消息的保存路徑

消息發(fā)送端發(fā)送消息到 broker 上以后，消息是如何持久化的？

數(shù)據(jù)分片

kafka 使用日志文件的方式來(lái)保存生產(chǎn)者和發(fā)送者的消息，每條消息都有一個(gè) offset 值來(lái)表示它在分區(qū)中的偏移量。

Kafka 中存儲(chǔ)的一般都是海量的消息數(shù)據(jù)，為了避免日志文件過(guò)大，一個(gè)分片 并不是直接對(duì)應(yīng)在一個(gè)磁盤(pán)上的日志文件，而是對(duì)應(yīng)磁盤(pán)上的一個(gè)目錄，這個(gè)目錄的命名規(guī)則是<topic_name>_<partition_id>。

比如創(chuàng)建一個(gè)名為firstTopic的topic，其中有3個(gè)partition，那么在 kafka 的數(shù)據(jù)目錄（/tmp/kafka-log）中就有 3 個(gè)目錄，firstTopic-0~3

多個(gè)分區(qū)在集群中多個(gè)broker上的分配方法

1.將所有 N Broker 和待分配的 i 個(gè) Partition 排序

2.將第 i 個(gè) Partition 分配到第(i mod n)個(gè) Broker 上

log分段

每個(gè)分片目錄中，kafka 通過(guò)分段的方式將 數(shù)據(jù) 分為多個(gè) LogSegment，一個(gè) LogSegment 對(duì)應(yīng)磁盤(pán)上的一個(gè)日志文件（00000000000000000000.log）和一個(gè)索引文件(如上：00000000000000000000.index)，其中日志文件是用來(lái)記錄消息的。索引文件是用來(lái)保存消息的索引。

每個(gè)LogSegment 的大小可以在server.properties 中l(wèi)og.segment.bytes=107370 (設(shè)置分段大小,默認(rèn)是1gb)選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。

segment 的 index file 和 data file 2 個(gè)文件一一對(duì)應(yīng)，成對(duì)出現(xiàn)，后綴".index"和“.log”分別表示為 segment 索引文件、數(shù)據(jù)文件.命名規(guī)則：partion 全局的第一個(gè) segment從 0 開(kāi)始，后續(xù)每個(gè) segment 文件名為上一個(gè) segment文件最后一條消息的 offset 值進(jìn)行遞增。數(shù)值最大為 64 位long 大小，20 位數(shù)字字符長(zhǎng)度，沒(méi)有數(shù)字用 0 填充

第一個(gè) log 文件的最后一個(gè) offset 為:5376,所以下一個(gè)segment 的文件命名為: 0000000000000005376.log。

對(duì)應(yīng)的 index 為 00000000000000005376.index

kafka 這種分片和分段策略，避免了數(shù)據(jù)量過(guò)大時(shí)，數(shù)據(jù)文件文件無(wú)限擴(kuò)張帶來(lái)的隱患，更有助于消息文件的維護(hù)以及被消費(fèi)的消息的清理。

日志和索引文件內(nèi)容分析

通過(guò)下面這條命令可以看到 kafka 消息日志的內(nèi)容

sh kafka-run-class.sh kafka.tools.DumpLogSegments --files  /tmp/kafka-logs/test-0/00000000000000000000.log --print-data-log

輸出結(jié)果為：

offset: 5376 position: 102124 CreateTime: 1531477349287isvalid: true keysize: -1 valuesize: 12 magic: 2compresscodec: NONE producerId: -1 producerEpoch: -1 sequence: -1 isTransactional: false headerKeys: []payload: message_5376

可以看到一條消息，會(huì)包含很多的字段，如下：

offset: 5371 position: 102124 CreateTime: 1531477349286isvalid: true keysize: -1 valuesize: 12 magic: 2compresscodec: NONE producerId: -1 producerEpoch: -1 sequence: -1 isTransactional: false headerKeys: []payload: message_5371

各字段的意義：

• offset：記錄號(hào) ；
• position：偏移量；
• createTime：創(chuàng)建時(shí)間、
• keysize 和 valuesize 表示 key 和 value 的大小
• compresscodec：表示壓縮編碼
• payload：表示消息的具體內(nèi)容

為了提高查找消息的性能，kafka為每一個(gè)日志文件添加 了2 個(gè)索引文件：OffsetIndex 和 TimeIndex，分別對(duì)應(yīng)*.index以及*.timeindex, *.TimeIndex 是映射時(shí)間戳和相對(duì) offset的文件

查看索引內(nèi)容命令：

?sh ?kafka-run-class.shkafka.tools.DumpLogSegments ?--files ?/tmp/kafka-logs/test-0/00000000000000000000.index --print-data-log

索引文件和日志文件內(nèi)容關(guān)系如下

如上圖所示，index 文件中存儲(chǔ)了索引以及物理偏移量。

log 文件存儲(chǔ)了消息的內(nèi)容。

索引文件中保存了部分offset和偏移量position的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

比如 index文件中 [4053,80899]，表示在 log 文件中，對(duì)應(yīng)的是第 4053 條記錄，物理偏移量（position）為 80899.

在 partition 中通過(guò) offset 查找 message過(guò)程

• 根據(jù) offset 的值，查找 segment 段中的 index 索引文件。由于索引文件命名是以上一個(gè)文件的最后一個(gè)offset 進(jìn)行命名的，所以，使用二分查找算法能夠根據(jù)offset 快速定位到指定的索引文件
• 找到索引文件后，根據(jù) offset 進(jìn)行定位，找到索引文件中的匹配范圍的偏移量position。（kafka 采用稀疏索引的方式來(lái)提高查找性能）
• 得到 position 以后，再到對(duì)應(yīng)的 log 文件中，從 position處開(kāi)始查找 offset 對(duì)應(yīng)的消息，將每條消息的 offset 與目標(biāo) offset 進(jìn)行比較，直到找到消息

比如說(shuō)，我們要查找 offset=2490 這條消息，那么先找到00000000000000000000.index, 然后找到[2487,49111]這個(gè)索引，再到 log 文件中，根據(jù) 49111 這個(gè) position 開(kāi)始查找，比較每條消息的 offset 是否大于等于 2490。最后查找到對(duì)應(yīng)的消息以后返回

日志的清除策略以及壓縮策略

日志的清理策略有兩個(gè)

• 根據(jù)消息的保留時(shí)間，當(dāng)消息在 kafka 中保存的時(shí)間超過(guò)了指定的時(shí)間，就會(huì)觸發(fā)清理過(guò)程
• 根據(jù) topic 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)大小，當(dāng) topic 所占的日志文件大小大于一定的閥值，則可以開(kāi)始刪除最舊的消息。

通過(guò) log.retention.bytes 和 log.retention.hours 這兩個(gè)參數(shù)來(lái)設(shè)置，當(dāng)其中任意一個(gè)達(dá)到要求，都會(huì)執(zhí)行刪除。默認(rèn)的保留時(shí)間是：7 天

kafka會(huì)啟動(dòng)一個(gè)后臺(tái)線程，定期檢查是否存在可以刪除的消息。

日志壓縮策略

Kafka 還提供了“日志壓縮（Log Compaction）”功能，通過(guò)這個(gè)功能可以有效的減少日志文件的大小，緩解磁盤(pán)緊張的情況，在很多實(shí)際場(chǎng)景中，消息的 key 和 value 的值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是不斷變化的，就像數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)會(huì)不斷被修改一樣，消費(fèi)者只關(guān)心 key 對(duì)應(yīng)的最新的 value。

因此，我們可以開(kāi)啟 kafka 的日志壓縮功能，服務(wù)端會(huì)在后臺(tái)啟動(dòng)Cleaner線程池，定期將相同的key進(jìn)行合并，只保留最新的 value 值。日志的壓縮原理如下圖：

消息寫(xiě)入的性能

順序?qū)?/h3>

我們現(xiàn)在大部分企業(yè)仍然用的是機(jī)械結(jié)構(gòu)的磁盤(pán)，如果把消息以隨機(jī)的方式寫(xiě)入到磁盤(pán)，那么磁盤(pán)首先要做的就是尋址，也就是定位到數(shù)據(jù)所在的物理地址，在磁盤(pán)上就要找到對(duì)應(yīng)的柱面、磁頭以及對(duì)應(yīng)的扇區(qū)；

這個(gè)過(guò)程相對(duì)內(nèi)存來(lái)說(shuō)會(huì)消耗大量時(shí)間，為了規(guī)避隨機(jī)讀寫(xiě)帶來(lái)的時(shí)間消耗，kafka 采用順序?qū)懙姆绞酱鎯?chǔ)數(shù)據(jù)。

零拷貝

即使采用順序?qū)懀穷l繁的 I/O 操作仍然會(huì)造成磁盤(pán)的性能瓶頸，所以 kafka還有一個(gè)性能策略：零拷貝

消息從發(fā)送到落地保存，broker 維護(hù)的消息日志本身就是文件目錄，每個(gè)文件都是二進(jìn)制保存，生產(chǎn)者和消費(fèi)者使用相同的格式來(lái)處理。

在消費(fèi)者獲取消息時(shí)，服務(wù)器先從硬盤(pán)讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存，然后把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)原封不動(dòng)的通過(guò) socket 發(fā)送給消費(fèi)者。

雖然這個(gè)操作描述起來(lái)很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上經(jīng)歷了很多步驟。如下：

• 操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從磁盤(pán)讀入到內(nèi)核空間的頁(yè)緩存
• 應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)從內(nèi)核空間讀入到用戶空間緩存中
• 應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)回到內(nèi)核空間到 socket 緩存中
• 操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從 socket 緩沖區(qū)復(fù)制到網(wǎng)卡緩沖區(qū)，以便將數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出

這個(gè)過(guò)程涉及到 4 次上下文切換以及 4 次數(shù)據(jù)復(fù)制，并且有兩次復(fù)制操作是由 CPU 完成。但是這個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)完全沒(méi)有進(jìn)行變化，僅僅是從磁盤(pán)復(fù)制到網(wǎng)卡緩沖區(qū)。通過(guò)“零拷貝”技術(shù)，可以去掉這些沒(méi)必要的數(shù)據(jù)復(fù)制操作，同時(shí)也會(huì)減少上下文切換次數(shù)。

現(xiàn)代的 unix 操作系統(tǒng)提供一個(gè)優(yōu)化的代碼路徑，用于將數(shù)據(jù)從頁(yè)緩存?zhèn)鬏數(shù)?socket；在 Linux 中，是通過(guò) sendfile 系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完成的。

Java 提供了訪問(wèn)這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的方法：FileChannel.transferTo API。

使用 sendfile，只需要一次拷貝就行，允許操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)直接從頁(yè)緩存發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

所以在這個(gè)優(yōu)化的路徑中，只有最后一步將數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡緩存中是需要的

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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