Kafka 斲丧者状态及高水位（High Watermark）详解

引言

Apache Kafka 是一个分布式流处理平台，广泛应用于及时数据传输、事件驱动架构等场景中。作为 Kafka 的焦点组件之一，斲丧者（Consumer）在数据斲丧过程中扮演了至关紧张的角色。斲丧者需要从 Kafka 主题中读取消息，并处理这些消息。在这过程中，斲丧者的状态管理和高水位（High Watermark）的概念对于保障 Kafka 系统的性能和数据同等性起到了关键作用。
本文将深入探究 Kafka 斲丧者的状态和高水位的概念，分析 Kafka 斲丧者在不同状态下的行为，并具体表明高水位的工作机制及其在现实应用中的意义。我们将结合图文和代码示例，帮助开发者更好地明确和管理 Kafka 斲丧者及其相干的参数和状态。

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第一部分：Kafka 斲丧者概述

1.1 Kafka 斲丧者的基本概念

Kafka 斲丧者负责从 Kafka 的分区中读取消息。斲丧者可以独立工作，也可以以斲丧者组（Consumer Group）的情势进行斲丧。在斲丧者组中，Kafka 会确保每个分区仅被一个斲丧者斲丧，以防止数据重复斲丧。
斲丧者组的分区分配是动态的，如果斲丧者加入或离开斲丧者组，Kafka 会进行重平衡（Rebalance）以重新分配分区。了解斲丧者的工作状态对于监控 Kafka 系统的康健和确保消息斲丧的精确性至关紧张。
1.2 Kafka 斲丧者的角色

在 Kafka 系统中，斲丧者的主要职责是：

• 从 Kafka 主题的分区中读取消息。
  
• 一连监控并提交斲丧的偏移量（Offset）。
  
• 处理消息，并保证消息斲丧的次序性和准确性。
  

每个斲丧者会追踪自己所斲丧的偏移量，并定期将偏移量提交给 Kafka，保证在系统故障或斲丧者瓦解时能够从精确的位置继续斲丧。

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第二部分：Kafka 斲丧者的状态

Kafka 斲丧者在其生命周期中会履历多个不同的状态。了解这些状态有助于开发者调试和优化斲丧者的行为。Kafka 斲丧者的状态主要有以下几种：
2.1 初始状态（INIT）

斲丧者在刚创建时处于初始状态（INIT）。此时，斲丧者尚未加入斲丧者组，也没有开始斲丧任何消息。通常，斲丧者会在启动阶段进行配置和初始化，准备加入斲丧者组并获取分区。
2.2 加入斲丧者组（JOINING）

当斲丧者准备加入斲丧者组时，会进入**加入斲丧者组（JOINING）**状态。在这个状态下，斲丧者向 Kafka 集群的调和者（Coordinator）发起请求，申请加入斲丧者组。斲丧者需要等待调和者分配分区，并确保斲丧者组中的所有斲丧者处于同步状态。
2.3 分配分区（ASSIGNED_PARTITIONS）

当调和者完成分区分配后，斲丧者会进入**分配分区（ASSIGNED_PARTITIONS）**状态。此时，斲丧者接收了 Kafka 调和者分配给它的分区，并准备开始斲丧消息。分配的分区可能是主题的一个或多个分区，具体取决于斲丧者组中斲丧者的数量和主题的分区数。

1. KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);
2. consumer.subscribe(Arrays.asList("my-topic"));
4. // 当重平衡发生时，分配的分区会被记录
5. consumer.subscribe(Arrays.asList("my-topic"), new ConsumerRebalanceListener() {
6.     @Override
7.     public void onPartitionsAssigned(Collection<TopicPartition> partitions) {
8.         System.out.println("Assigned partitions: " + partitions);
9.     }
10. });

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2.4 斲丧中（CONSUMING）

在**斲丧中（CONSUMING）**状态下，斲丧者开始从已分配的分区中读取消息。斲丧者会根据上次提交的偏移量继续斲丧，确保消息处理的次序和同等性。在斲丧过程中，斲丧者会不绝提交新的偏移量，以记录其斲丧进度。

1. while (true) {
2.     ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(Duration.ofMillis(1000));
3.     for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
4.         System.out.printf("Consumed record with key %s and value %s%n", record.key(), record.value());
5.     }
6.     consumer.commitSync();  // 手动提交偏移量
7. }

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2.5 停息斲丧（PAUSED）

斲丧者有时需要停息消息的斲丧，比如处理过多消息导致的背压题目。此时，斲丧者会进入**停息斲丧（PAUSED）**状态。停息斲丧可以通过 Kafka 的 pause() 方法实现，这答应斲丧者暂时不拉取新消息，直到其调用 resume() 规复斲丧。

1. // 暂停消费特定的分区
2. consumer.pause(Arrays.asList(new TopicPartition("my-topic", 0)));
4. // 恢复消费
5. consumer.resume(Arrays.asList(new TopicPartition("my-topic", 0)));

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2.6 离开斲丧者组（LEAVING_GROUP）

当斲丧者从斲丧者组中退出时，会进入**离开斲丧者组（LEAVING_GROUP）**状态。这可能是由于斲丧者程序主动关闭，大概由于故障导致斲丧者无法继续工作。在此状态下，斲丧者会关照 Kafka 调和者其即将离开斲丧者组，并释放其所持有的分区，供其他斲丧者重新分配。
2.7 完成（COMPLETED）

斲丧者在正常关闭或退出斲丧者组后，进入**完成（COMPLETED）**状态，表现斲丧者的生命周期已经竣事。此时，斲丧者不会再从 Kafka 主题中读取任何消息。

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第三部分：Kafka 高水位（High Watermark）

3.1 什么是高水位？

在 Kafka 中，**高水位（High Watermark）**是指 Kafka 中一个分区的所有副本都已成功写入的最后一个偏移量。它标志着斲丧者可以安全读取的最大偏移量，确保了数据的可靠性和同等性。
高水位由 Kafka 副本同步机制决定，只有当分区的所有副本都确认接收到消息后，Kafka 才会将该消息视为可供斲丧。当斲丧者从分区中斲丧消息时，只能读取到不超过高水位的消息。
3.2 高水位的工作机制

Kafka 使用 副本同步机制 来确保消息的可靠传输。当生产者将消息发送到 Kafka 时，Kafka 会将消息写入分区的主副本，并同时复制到其他副本。只有当所有副本都成功写入消息时，Kafka 才会更新该分区的高水位。
高水位的更新机制如下：

• 生产者发送消息：生产者将消息发送到分区的主副本。
  
• 消息复制：主副本将消息同步复制到其他副本。
  
• 副本确认：所有副本确认接收到消息后，Kafka 更新高水位，斲丧者可以读取新的消息。
  

3.3 高水位的紧张性

高水位在 Kafka 的数据同等性和可靠性中起到了紧张作用。它确保了斲丧者只能读取到 Kafka 已确认的数据，克制了斲丧者读取未完全复制或不同等的数据。
示例：假设一个分区有 3 个副本，生产者将消息发送到主副本后，主副本会将该消息复制到其他两个副本。当所有副本都成功复制该消息后，Kafka 将该分区的高水位更新为该消息的偏移量。斲丧者只能读取到高水位以下的消息。
表现图：Kafka 高水位

1. +---------+---------+---------+---------+
2. | 消息1   | 消息2   | 消息3   | 消息4   |
3. +---------+---------+---------+---------+
4.                    ↑
5.              高水位（HW）

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在此表现图中，斲丧者只能读取到偏移量不超过高水位（HW）的消息，即消息 1、2 和 3。消息 4 尚未被所有副本确认，因此无法被斲丧。

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第四部分：Kafka 高水位的配置与调优

Kafka 提供了多个配置参数来调整高水位的行为。明确这些配置对于调优 Kafka 的性能和可靠性至关紧张。
4.1 min.insync.replicas

min.insync.replicas 参数指定了 Kafka 中同步副本的最小数量。该参数决定了在高水位更新前，至少需要多少个副本成功写入消息。

1. min.insync.replicas=2

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当设置为 2 时，Kafka 要求至少有两个副本（包括主副本）成功写入消息，才会将消息标志为已提交并更新高水位。如果不足两个副本，Kafka 将拒绝生产者的写入请求。
4.2 acks

acks 参数控制生产者在发送消息时等待多少副
本的确认。该参数直接影响 Kafka 的高水位更新。

• acks=0：生产者不等待任何确认，消息可能在网络传输中丢失，不会影响高水位。
  
• acks=1：生产者只等待主副本的确认，消息复制到其他副本后才更新高水位。
  
• acks=all
  ：生产者等待所有副本的确认，高水位只有在所有副本同步完成后才会更新。
  

1. acks=all

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使用 acks=all
可以确保所有副本都收到消息，保证数据同等性，但会增加写入延迟。
4.3 replica.lag.time.max.ms

replica.lag.time.max.ms 参数定义了副本可以落后主副本的最大时间。如果副本落后时间超过该值，Kafka 将认为该副本已经失效，并不再将其纳入高水位的计算。

1. replica.lag.time.max.ms=10000  # 10秒

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此参数可以防止某些副本由于网络延迟或硬件故障导致高水位无法及时更新。

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第五部分：Kafka 斲丧者与高水位的关系

Kafka 斲丧者与高水位之间有密切的关系，斲丧者在斲丧消息时，依靠于高水位的更新来确保数据的同等性和安全性。斲丧者只能读取高水位以下的消息，这意味着消息已经被所有副本确认，克制了读取未同步的消息。
5.1 斲丧者如何感知高水位？

Kafka 斲丧者在拉取消息时，Kafka 会根据高水位向斲丧者返回消息。斲丧者只能读取到高水位以下的消息，确保了数据的同等性。

1. // 消费者拉取消息
2. ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(Duration.ofMillis(1000));
3. for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
4.     // 处理消息
5.     System.out.printf("Consumed record with offset %d and value %s%n", record.offset(), record.value());
6. }

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5.2 斲丧者的读取滞后题目

在某些环境下，斲丧者可能由于网络延迟、斲丧速度慢等原因，滞后于 Kafka 的高水位。斲丧者的读取滞后可能会导致以下题目：

• 消息积蓄：由于斲丧者斲丧速度慢，导致消息在 Kafka 中堆积，延迟变大。
  
• 斲丧者负载不平衡：某些斲丧者由于滞后，可能会承担更多的消息处理使命，导致负载不平衡。
  

办理方案：

• 提高斲丧者并发度：通过增加斲丧者实例或分区数量，提拔斲丧者的并发处理能力。
  
• 优化消息处理逻辑：淘汰斲丧者在处理消息时的耗时操作，确保斲丧速度与生产速度匹配。
  

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第六部分：Kafka 高水位与数据同等性

Kafka 的高水位机制在确保数据同等性方面扮演了紧张角色。通过副本同步和高水位的控制，Kafka 能够保证数据在分布式系统中的可靠性和同等性。
6.1 高水位与数据丢失的关系

高水位保证了数据的同等性，防止斲丧者读取未被所有副本确认的消息。然而，如果 Kafka 的高水位配置不当（例如 acks=1 大概 min.insync.replicas 设置较低），可能会导致在副本故障时发生数据丢失。
示例：

• 如果 acks=1，生产者在只等待主副本确认后返回成功，但随后主副本瓦解，副本还没来得及同步，数据可能会丢失。
  

1. acks=1
2. min.insync.replicas=1

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办理方案：

• 设置 acks=all
  ，确保所有副本都收到消息。
  
• 设置合理的 min.insync.replicas，确保至少有多个副本同步。
  

6.2 高水位与数据重复斲丧

由于高水位只标志已同步的消息，因此在某些故障规复的场景中，斲丧者可能会重新斲丧已经处理过的消息。这种环境固然不会导致数据丢失，但可能会带来数据的重复处理。
办理方案：

• 使用幂等性处理逻辑：在斲丧端设计幂等性逻辑，确保纵然重复处理消息，终极效果依然同等。
  
• 定期提交斲丧偏移量：确保斲丧者在每次处理消息后及时提交偏移量，淘汰重复斲丧的可能性。
  

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第七部分：Kafka 高水位的监控

在生产环境中，监控 Kafka 的高水位对于确保数据同等性和系统稳固性至关紧张。Kafka 提供了多种工具和指标，帮助开发者及时监控高水位及相干参数。
7.1 JMX 指标监控

Kafka 提供了丰富的 JMX（Java Management Extensions）指标，开发者可以通过 JMX 监控 Kafka 的高水位厘革。

1. kafka.server:type=Log,name=LogEndOffset,topic=my-topic,partition=0

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通过监控 LogEndOffset 指标，开发者可以及时查看 Kafka 分区的高水位厘革，判断数据是否被成功复制到所有副本。
7.2 Prometheus 和 Grafana 监控

Prometheus 和 Grafana 是常用的监控工具，Kafka 也支持通过这些工具来监控高水位及其他性能指标。开发者可以通过 Prometheus 采集 Kafka 的高水位数据，并在 Grafana 中进行可视化展示。

1. scrape_configs:
2.   - job_name: 'kafka'
3.     static_configs:
4.       - targets: ['localhost:9090']

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第八部分：Kafka 高水位的代码实现

下面是一个简化版的 Kafka 斲丧者代码示例，展示了如何使用 Kafka 斲丧者并监控高水位。

1. import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerConfig;
2. import org.apache.kafka.clients.consumer.KafkaConsumer;
3. import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecords;
4. import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
5. import org.apache.kafka.common.TopicPartition;
7. import java.time.Duration;
8. import java.util.Collections;
9. import java.util.Properties;
11. public class KafkaHighWatermarkExample {
12.     public static void main(String[] args) {
13.         Properties props = new Properties();
14.         props.put(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "localhost:9092");
15.         props.put(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, "my-consumer-group");
16.         props.put(ConsumerConfig.ENABLE_AUTO_COMMIT_CONFIG, "false");
17.         props.put(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
18.         props.put(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
20.         KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);
21.         consumer.assign(Collections.singletonList(new TopicPartition("my-topic", 0)));
23.         while (true) {
24.             ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(Duration.ofMillis(1000));
25.             for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
26.                 System.out.printf("Consumed record with offset %d and value %s%n", record.offset(), record.value());
27.             }
28.             consumer.commitSync();  // 手动提交偏移量
29.         }
30.     }
31. }

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第九部分：Kafka 高水位的调优策略

为了确保 Kafka 的高水位能够正常更新并保证数据同等性，开发者可以根据现实场景调整相干参数。以下是一些常见的调优策略：
9.1 调整 min.insync.replicas

min.insync.replicas 直接影响 Kafka 的高水位更新速度和数据安全性。根据业务场景的不同，可以得当增加该值，以确保更多副本成功复制消息。
9.2 设置合理的 acks 值

acks=all
可以确保数据的可靠性，但会增加写入延迟。在对数据同等性要求极高的场景中，建议使用 acks=all
，在性能优先的场景中，可以考虑使用 acks=1。
9.3 监控高水位延迟

通过监控 Kafka 的高水位延迟，开发者可以及时把握数据复制的延迟环境。当高水位延迟过大时，可能需要检查 Kafka 副本的性能或网络连接状况。

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第十部分：总结与展望

10.1 总结

Kafka 斲丧者的状态和高水位机制在 Kafka 分布式消息系统中起到了关键作用。斲丧者的生命周期包括多个状态，从初始化到斲丧数据再到离开斲丧者组，每个状态都影响了斲丧者的工作模式。Kafka 的高水位则确保了数据同等性和副本同步，防止斲丧者读取未同步的数据。
本文通过图文和代码具体表明了 Kafka 斲丧者的状态、高水位的工作机制及其调优策略。通过合理配置高水位相干参数，开发者可以确保 Kafka 系统在高并发场景下的

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