圖解Kafka：Kafka架構演化與升級！
了解了 Kafka 架構就掌握了 Kafka 最核心的知識，Kafka 作為業界最知名、最流行的消息系統和流式處理組件，在面試中和日常工作中經常會見到。那么今天，我們就來聊聊 Kafka 的架構演化與升級，并通過圖解的方式讓你一目了然。
1.Kafka 初印象
Kafka 最初由 LinkedIn 公司開發，后來成為了 Apache 軟件基金會的一個開源項目。它的主要設計目標是提供一個高吞吐量、可持久化、分布式的消息系統。
2.Kafka 基礎架構
Kafka 最簡單的基礎架構如下：
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Kafka 主要是由以下 4 部分組成：
- Producer（生產者）：消息發送方，生產者負責創建消息，然后將其投遞到 Kafka（Broker）中。
- Consumer（消費者）：接收消息方，消費者連接到 Kafka 上并接收消息，進而進行相應的業務邏輯處理。
- Broker（代理）：一個 Broker 可以簡單地看作一個獨立的 Kafka 服務節點或 Kafka 服務實例。大多數情況下也可以將 Broker 看作一臺 Kafka 服務器，前提是這臺服務器上只部署了一個 Kafka 實例。一個或多個 Broker 組成了一個 Kafka 集群。一般而言，我們更習慣使用首字母小寫的 broker 來表示服務代理節點。
- ZooKeeper：ZooKeeper 是 Kafka（集群）中使用的分布式協調服務，用于維護 Kafka（集群）的狀態和元數據信息，例如主題和分區的分配信息、消費者組和消費者偏移量等信息。
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Kafka 2.8.0 之后，Kafka 引入了 KRaft（Kafka Raft）模式，它提供了一種新的內置的共識機制來替代對 Zookeeper 的依賴。此時，Kafka 可以脫離 Zookeeper 單獨運行，但需要配置 KRaft 控制器才行，Kafka 默認服務還是要配合 Zookeeper 運行的。
3.不同的消息類型怎么辦？
在上述最基礎的 Kafka 架構中我們會發現一個問題，那就是如果是不同的消息類型要怎么辦？例如以下情況：
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此時，我們可以把不同類型的消息存放在一起，但這樣就需要給消息添加 type 字段，以區分不同的消息。
但添加了 type 字段之后，后面的維護和擴展又不方便，而且 type 越多，代碼中的判斷代碼就越復雜，想象一下：一個復雜項目的消息類型是有成千上萬個分類的，那我們的判斷代碼也要寫成千上萬個 if-else 判斷不可？這要怎么解決呢？
這時候，我們就需要一個“消息分類機制”，這個機制在 Kafka 里被稱之為 Topic（主題），如下圖所示：
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引入了 Topic 之后，不同的消息就可以發送到不同的 Topic 了，不同業務的生產者和消費者就可以實現相互隔離、互不影響了。
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Broker 和 Topic 的關系：一個 Broker 中可以包含多個 Topic。
4.如何保證高性能？
4.1 數據分片
想要提升 Kafka 性能就需要水平擴展 Broker 數量，如下圖所示：
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在 Kafka 中，Topic 是用 Partition（分區）存儲的，所以它正確的交互流程如下所示：
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這小節核心知識點：
- Partition（分區）就是真正存儲數據的消息隊列。
- 有了集群和多個 Partition 之后，Kafka 的數據就可以實現分片存儲了，性能也得到很大的提升。
什么是數據分片？
數據分片存儲是一種將大量數據分散存儲在多個不同位置或設備上的技術。
在數據量龐大的情況下，為了提高數據的存儲效率、訪問性能和可擴展性，將數據分割成較小的片段，然后分別存儲在不同的節點或存儲設備中。
以下是一些數據分片存儲的特點和優勢：
- 提高性能：通過將數據分散存儲，可以并行地處理數據請求，從而加快數據的讀取和寫入速度。例如，在一個分布式數據庫中，不同的分片可以同時響應查詢，減少了總體的響應時間。
- 增強可擴展性：當數據量不斷增長時，可以方便地添加更多的分片來擴展存儲容量，而無需對整個系統進行大規模的重構。
- 避免單點性能瓶頸：數據分片可以使數據的存儲和訪問負載更加均衡地分布在多個節點上，避免單個節點成為性能瓶頸。
4.2 消費組
如果沒有消費組，那么一個 Topic 只能被一個消費者消費，性能會很低，如下圖所示：
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消費組（Consumer Group）是一個由多個消費者（Consumer）組成的邏輯概念，用于實現對一個主題（Topic）中消息進行并發消費和負載均衡的機制。
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特性分析
Kafka 消費組特性如下：
- 并發執行：將一個主題內的消息分給多個消費者并發處理，提升了消息消費的性能。
- 容錯性好：如果組內的某個消費者發生故障，Kafka 能夠自動地將該消費者負責的分區重新分配給其他健康的消費者，確保消息不會被遺漏。
- 支持多種消費模式：通過調整消費者組的配置，可以實現不同的消費模式，如發布訂閱模式（一對多）和隊列模式（一對一）。在發布訂閱模式下，一個消息可以被多個消費者組同時消費，每個消費者組內的消費者則共享該消息；在隊列模式下，一個消息只能被一個消費者組內的某個消費者消費。這種靈活性使得Kafka可以適應不同的業務需求和數據處理場景。
- 動態擴展：隨著業務規模的擴大或縮小，可以動態地增加或減少消費者組的成員。新加入的消費者會自動從已有的副本中拉取數據并開始消費；而離開的消費者會自動感知并停止消費。這種動態的擴展性使得 Kafka 能夠隨著業務的發展而靈活地擴展處理能力。
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消費組和分區的關系：消費者（數量） <= 分區數。
5.如何保證高可用？
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Partition 備份節點叫做 Follower 節點，負責數據讀寫的節點叫做 Leader 節點。
Kafka 分區類型有以下兩種：
- Leader Partition：主節點，負責數據寫入和讀取。
- Follower Partition：副本節點，用于數據備份和主節點宕機之后的分區選舉，保證了 Kafka 服務的高可用。
小結
Kafka 架構最終組成如下：
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它們分別是：
- 生產者（Producer）：負責將消息發送到 Kafka 集群。
- 消費組（Consumer Group）：用于實現對一個主題（Topic）中消息進行并發消費和負載均衡的機制。
- 消費者（Consumer）：負責從 Kafka 集群中讀取、消費消息。
- 代理（Broker）：Kafka 服務器（Kafka 服務），負責存儲和轉發消息。
- 主題（Topic）：消息的邏輯分類，生產者將消息發送到特定的主題，消費者從特定的主題訂閱消息。
- 分區（Partition）：主題可以被分為多個分區，每個分區是一個有序的、不可變的消息序列。分區可以分布在不同的 broker 上，實現水平擴展。分區分為 Leader 分區，和 Follower 分區。
- Zookeeper：用于管理 Broker 集群的元數據，如分區分配、領導者選舉、消費者組和消費者偏移量等信息等。
