深入淺出Kafka：高可用、順序消費及冪等性
在我們旅行于數據海洋的途中，如果把 Kafka 比作是一艘承載無數信息航行的快船，前文《Kafka實戰漫談：大數據領域的不敗王者》已經講述了如何搭建起這艘快船，讓它在起風的早晨開始了第一次航行。
但隨著大浪的拍打，我們必須讓它做好準備，以應對那些未知的暴風雨。
今天，我們來談談如何讓這艘快船變得更強壯——讓它有能力在風急浪高時穩穩地前行，不至于讓寶貴的數據貨物沉入海底。
在 Kafka 這艘數據游輪載著數據航行時，我們這些開發者——也就是船上的水手來說，Kafka 集群的高可用性、消息消費的一致性和延時隊列等都是確保數據航行安全的關鍵特性。
所以，拿起你的望遠鏡，讓我們來一探 Kafka 高級知識的奧秘吧！
一、背景
說到 Kafka，許多人第一反應可能是：噢，一個消息中間件？
是的，但它遠不止如此。Kafka 的力量在于它的可伸縮性、可靠性以及高吞吐。
很多在業務中使用過 Kafka 的小伙伴肯定知道，搭建起一個高效的 Kafka 集群，就像在你的航船上裝備強大的引擎。
而恰當地處理消息的重復消費與延時，則猶如在粗獷的海浪中找到了平穩的航道。
(1) 堅不可摧的集群艦隊：Kafka 高可用
在高海拔時，Kafka 能夠展現它的“高”——高可用。
集群化部署后，即便是有節點失聯，系統也能自我修復。如同海中的艦隊，一艘艦船的失事并不意味著整個航線的中斷。
(2) 精確把握所有貨物：消費去重
重復消費在消息隊列中猶如誤投遞包裹。
在 Kafka 的運送數據時，要確保每條消息只被消費一次，我們得有高超的“航海術”——冪等性與事務。
(3) 總有延時的風浪：延時隊列處理
和海底的珍珠一樣，每個船上的數據包都有其“價值”，然而在時間的尺度上，它們的價值是變化的。
所有才有詩人說：人生遇到的每個人，出場順序真的很重要！這在消息中間件里也同樣適用。
人生沒有時光機，但 Kafka 的延時隊列有：它不僅可以發送實時消息，還能處理那些需要“重復呈現”的信息。
二、乘風破浪的Kafka
接下來，讓我們更深入地探索這艘快船的強大之處，以及如何利用它。首先，我們搭建一個 Kafka 集群。
1.創建三個broker
我們啟動了三個容器，配置都略微不同——記住，每艘船都有其獨特的身份（broker.id）和自己的泊位（listeners）。
通過進入 Zookeeper 的客戶端檢查 Kafka 的狀態，就如同站在燈塔上檢查艦隊——確保每艘船都已就緒并在正確的位置。
啟動三個容器，server.properties 文件分別為：
# 1,2,3
broker.id = 3
# 49092，49093,49094
listeners=PLAINTEXT://172.16.30.34:49094校驗是否啟動成功，進入 zookeeper，查看：
# 進入客戶端
./bin/zkCli.sh
# 查看broker
ls /brokers/ids可以看到各自的 ID 都不同，說明 3 個節點啟動成功了：
2. 集群中的副本
我們在上篇文章中已經介紹了分區和副本的概念，現在，結合集群中的節點，我們進一步來理解它們。
有備無患，副本就好比是同型船的兄弟，一旦領軍的船只（leader）遇難，它們（follower）中的一員就會站出來，扛起大旗。
Kafka 的讀寫操作都發生在 leader 上，leader 還負責把數據同步給 foller。
當 leader 掛了，經過主從選舉，從 follower 中選出一個新的 leader。
在這里，Kafka 的調度能力展露無遺。
3. 關于集群消費
就像團隊合作的捕魚作業，一個 message 可能會被多個消費者（在不同的船上）處理，但恰到好處的通信保證了魚群的精確分配。
在集群中，我們可以借助以下命令來發送、消費消息：
# 向集群發送消息
./kafka-console-producer.sh --broker-list 172.16.30.34:49092,172.16.30.34:49093,172.16.30.34:49094 --topic my-replicated-topic
# 消費集群消息
./kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server 172.16.30.34:49092,172.16.30.34:49093,172.16.30.34:49094 --topic my-replicated-topic
# 指定消費組消費集群消息
./kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server 172.16.30.34:49092,172.16.30.34:49093,172.16.30.34:49094 --from-beginning --consumer-property group.id=testGroup1 --topic my-replicated-topic可以看到，消息發送成功了：
消息消費成功：
三、kafka 集群中的關鍵角色
1. controller
控制器如船隊的指揮官，遇見有需要改變的情況時能及時做出應答，無論是船只的增減，抑或是航線的變更。
每個 broker 在啟動時會向 zk 創建一個臨時序號節點【比如上面創建的broker節點 1,2,3】，獲得的最小序號 broker 會作為集群中的 controller，負責以下幾件事：
- 當集群中有一個副本的 leader 掛掉，需要在集群中選舉出一個新的 leader，選舉的規則是從 ISR 集合的最左邊元素獲取（比如 ISR 集合為 【2,1,3】，當 leader 為 2 并且掛了時，ISR 為 【1,3】，就將 broker-1 上的副本作為新的 leader）；
- 當集群中的 broker 新增或減少時，controller 會同步信息給其他 broker；
- 當集群中有分區新增或減少時，controller 會同步信息給其他 broker。
2. rebalance 機制
每一個水手都有其特定的崗位，如同 Kafka 在消費者與分區間實現的再平衡——這是一種資源優化的藝術，和分配負載均衡的請求類似。
在 Kafka 中，再平衡需要一個前提就是：消費組中的消費者沒有指定分區來消費。如果對消息指定了分區，rebalance 就不會生效。
并且，當消費組中的消費組和分區關系發生變化時，rebalance 才會觸發。這時，消息的分區會遵循以下幾個策略中的一種（可配置）：
- range：根據公式計算得到每個消費者去消費哪個分區，前面的消費者分區 = 分區總數/消費者數量+1，后面的消費者 = 分區總數/消費者數量；
- 輪詢：幾個消費者輪流消費分區；
- sticky：粘合策略，當需要 rebalance 時，會在之前已經分配的基礎上調整，且不會改變之前的分配情況。如果這個策略未打開，則需要重新進行全部分區的分配。
3. HW 和 LEO
HW（high-weight，高水位）和 LEO（log-end-offset）是衡量副本最后消息位置的兩個重要指標，它們就像是船上的測深儀，確保了數據不被過早或不當地處理。
HW 是已完成 lead-follower 同步的位置，消費者無法消費到 HW 線之前的消息。并且，在完成同步以后，HW 線才更新，以防止消息丟失。
LEO 是指某個副本最后消費消息的位置，根據木桶效應，HW 一定不高于 LEO。
四、kafka 中的優化問題
1. 如何防止消息丟失
在 Kafka 的海域里，防止消息的丟失恰至關鍵。這就需要水手精準的操作——生產者要如同技術精湛的引導者，消費者像觀望遠方的瞭望者，及時地做出反饋。
對于生產者來說，可以采用以下方式來防止：
- 使用同步發送
- 把 ack 設為 1（0為異步進行數據復制，-1為保證有一個副本復制完成，1為全同步）
- 同步的分區數 >= 2
對于消費者來說，需要將自動提交改為手動提交，并且當消費完成后再進行 ack 應答。
這相當于網絡中的握手過程，消息包收到以后，給出反饋；如果沒有收到消息，就讓發送端或者 Kafka 重新發一次，以防止消息還沒消費就丟失了。
2. 如何防止重復消費
再精確的海圖也免不了失誤時出現。為避免消息被重復消費，生產者可能需要更謹慎，而消費者需要有追蹤每條消息唯一性的能力。
為了防止消息丟失，當生產者發送完消息后，會根據有無收到 ack 應答去決定是否重新發送消息。
當網絡抖動或者其它原因，導致生產者沒有收到 ack 時，消費者可能會收到兩條或多條相同的消息，造成重復消費。
解決方案有以下兩種：
- 生產者關閉重試機制；
- 消費者消費消息時用冪等性保證：1）數據庫唯一索引；2）Redis 分布式鎖。
由于生產者關閉重試后，可能會造成消息丟失，所以我們更推薦讓消費者用冪等性或者事務來防止重復消費，這在其它的消息隊列中也同樣適用。
3. 如何做到消息的順序消費
就像在粗獷的風浪中維持航道一樣困難，Kafka 的有序消費要求很高。有時需要犧牲性能，專注于單一的分區和消費者。
- 生產者：使用同步發送，ack 設置為 1
- 消費者：主題只能設置為一個 partition 分區，消費組中只能有一個消費者
Kafka 的順序消費會嚴重地犧牲性能，所以使用時需要做出權衡。
4. 如何解決消息積壓的問題
消息積壓如同海上的風暴，短時間內的消費者可能支撐不過生產者的速度，這時候可能需要更多的船只和船員加入作業。
當消費者的消費速度，遠遠趕不上生產消息的速度一段時間后，kafka 會堆積大量未消費的消息。
這會導致消費者尋址的速度越來越慢，kafka 對外提供服務的性能也越來越差，從而可能會造成整個服務鏈變慢，導致服務雪崩。
一般，我們通過多線程或橫向擴展的方式來解決：
- 消費者使用多線程消費，充分利用機器的性能；
- 在同一個消費組中創建多個消費者，部署到其它機器上，一起消費。
5. 實現延時隊列
有時，信息需要在特定的時刻獲取，就比如火車票待支付訂單 30min 后會自動過期。
Kafka 也可設定的延時隊列，就像是烹飪師傅精準控制火候，讓美食在最佳時間完美呈現。
方案如下：
- Kafka 中創建相應的主題，并創建消費者消費該主題的消息，消息中帶有創建的時間戳；
- 消費消息時判斷，未支付訂單消息的創建時間是否已經超過 30 分鐘：1）如果是，就修改訂單狀態為超時取消；2）否則，記錄當前消息的 offset，并等待 1 分鐘后，再次向 kafka 中拉取該 offset 的消息進行判斷，直到支付訂單或超時取消。
五、總結
過去，信號火一點即傳，如今，Kafka 使數據能在毫秒之間抵達世界的任何角落。
高可用性的秘密不在于單艦的堅固，而在于整個艦隊的協同。
去重、延時、消費順序的保證，使得 Kafka 成為一個強大且靈活的通信工具。
Kafka 也不僅僅是一個消息隊列，它是大數據時代的一艘高速航船，隨時準備穿梭于信息的海洋，破浪前行。而我們，作為水手和指揮官，應當熟悉船上每一個細節，以確保我們的貨物——數據，能安全、準確地到達預定的港口。
好了，現在，各位船長，讓我們起航吧！
