点下创建子节点。并写入对应信息/config/clients长期化节点客户端设置，默认为空/config/brokers长期化节点服务节点相关设置，默认为空/config/ips长期化节点IP设置，默认为空/config/topics长期化节点主题设置，默认为空/config/users长期化节点用户设置，默认为空/consumers长期化节点消耗者节点，用于记录消耗者相关信息/isr_change_notification长期化节点ISR列表发生变更时候的通知，在kafka当中由于存在ISR列表变更的情况发生,为了保证ISR列表更新的及时性，界说了isr_change_notification这个节点，主要用于通知Controller来及时将ISR列表进行变更。/latest_producer_id_block长期化节点保存PID块，主要用于能够保证生产者的恣意写入请求都能够得到相应。/log_dir_event_notification长期化节点主要用于保存当broker当中某些数据路径出现非常时候,比方磁盘损坏,文件读写失败等非常时候,向ZooKeeper当中增长一个通知序号，Controller节点监听到这个节点的变化之后，就会做出对应的处理操作/cluster/id长期化节点主要用于保存kafka集群的唯一id信息，每个kafka集群都会给分配要给唯一id，以及对应的版本号

第一个Broker启动的流程

第二个Broker启动的流程

第三个Broker启动的流程

controller节点删除

2.2.3.2初始化服务

Kafka Broker中有许多的服务对象，用于实现内部管理和外部通信操作。

2.2.3.2.1 启动使命调度器

每一个Broker在启动时都会创建内部调度器（KafkaScheduler）并启动，用于完成节点内部的工作使命。底层就是Java中的定时使命线程池ScheduledThreadPoolExecutor
2.2.3.2.2 创建数据管理器

每一个Broker在启动时都会创建数据管理器（LogManager），用于吸取到消息后，完成后续的数据创建，查询，清理等处理。
2.2.3.2.3 创建远程数据管理器

每一个Broker在启动时都会创建远程数据管理器（RemoteLogManager），用于和其他Broker节点进行数据状态同步。
2.2.3.2.4 创建副本管理器

每一个Broker在启动时都会创建副本管理器（ReplicaManager），用于对主题的副本进行处理。
2.2.3.2.5 创建ZK元数据缓存

每一个Broker在启动时会将ZK的关于Kafka的元数据进行缓存，创建元数据对象（ZkMetadataCache）
2.2.3.2.6 创建Broker通信对象

每一个Broker在启动时会创建Broker之间的通道管理器对象（BrokerToControllerChannelManager），用于管理Broker和Controller之间的通信。
2.2.3.2.7 创建网络通信对象

每一个Broker在启动时会创建自己的网络通信对象（SocketServer），用于和其他Broker之间的进行通信，其中包含了Java用于NIO通信的Channel、Selector对象。

2.2.3.2.8 注册Broker节点

Broker启动时，会通过ZK客户端对象向ZK注册当前的Broker 节点ID，注册后创捷的ZK节点为临时节点。假如当前Broker的ZK客户端断开和ZK的连接，注册的节点会被删除。

2.2.3.3 启动控制器

控制器（KafkaController）是每一个Broker启动时都会创建的核心对象，用于和ZK之间建立连接并申请自己为整个Kafka集群的Master管理者。假如申请乐成，那么会完成管理者的初始化操作，并建立和其他Broker之间的数据通道吸取各种变乱，进行封装后交给变乱管理器，并界说了process方法，用于真正处理各类变乱。

2.2.3.3.1 初始化通道管理器

创建通道管理器（ControllerChannelManager），该管理器维护了Controller和集群所有Broker节点之间的网络连接，并向Broker发送控制类请求及吸取相应。
2.2.3.3.2 初始化变乱管理器

创建变乱管理器（ControllerEventManager）维护了Controller和集群所有Broker节点之间的网络连接，并向Broker发送控制类请求及吸取相应。
2.2.3.3.3 初始化状态管理器

创建状态管理器（ControllerChangeHandler）可以监听 /controller 节点的操作，一旦节点创建（ControllerChange），删除（Reelect），数据发生变化（ControllerChange），那么监听后实行相应的处理。
2.2.3.3.4 启动控制器

控制器对象启动后，会向变乱管理器发送Startup变乱，变乱处理线程吸取到变乱后会通过ZK客户端向ZK申请 /controller 节点，申请乐成后，实行当前节点成为Controller的一些列操作。主要是注册各类 ZooKeeper 监听器、删除日记路径变更和 ISR 副本变更通知变乱、启动 Controller 通道管理器，以及启动副本状态机和分区状态机。
2.2.4 反正到这 我是懵啦~

   我这边阅读了其他人的博客 感谢这位大佬！！！ ┭┮﹏┭┮
  

• Kafka服务实例，负责消息的长期化、中转等功能。一个独立的Kafka 服务器被就是一个broker。
  
• broker 是集群的组成部门。每个集群都有一个broker 同时充当了集群控制器Controller的脚色。
  
• kafka使用Zookeeper（ZK）进行元数据管理，保存broker注册信息，包罗主题（Topic）、分区（Partition）信息等，选择分区leader，在低版本kafka消耗者的offset信息也会保存在ZK中。
  

   简简单单的三句话：大抵总结了好多东西~
  在每一个Broker在启动时都会向ZK注册信息，ZK会选取一个最早注册的Broker作为Controller，后面Controller会与ZK进行数据交互获取元数据（即整个Kafka集群的信息，比方有那些Broker,每个Broker中有那些Partition等信息），并负责管理工作，包罗将分区分配给broker 和监控broker，其他Broker是与Controller进行交互进而感知到整个集群的所有信息。
2.2.4.1 Broker总体工作流程

流程如下：

• broker 启动后，向 ZK 集群进行注册
  
• 各个 broker 的 controller 抢占 ZNode
  
• 抢占到的 Controller 监听 brokers 节点的变化
  
• Controller 决定 Leader 的选举规则：在 isr 中存活的 broker，按照 AR 中排在前面的优先
  
• Controller 将节点信息上传到 ZK
  
• 其他 controller 从 ZK 同步相关信息
  
• 假设此时 broker1 中的 Leader 挂了
  
• Controller 监听到了节点变化
  
• 从 ZK 中获取 ISR
  
• 选举出新的 Leader
  
• 向 ZK 更新 Leader 和 ISR
  

2.2.4.2 为什么必要Controller

   在Kafka早期版本，对于分区和副本的状态的管理依赖于zookeeper的Watcher和队列：每一个broker都会在zookeeper注册Watcher，所以zookeeper就会出现大量的Watcher, 假如宕机的broker上的partition许多比力多，会造成多个Watcher触发，造成集群内大规模调整；每一个replica都要去再次zookeeper上注册监视器，当集群规模很大的时候，zookeeper负担很重。这种设计很容易出现脑裂和羊群效应以及zookeeper集群过载。
  新的版本中该变了这种设计，使用KafkaController，只有KafkaController，Leader会向zookeeper上注册Watcher，其他broker险些不消监听zookeeper的状态变化。
Kafka集群中多个broker，有一个会被选举为controller leader，负责管理整个集群中分区和副本的状态，好比partition的leader 副本故障，由controller 负责为该partition重新选举新的leader 副本；当检测到ISR列表发生变化，有controller通知集群中所有broker更新其MetadataCache信息；大概增长某个topic分区的时候也会由controller管理分区的重新分配工作。

2.3 创建主题

   Topic主题是Kafka中消息的逻辑分类，但是这个分类不应该是固定的，而是应该由外部的业务场景进行界说（留意：Kafka中其实是有两个固定的，用于记录消耗者偏移量和事务处理的主题），所以Kafka提供了相应的指令和客户端进行主题操作。
  2.3.1 相关概念

2.3.1.1 主题：Topic

Kafka是分布式消息传输系统，采用的数据传输方式为发布，订阅模式，也就是说由消息的生产者发布消息，消耗者订阅消息后获取数据。
   为了对消耗者订阅的消息进行区分，所以对消息在逻辑上进行了分类，这个分类我们称之为主题：Topic。消息的生产者必须将消息数据发送到某一个主题，而消耗者必须从某一个主题中获取消息，并且消耗者可以同时消耗一个或多个主题的数据。Kafka集群中可以存放多个主题的消息数据。
为了防止主题的名称和监控指标的名称产生冲突，官方推荐主题的名称中不要同时包含下划线和点。

  

2.3.1.2 分区：Partition

Kafka消息传输采用发布、订阅模式，所以消息生产者必须将数据发送到一个主题，假如发送给这个主题的数据非常多，那么主题所在broker节点的负载和吞吐量就会受到极大的磨练，甚至有可能因为热点题目引起broker节点故障，导致服务不可用。一个好的方案就是将一个主题从物理上分成几块，然后将不同的数据块匀称地分配到不同的broker节点上，这样就可以缓解单节点的负载题目。这个主题的分块我们称之为：分区partition。默认情况下，topic主题创建时分区数目为1，也就是一块分区，可以指定参数–partitions改变。Kafka的分区解决了单一主题topic线性扩展的题目，也解决了负载均衡的题目。
topic主题的每个分区都会用一个编号进行标记，一样平常是从0开始的连续整数数字。Partition分区是物理上的概念，也就意味着会以数据文件的方式真实存在。每个topic包含一个或多个partition，每个partition都是一个有序的队列。partition中每条消息都会分配一个有序的ID，称之为偏移量：Offset

2.3.1.3 副本：Replication

分布式系统出现错误是比力常见的，只要保证集群内部依然存在可用的服务节点即可，当然效率会有所降低，不过只要能保证系统可用就可以了。咱们Kafka的topic也存在类似的题目，也就是说，假如一个topic分别了多个分区partition，那么这些分区就会匀称地分布在不同的broker节点上，一旦某一个broker节点出现了题目，那么在这个节点上的分区就会出现题目，那么Topic的数据就不完整了。所以一样平常情况下，为了防止出现数据丢失的情况，我们会给分区数据设定多个备份，这里的备份，我们称之为：副本Replication。
Kafka支持多副本，使得主题topic可以做到更多容错性，牺牲性能与空间去换取更高的可靠性。

留意：这里不能将多个备份放置在同一个broker中，因为一旦出现故障，多个副本就都不能用了，那么副本的意义就没有了。

2.3.1.4 副本类型：Leader & Follower

假设我们有一份文件，一样平常情况下，我们对副本的明白应该是有一个正式的完整文件，然后这个文件的备份，我们称之为副本。但是在Kafka中，不是这样的，所有的文件都称之为副本，只不过会选择其中的一个文件作为主文件，称之为：Leader(主导)副本，其他的文件作为备份文件，称之为：Follower（追随）副本。在Kafka中，这里的文件就是分区，每一个分区都可以存在1个或多个副本，只有Leader副本才气进行数据的读写，Follower副本只做备份使用。

但是 还是有点题目：
   还是容易出现IO热点题目：

更合理：

  Kafka！没办法站在上帝的视角分配，只能尽可能的做到负载均衡

2.3.1.5 日记：Log

Kafka最开始的应用场景就是日记场景或MQ场景，更多的扮演着一个日记传输和存储系统，这是Kafka立家之本。所以Kafka吸取到的消息数据终极都是存储在log日记文件中的，底层存储数据的文件的扩展名就是log。
主题创建后，会创建对应的分区数据Log日记。并打开文件连接通道，随时预备写入数据。

2.3.1（续） IDEA创建主题

1. package com.atguigu.kafka.test.admin;
3. import org.apache.kafka.clients.admin.Admin;
4. import org.apache.kafka.clients.admin.AdminClientConfig;
5. import org.apache.kafka.clients.admin.NewTopic;
7. import java.util.ArrayList;
8. import java.util.Arrays;
9. import java.util.Objects;
10. import java.util.Properties;
12. public class AdminTopicTest {
13.     public static void main(String[] args) {
14.         Properties properties = new Properties();
15.         properties.setProperty(AdminClientConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,"localhost:9092");
18.         // TODO 管理员对象
19.         Admin admin = Admin.create(properties);
20.         // TODO 创建主题需要三个参数
21.         // 主题名称
22.         String topicName = "test1";
23.         // 主题分区的数量
24.         int partitionCount  = 1;
25.         // 主题分区的副本的因子（数量）
26.         short replicationCount = 1;
27.         NewTopic topic1 = new NewTopic(topicName,partitionCount,replicationCount);
28.         // 主题名称
29.         String topicName1 = "test2";
30.         // 主题分区的数量
31.         int partitionCount1  = 2;
32.         // 主题分区的副本的因子（数量）
33.         short replicationCount1 = 2;
34.         NewTopic topic2 = new NewTopic(topicName1,partitionCount1,replicationCount1);
37.         // TODO 创建主题
38.         admin.createTopics(
39.                 Arrays.asList(topic1,topic2)
40.         );
41.         // TODO 关闭管理者对象
42.         admin.close();
43.     }
44. }

复制代码

   主题是逻辑上的分类，而分区才是文件夹条理上的区分
  

2.3.2 创建第一个主题

创建主题Topic的方式有许多种：命令行，工具，客户端API，主动创建。在server.properties文件中设置参数auto.create.topics.enable=true时，假如访问的主题不存在，那么Kafka就会主动创建主题，这个操作不在我们的讨论范围内。由于我们学习的重点在于学习原理和基础概念，所以这里我们选择比力基础的命令行方式即可。
我们首先创建的主题，仅仅指明主题的名称即可，其他参数临时无需设定。

2.3.2.1 实行指令

1. [atguigu@kafka-broker1 ~]$ cd /opt/module/kafka
2. [atguigu@kafka-broker1 kafka]$ bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server kafka-broker1:9092 --create --topic first-topic

复制代码

2.3.2.2 ZooKeeper节点变化

指令实行后，当前Kafka会增长一个主题，因为指令中没有设置分区和副本参数，所以当前主题分区数目为默认值1，编号为0，副本为1，编号为所在broker的ID值。为了方便集群的管理，创建topic时，会同时在ZK中增长子节点，记录主题相关设置信息：

• /config/topics节点中会增长first-topic节点。
  
  
  
  
• /brokers/topics节点中会增长first-topic节点以及相应的子节点。
  
  
  
  

节点节点类型数据名称数据值说明/topics/first-topic长期类型removing_replicas无partitions{“0”:[3]}分区设置topic_id随机字符串adding_replicas无version3/topics/first-topic/partitions长期类型主题分区节点，每个主题都应该设置分区，保存在该节点/topics/first-topic/partitions/0长期类型主题分区副本节点，因为当前主题只有一个分区，所以编号为0/topics/first-topic/partitions/0/state长期类型controller_epoch 7 主题分区副本状态节点leader3Leader副本所在的broker Idversion1leader_epoch0isr[3]副本同步列表，因为当前只有一个副本，所以副本中只有一个副本编号

2.3.2.3 数据存储位置

主题创建后，必要找到一个用于存储分区数据的位置，根据上面ZooKeeper存储的节点设置信息可以知道，当前主题的分区数目为1，副本数目为1，那么数据存储的位置就是副本所在的broker节点，从当前数据来看，数据存储在我们的第三台broker上。

1. [atguigu@kafka-broker3 ~]$ cd /opt/module/kafka/datas
2. [atguigu@kafka-broker3 datas]$ ll

复制代码

1. [atguigu@kafka-broker3 datas]$ cd first-topic-0
2. [atguigu@kafka-broker3 first-topic-0]$ ll

复制代码

路径中的00000000000000000000.log文件就是真正存储消息数据的文件，文件名称中的0表现当前文件的起始偏移量为0，index文件和timeindex文件都是数据索引文件，用于快速定位数据。只不过index文件采用偏移量的方式进行定位，而timeindex是采用时间戳的方式。

2.3.3 创建第二个主题

接下来我们创建第二个主题，不过创建时，我们必要设定分区参数 --partitions，参数值为3，表现创建3个分区
2.3.3.1 实行指令

1. [atguigu@kafka-broker1 ~]$ cd /opt/module/kafka
2. [atguigu@kafka-broker1 kafka]$ bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server kafka-broker1:9092 --create --topic second-topic --partitions 3

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2.3.3.2 ZooKeeper节点变化

指令实行后，当前Kafka会增长一个主题，因为指令中指定了分区数目（–partitions 3），所以当前主题分区数目为3，编号为[0、1、2]，副本为1，编号为所在broker的ID值。为了方便集群的管理，创建Topic时，会同时在ZK中增长子节点，记录主题相关设置信息：
 /config/topics节点中会增长second-topic节点。

 /brokers/topics节点中会增长second-topic节点以及相应的子节点。

2.3.3.3 数据存储位置

主题创建后，必要找到一个用于存储分区数据的位置，根据上面ZooKeeper存储的节点设置信息可以知道，当前主题的分区数目为3，副本数目为1，那么数据存储的位置就是每个分区Leader副本所在的broker节点。

1. [atguigu@kafka-broker1 ~]$ cd /opt/module/kafka/datas
2. [atguigu@kafka-broker1 datas]$ ll

复制代码

1. [atguigu@kafka-broker1 datas]$ cd second-topic-0
2. [atguigu@kafka-broker1 second-topic-0]$ ll

复制代码

1. [atguigu@kafka-broker2 ~]$ cd /opt/module/kafka/datas
2. [atguigu@kafka-broker2 datas]$ ll

复制代码

1. [atguigu@kafka-broker2 datas]$ cd second-topic-1
2. [atguigu@kafka-broker2 second-topic-1]$ ll

复制代码

1. [atguigu@kafka-broker3 ~]$ cd /opt/module/kafka/datas
2. [atguigu@kafka-broker3 datas]$ ll

复制代码

1. [atguigu@kafka-broker3 datas]$ cd second-topic-2
2. [atguigu@kafka-broker3 second-topic-2]$ ll

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2.3.4 创建第三个主题

接下来我们创建第三个主题，不过创建时，我们必要设定副本参数 --replication-factor，参数值为3，表现每个分区创建3个副本。
2.3.4.1 实行指令

1. [atguigu@kafka-broker1 ~]$ cd /opt/module/kafka
2. [atguigu@kafka-broker1 kafka]$ bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server kafka-broker1:9092 --create --topic third-topic --partitions 3 --replication-factor 3

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2.3.4.2 ZooKeeper节点变化

指令实行后，当前Kafka会增长一个主题，因为指令中指定了分区数目和副本数目（–replication-factor 3），所以当前主题分区数目为3，编号为[0、1、2]，副本为3，编号为[1、2、3]。为了方便集群的管理，创建Topic时，会同时在ZK中增长子节点，记录主题相关设置信息：
 /config/topics节点中会增长third-topic节点。

 /brokers/topics节点中会增长third-topic节点以及相应的子节点。

2.3.4.3 数据存储位置

主题创建后，必要找到一个用于存储分区数据的位置，根据上面ZooKeeper存储的节点设置信息可以知道，当前主题的分区数目为3，副本数目为3，那么数据存储的位置就是每个分区副本所在的broker节点。

1. [atguigu@kafka-broker1 ~]$ cd /opt/module/kafka/datas
2. [atguigu@kafka-broker1 datas]$ ll

复制代码

1. [atguigu@kafka-broker1 datas]$ cd third-topic-2
2. [atguigu@kafka-broker1 third-topic-2]$ ll

复制代码

1. [atguigu@kafka-broker2 ~]$ cd /opt/module/kafka/datas
2. [atguigu@kafka-broker2 datas]$ ll

复制代码

1. [atguigu@kafka-broker2 datas]$ cd third-topic-0
2. [atguigu@kafka-broker2 third-topic-0]$ ll

复制代码

1. [atguigu@kafka-broker3 ~]$ cd /opt/module/kafka/datas
2. [atguigu@kafka-broker3 datas]$ ll

复制代码

1. [atguigu@kafka-broker3 datas]$ cd third-topic-1
2. [atguigu@kafka-broker3 third-topic-1]$ ll

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2.3.5 创建主题流程

Kafka中主题、分区以及副本的概念都和数据存储相关，所以是非常重要的。前面咱们演示了一下创建主题的详细操作和现象，那么接下来，我们就通过图解来相识一下Kafka是如何创建主题，并进行分区副本分配的。
2.3.5.1 命令行提交创建指令

• 通过命令行提交指令，指令中会包含操作类型（–create）、topic的名称（–topic）、主题分区数目（–partitions）、主题分区副本数目（–replication-facotr）、副本分配策略（–replica-assignment）等参数。
  
• 指令会提交到客户端进行处理，客户端获取指令后，会首先对指令参数进行校验。
  
  
  
  • a. 操作类型取值：create、list、alter、describe、delete，只能存在一个。
    
  • b. 分区数目为大于1的整数。
    
  • c. 主题是否已经存在
    
  • d. 分区副本数目大于1且小于Short.MaxValue，一样平常取值小于等于Broker数目。
    
  
  
• 将参数封装主题对象（NewTopic）。
  
• 创建通信对象，设定请求标记（CREATE_TOPICS），查找Controller，通过通信对象向Controller发起创建主题的网络请求。
  

2.3.5.2 Controller吸取创建主题请求

(1) Controller节点吸取到网络请求（Acceptor），并将请求数据封装成请求对象放置在队列（requestQueue）中。
(2) 请求控制器（KafkaRequestHandler）周期性从队列中获取请求对象（BaseRequest）。
(3) 将请求对象转发给请求处理器（KafkaApis），根据请求对象的类型调用创建主题的方法。

2.3.5.3 创建主题

(1) 请求处理器（KafkaApis）校验主题参数。

• 假如分区数目没有设置，那么会采用Kafka启动时加载的设置项：
  
  
  
  • num.partitions（默认值为1）
    
  
  
• 假如副本数目没有设置，那么会采用Kafka启动时纪录的设置项：
  
  
  
  • default.replication.factor（默认值为1）
    
  
  

(2) 在创建主题时，假如使用了replica-assignment参数，那么就按照指定的方案来进行分区副本的创建；假如没有指定replica-assignment参数，那么就按照Kafka内部逻辑来分配，内部逻辑按照机架信息分为两种策略：【未指定机架信息】和【指定机架信息】。当前课程中采用的是【未指定机架信息】副本分配策略：

• 分区起始索引设置0
  
• 轮询所有分区，计算每一个分区的所有副本位置：
  
  
  
  • 副本起始索引 = （分区编号 + 随机值） % BrokerID列表长度。
    
  • 其他副本索引 = 。。。随机值（基本算法为使用随机值实行多次模运算）
    
  
  

1. ##################################################################
2. # 假设
3. #     当前分区编号 : 0
4. #     BrokerID列表 :【1，2，3，4】
5. #     副本数量 : 4
6. #     随机值（BrokerID列表长度）: 2
7. #     副本分配间隔随机值（BrokerID列表长度）: 2
8. ##################################################################
9. # 第一个副本索引：
10. （分区编号 + 随机值）% BrokerID列表长度 =
11. （0 + 2）% 4 = 2
12. # 第一个副本所在BrokerID : 3
14. # 第二个副本索引
15. （第一个副本索引 + （1 +（副本分配间隔 + 0）% （BrokerID列表长度 - 1））） % BrokerID列表长度 =
16. （2 +（1+（2+0）%3））% 4 = 1
17. # 第二个副本所在BrokerID：2
19. # 第三个副本索引：（第一个副本索引 + （1 +（副本分配间隔 + 1）% （BrokerID列表长度 - 1））） % BrokerID列表长度 = （2 +（1+（2+1）%3））% 4 = 3
20. # 第三个副本所在BrokerID：4
22. # 第四个副本索引：（第一个副本索引 + （1 +（副本分配间隔 + 2）% （BrokerID列表长度 - 1））） % BrokerID列表长度 = （2 +（1+（2+2）%3））% 4 = 0
23. # 第四个副本所在BrokerID：1
25. # 最终分区0的副本所在的Broker节点列表为【3，2，4，1】
26. # 其他分区采用同样算法

复制代码

• 通过索引位置获取副本节点ID
  
• 保存分区以及对应的副本ID列表。
  

(3) 通过ZK客户端在ZK端创建节点：

• 在 /config/topics节点下，增长当前主题节点，节点类型为长期类型。
  
• 在 /brokers/topics节点下，增长当前主题及相关节点，节点类型为长期类型。
  (4) Controller节点启动后，会在/brokers/topics节点增长监听器，一旦节点发生变化，会触发相应的功能：
  
• 获取必要新增的主题信息
  
• 更新当前Controller节点保存的主题状态数据
  
• 更新分区状态机的状态为：NewPartition
  
• 更新副本状态机的状态：NewReplica
  
• 更新分区状态机的状态为：OnlinePartition，从正常的副本列表中的获取第一个作为分区的Leader副本，所有的副本作为分区的同步副本列表，我们称之为ISR( In-Sync Replica)。在ZK路径/brokers/topics/主题名上增长分区节点/partitions，及状态/state节点。
  
• 更新副本状态机的状态：OnlineReplica
  (5) Controller节点向主题的各个分区副本所属Broker节点发送LeaderAndIsrRequest请求，向所有的Broker发送UPDATE_METADATA请求，更新自身的缓存。
  
• Controller向分区所属的Broker发送请求
  
• Broker节点吸取到请求后，根据分区状态信息，设定当前的副本为Leader或Follower，并创建底层的数据存储文件目录和空的数据文件。
  

文件目录名：主题名 + 分区编号
文件名说明0000000000000000.log数据文件，用于存储传输的小心0000000000000000.index索引文件，用于定位数据0000000000000000.timeindex时间索引文件，用于定位数据

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