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Kafka入门使用

2023-04-18 16:23:17 时间

本文为学习B站教程所总结出来的笔记!!! kafka入门到精通教程|kafka快速入门

Kafka的定义

Message Queue(MQ),消息队列中间件;

Kafka是一个分布式、支持分区的(partition)、多副本的 (replica),基于zookeeper协调的分布式消息系统,因其可水平扩展和高吞吐率而被广泛使用!

Kafka的安装与使用(Windows)

1、运行zookeeper,下载与安装可见:https://blog.csdn.net/z1790424577/article/details/106660764

2、下载kafka,地址为:https://kafka.apache.org/downloads
在这里插入图片描述
下载完成并解压缩后,打开控制台进入kafka安装目录输入如下命令启动kafka:

.inwindowskafka-server-start.bat .configserver.properties

在这里插入图片描述
server.properties核心配置详解:

属性默认值描述
broker.id0每个broker都可以⽤⼀个唯⼀的⾮负整数id进⾏标识
log.dirs/tmp/kafka-logskafka存放数据的路径。这个路径并不是唯⼀的,可以是多个,路径之间只需要使⽤逗号分隔即可;每当创建新partition时,都会选择在包含最少partitions的路径下进⾏。
listenersPLAINTEXT://:9092server接受客户端连接的地址及端口
zookeeper.connectlocalhost:2181kafka连接zookeeper的地址
log.retention.hours168每个⽇志⽂件删除之前保存的时间。默认数据保存时间对所有topic都⼀样。
num.partitions1创建topic的默认分区数
default.replication.factor1⾃动创建topic的默认副本数量
min.insync.replicas1当producer设置acks为-1时,min.insync.replicas指定replicas的最⼩数⽬(必须确认每⼀个repica的写数据都是成功的),如果这个数⽬没有达到,producer发送消息会产⽣异常
delete.topic.enablefalse是否允许删除主题

3、测试基本使用,控制台输入如下命令(Windows需在/bin/windows/目录下执行):

#1、创建主题(topic)
kafka-topics.bat --create --bootstrap-server localhost:9092 --replication-factor 1 --partitions 1 --topic test
#为主题创建多个分区,由--partitions参数指定
kafka-topics.bat --create --bootstrap-server localhost:9092 --replication-factor 1 --partitions 2 --topic test

#2、查看已创建topic
kafka-topics.bat --list --bootstrap-server localhost:9092
#查看topic详细信息
kafka-topics.bat --describe --bootstrap-server localhost:9092 --topic testA

#3、创建生产者
kafka-console-producer.bat --broker-list localhost:9092 --topic test

#4、创建消费者
kafka-console-consumer.bat --bootstrap-server localhost:9092 --topic test
kafka-console-consumer.bat --bootstrap-server localhost:9092 --topic test --from-beginning #从头开始消费

#5、查看消费组及信息
kafka-consumer-groups.bat --bootstrap-server localhost:9092 --list 			#查看当前主题下有哪些消费组
kafka-consumer-groups.bat --bootstrap-server localhost:9092 --describe --group testGroup  #查看消费组中的具体信息

往生产者窗口写入消息,消费者窗口也能同步的接收到消息:
在这里插入图片描述
消费者组指标描述:

  • Currennt-offset:当前消费组的已消费偏移量
  • Log-end-offset:主题对应分区消息的结束偏移量(HW)
  • Lag:当前消费组未消费的消息数

Kafka的基本概念

名称描述
Topic用户定义并配置在Kafka服务器,用于建立生产者和消息者之间的订阅关系:生产者发送消息到指定的Topic下,消息者从这Topic下消费消息;
Broker消息中间件处理节点,⼀个Kafka节点就是⼀个Broker,⼀个或者多个Broker可以组成⼀个Kafka集群
Producer消息的发送方,负责生成消息并发送到Kafka
Consumer消息的使用方,负责消费Kafka服务器上的消息
Partition⼀个Topic可以分为多个Partition(一个主题中的消息量是非常大的,因此可以通过分区的设置,来分布式存储这些消息),每个Partition内部消息是有序的
ConsumerGroup每个Consumer属于⼀个特定的Consumer Group,⼀条消息可以被多个不同的Consumer Group消费,但是⼀个Consumer Group中只能有⼀个Consumer能够消费该消息
Replication-Factor副本是对分区的备份。在集群中,不同的副本会被部署在不同的broker上

分区图示:
在这里插入图片描述
Producer通过⽹络发送消息到Kafka集群,然后Consumer来进⾏消费,如下图:
在这里插入图片描述
副本是对分区的备份。在集群中,不同的副本会被部署在不同的broker上,查看topic详细信息如下:
在这里插入图片描述
通过查看主题信息,其中的关键数据:

  • replicas:当前副本存在的broker节点;
  • leader:副本里的概念,leader专⻔用来接收消息。接收到消息,其他follower通过poll的方式来同步数据,每个partition都在不同的Broker上。消息发送方要把消息发给哪个broker?就看副本的leader是在个broker上面;
  • follower:follower负责从leader同步数据,不提供读写;
  • isr: 可以同步的broker节点和已同步的broker节点,存放在isr集合中;

Kafka中的细节

  1. 消息是按照发送的顺序进行存储,因此消费者在消费消息时可以指明主题中消息的偏移量(默认情况下,是从最后一个消息的下一个偏移量开始消费);
  2. 如果多个消费者在同⼀个消费组,那么只有⼀个消费者可以收到订阅的topic中的消息(换⾔之,同⼀个消费组中只能有⼀个消费者收到⼀个topic中的消息);
  3. 不同的消费组订阅同⼀个topic,那么不同的消费组中只有⼀个消费者能收到消息;

Kafka消息存放目录结构如下:
在这里插入图片描述
__consumer_offsets是Kafka内部主题,默认创建50个分区(可以通过offsets.topic.num.partitions设置),主要用于存储消费者的偏移量,图示如下:
在这里插入图片描述
消费者会定期将自己消费分区的offset提交给__consumer_offsets,key是consumerGroupId+topic+分区号,value就是当前offset的值,并且kafka会定期清理topic里的消息仅保留最新的那条数据,通过如下公式可以选出consumer消费的offset要提交到__consumer_offsets的哪个分区:

hash(consumerGroupId) % __consumer_offsets主题的分区数

在这里插入图片描述
文件具体作用如下:

  • 00000000000000000000.log:消息数据;
  • 00000000000000000000.index:用于根据位移值快速查找消息所在文件位置;
  • 00000000000000000000.timeindex:用于根据时间戳快速查找特定消息的位移值;

Kafka的Java客户端-生产者

1、引入依赖(建议版本与Kafka一致)

        <dependency>
            <groupId>org.apache.kafka</groupId>
            <artifactId>kafka-clients</artifactId>
            <version>3.1.0</version>
        </dependency>

2、生产者发送消息的基本实现

public class MyProducer {
    private final static String TOPIC_NAME = "my-topic";
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        Properties props = new Properties();


        //Kafka地址
        props.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "127.0.0.1:9092");
        //把发送的key从字符串序列化为字节数组
        props.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        //把发送消息value从字符串序列化为字节数组
        props.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        //缓冲区大小设置--kafka默认会创建⼀个消息缓冲区,⽤来存放要发送的消息,缓冲区是32m
        props.put(ProducerConfig.BUFFER_MEMORY_CONFIG, 33554432);
        //拉取设置--kafka本地线程会去缓冲区中⼀次拉16k的数据,发送到broker
        props.put(ProducerConfig.BATCH_SIZE_CONFIG, 16384);
        //如果线程拉不到16k的数据,间隔10ms也会将已拉到的数据发到broker
        props.put(ProducerConfig.LINGER_MS_CONFIG, 10);
        //ack参数配置,适用于同步发送情况,下面细讲
        //props.put(ProducerConfig.ACKS_CONFIG, "1");
		//重试次数
        props.put(ProducerConfig.RETRIES_CONFIG, 3);
        //重试间隔设置,发送失败会重试,默认重试间隔100ms
        props.put(ProducerConfig.RETRY_BACKOFF_MS_CONFIG, 300);


        Producer<String, String> producer = new KafkaProducer<>(props);
        //发送主题与内容
        ProducerRecord<String, String> producerRecord = new ProducerRecord<>(TOPIC_NAME, "123");
        //发送到指定分区
        //ProducerRecord<String, String> producerRecord = new ProducerRecord<String, String>(TOPIC_NAME,0, "1","123");
        //未指定分区,则会通过业务key的hash运算,算出消息往哪个分区上发
        ProducerRecord<String, String> producerRecord = new ProducerRecord<String, String>(TOPIC_NAME,"2","123");
        //同步发消息,在收到kafka的ack告知发送成功之前一直处于阻塞状态
        //RecordMetadata metadata = producer.send(producerRecord).get();
        //=====阻塞=======
        //System.out.println("同步方式发送消息结果:" + "topic-" + metadata.topic() + "|partition-" + metadata.partition() + "|offset-" + metadata.offset());
		
		//异步发消息
        producer.send(producerRecord, new Callback() {
            @Override
            public void onCompletion(RecordMetadata metadata, Exception exception) {
                if (exception != null) {
                    System.err.println("发送消息失败:" +
                            exception.getStackTrace());
                }
                if (metadata != null) {
                    System.out.println("异步方式发送消息结果:" + "topic-" +metadata.topic() + "|partition-"+ metadata.partition() + "|offset-" + metadata.offset());
                }
            }
        });
        //因为是异步发,避免main线程立马结束,故休眠1s
        Thread.sleep(1000);
    }
}
//同步方式发送消息结果:topic-my-topic|partition-0|offset-1
//异步方式发送消息结果:topic-testA|partition-0|offset-14

new ProducerRecord()有多个构造方法,如果有指定分区,那么消息就会被发送到指定分区。如果未指定分区,则会通过key的hash运算,算出消息往哪个分区上发。如果既没有key也没有指定分区(或者key为null),那么消息将会随机发送到一个分区;

关于生产者的ack参数配置
在同步发送的前提下,⽣产者在获得集群返回的ack之前会⼀直阻塞。那么集群什么时候返回ack呢?

此时ack有3个配置:

  • ack = 0:kafka-cluster不需要任何的broker收到消息,就⽴即返回ack给⽣产者,最容易丢消息的,效率是最⾼的;
  • ack = 1(默认): 多副本之间的leader已经收到消息,并把消息写⼊到本地的log中,才会返回ack给⽣产者,性能和安全性均衡;
  • ack = -1/all:依赖配置min.insync.replicas(默认为1,推荐配置⼤于等于2),例如min.insync.replicas=2此时就需要leader和⼀个follower同步完后,才会返回ack给⽣产者,这种⽅式最安全,但性能最差;

Kafka的Java客户端-消费者

public class MyConsumer {
    private final static String TOPIC_NAME = "testA";
    private final static String CONSUMER_GROUP_NAME = "console-consumer-9076";

    public static void main(String[] args) {
        Properties props = new Properties();
        props.put(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,"127.0.0.1:9092");
        // 消费分组名
        props.put(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, CONSUMER_GROUP_NAME);
        //配置序列化
        props.put(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringDeserializer.class.getName());
        props.put(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG,StringDeserializer.class.getName());
        //创建一个消费者的客户端
        KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<String,String>(props);
        // 消费者订阅主题列表
        consumer.subscribe(Arrays.asList(TOPIC_NAME));
        //指定分区消费
        //consumer.assign(Arrays.asList(new TopicPartition(TOPIC_NAME, 0)));
        //从头消费
        //consumer.seekToBeginning(Arrays.asList(new TopicPartition(TOPIC_NAME,0)));
        //指定offset消费
        //consumer.seek(new TopicPartition(TOPIC_NAME, 0), 10);
		
		//poll() API 是拉取消息的⻓轮询
        ConsumerRecords<String, String> records =consumer.poll(Duration.ofMillis( 1000 ));
        for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
            System.out.printf("收到消息:partition = %d,offset = %d, key =%s, value = %s%n", record.partition(),record.offset(), record.key(), record.value());
        }
    }
}
//收到消息:partition = 0,offset = 15, key =2, value = 123

关于消费者⾃动提交和⼿动提交offset

消费者⽆论是⾃动提交还是⼿动提交,都需要把所属的消费组+消费的某个主题+消费的某个分区及消费的偏移量,这样的信息提交到集群的_consumer_offsets主题⾥⾯;

  • ⾃动提交:消费者poll消息下来以后就会⾃动提交offset

    // 是否⾃动提交offset,默认就是true
    props.put(ConsumerConfig.ENABLE_AUTO_COMMIT_CONFIG, "true");
    // ⾃动提交offset的间隔时间
    props.put(ConsumerConfig.AUTO_COMMIT_INTERVAL_MS_CONFIG, "1000");
    
  • ⼿动提交:把⾃动提交的配置改成false

    props.put(ConsumerConfig.ENABLE_AUTO_COMMIT_CONFIG, "false");
    

⼿动提交⼜分成了两种:

1、⼿动同步提交:在消费完消息后调⽤同步提交的⽅法,当集群返回ack前⼀直阻塞,返回ack后表示提交成功,执⾏之后的逻辑

//所有的消息已消费完
if (records.count() > 0) {//有消息
    // ⼿动同步提交offset,当前线程会阻塞直到offset提交成功
    // ⼀般使⽤同步提交,因为提交之后⼀般也没有什么逻辑代码了
    consumer.commitSync();//=======阻塞=== 提交成功
}

2、⼿动异步提交:在消息消费完后提交,不需要等到集群ack,直接执⾏之后的逻辑,可以设置⼀个回调⽅法,供集群调⽤

if (records.count() > 0) {//有消息
    // ⼿动异步提交offset,当前线程提交offset不会阻塞,可以继续处理后⾯的程序逻辑
    consumer.commitAsync(new OffsetCommitCallback() {
        @Override
        public void onComplete(Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> map, Exception exception) {
            if (exception != null) {
                System.err.println("Commit failed for " + map);
                System.err.println("Commit failed exception: " +
                        exception.getStackTrace());
            }
        }
    });
}

⻓轮询poll消息

默认情况下,消费者⼀次会poll500条消息

//⼀次poll最⼤拉取消息的条数,可以根据消费速度的快慢来设置
props.put(ConsumerConfig.MAX_POLL_RECORDS_CONFIG, 500);

//如果两次poll的时间如果超出了30s的时间间隔,kafka会认为其消费能⼒过弱,将其踢出消费组。将分区分配给其他消费者
props.put(ConsumerConfig.MAX_POLL_INTERVAL_MS_CONFIG, 30 * 1000);

ConsumerRecords<String, String> records =consumer.poll(Duration.ofMillis(1000));
...后续逻辑

代码中设置了⻓轮询的时间是1000毫秒,意味着:

  • 如果⼀次poll到500条,就直接往下执行;如果这⼀次没有poll到500条且时间在1秒内,那么⻓轮询继续poll,要么到500
    条,要么到1s ,如果多次poll都没达到500条,且1秒时间到了,那么也往下执行‘

  • 如果两次poll的间隔超过30s,集群会认为该消费者的消费能⼒过弱,该消费者被踢出消费组,触发rebalance机制,rebalance机制会造成性能开销。

消费者的健康状态检查

消费者每隔1s向kafka集群发送⼼跳,集群发现如果有超过10s没有续约的消费者,将被踢出消费组,触发该消费组的rebalance机制,将该分区交给消费组⾥的其他消费者进⾏消费;

//consumer给broker发送⼼跳的间隔时间
props.put(ConsumerConfig.HEARTBEAT_INTERVAL_MS_CONFIG, 1000);
//kafka如果超过10秒没有收到消费者的⼼跳,则会把消费者踢出消费组,进⾏rebalance,把分区分配给其他消费者。
props.put(ConsumerConfig.SESSION_TIMEOUT_MS_CONFIG, 10 * 1000);

指定时间消费

根据时间,去所有的partition中确定该时间对应的offset,然后去所有的partition中找到该offset之后的消息开始消费

	/**
	*指定消费30分钟前-now  所创建的消息
	*/
    public static void consumerBefore30Min(KafkaConsumer<String, String> consumer){
        List<PartitionInfo> topicPartitions =
                consumer.partitionsFor(TOPIC_NAME);
        //从1⼩时前开始消费
        long fetchDataTime = System.currentTimeMillis() - 1000 * 60 * 30;
        Map<TopicPartition, Long> map = new HashMap<>();
        for (PartitionInfo par : topicPartitions) {
            map.put(new TopicPartition(TOPIC_NAME, par.partition()),
                    fetchDataTime);
        }
        Map<TopicPartition, OffsetAndTimestamp> parMap =
                consumer.offsetsForTimes(map);
        for (Map.Entry<TopicPartition, OffsetAndTimestamp> entry :
                parMap.entrySet()) {
            TopicPartition key = entry.getKey();
            OffsetAndTimestamp value = entry.getValue();
            if (key == null || value == null) {
                continue;
            }
            Long offset = value.offset();
            System.out.println("partition-" + key.partition() +
                    "|offset-" + offset);
            System.out.println();
            //根据消费⾥的timestamp确定offset
            if (value != null) {
                consumer.assign(Arrays.asList(key));
                consumer.seek(key, offset);
            }
        }
    }

新消费组的消费offset规则

新消费组中的消费者在启动以后,默认会从当前分区的最后⼀条消息的offset+1开始消费(消费新消息)。可以通过以下的设置,让新的消费者第⼀次从头开始消费。之后开始消费新消息(最后消费的位置的偏移量+1)

  • Latest:默认配置,消费新消息
  • earliest:第⼀次从头开始消费。之后开始消费新消息
props.put(ConsumerConfig.AUTO_OFFSET_RESET_CONFIG, "earliest");

Springboot中使⽤Kafka

1、引入依赖

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.kafka</groupId>
            <artifactId>spring-kafka</artifactId>
        </dependency>

2、编写配置⽂件

server:
  port: 8081

spring:
  kafka:
    bootstrap-servers: 127.0.0.1:9092
    producer:
      retries: 3
      batch-size: 16384
      buffer-memory: 33554432
      acks: 1
      key-serializer: org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer
      value-serializer: org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer
    consumer:
      group-id: default-group
      enable-auto-commit: false
      auto-offset-reset: earliest
      key-deserializer: org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer
      value-deserializer: org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer
      max-poll-records: 500
    listener:
      # 当每⼀条记录被消费者监听器(ListenerConsumer)处理之后提交
      # RECORD
      # 当每⼀批poll()的数据被消费者监听器(ListenerConsumer)处理之后提交
      # BATCH
      # 当每⼀批poll()的数据被消费者监听器(ListenerConsumer)处理之后,距离上次提交时间⼤于TIME时提交
      # TIME
      # 当每⼀批poll()的数据被消费者监听器(ListenerConsumer)处理之后,被处理record数量⼤于等于COUNT时提交
      # COUNT
      # TIME | COUNT 有⼀个条件满⾜时提交
      # COUNT_TIME
      # 当每⼀批poll()的数据被消费者监听器(ListenerConsumer)处理之后, ⼿动调⽤Acknowledgment.acknowledge()后提交
      # MANUAL
      # ⼿动调⽤Acknowledgment.acknowledge()后⽴即提交,⼀般使⽤这种
      # MANUAL_IMMEDIATE
      ack-mode: MANUAL_IMMEDIATE

3、编写消息⽣产者

@RestController
@RequestMapping("/msg")
public class MyKafkaController {
    private final static String TOPIC_NAME = "testA";

    @Autowired
    private KafkaTemplate<String,String> kafkaTemplate;

    @RequestMapping("/send")
    public String sendMessage(){
        kafkaTemplate.send(TOPIC_NAME,0,"key","this is a message!");
        return "send success!";
    }
}

4、编写消费者

@Component
public class MyConsumer {
    @KafkaListener(topics = "testA")
    /*    @KafkaListener(groupId = "testGroup", topicPartitions = {
            @TopicPartition(topic = "topic1", partitions = {"0", "1"}),
            @TopicPartition(topic = "topic2", partitions = "0",
                    partitionOffsets = @PartitionOffset(partition = "1",
                            initialOffset = "100"))
    },concurrency = "3")//concurrency就是同组下的消费者个数,就是并发消费数,建议⼩于等于分区总数*/
    public void listenGroup(ConsumerRecord<String, String> record,
                            Acknowledgment ack) {
        String value = record.value();
        System.out.println(value);
        System.out.println(record);
        //⼿动提交offset
        ack.acknowledge();
    }
}

启动项目,执行http://localhost:8081/msg/send,控制台打印:

this is a message!
ConsumerRecord(topic = testA, partition = 0, leaderEpoch = 0, offset = 17, CreateTime = 1644403908306, serialized key size = 3, serialized value size = 18, headers = RecordHeaders(headers = [], isReadOnly = false), key = key, value = this is a message!)

Kafka集群中的controller、rebalance、HW

1、controller

每个broker启动时会向zk创建⼀个临时序号节点,获得的序号最⼩的那个broker将会作为集群中的controller,负责这么⼏件事:

  • 当集群中有⼀个副本的leader挂掉,需要在集群中选举出⼀个新的leader,选举的规则是从isr集合中最左边获得。
  • 当集群中有broker新增或减少,controller会同步信息给其他broker
  • 当集群中有分区新增或减少,controller会同步信息给其他broker

2、rebalance(重平衡)机制

前提是:消费者没有指明分区消费。当消费组里消费者和分区的关系发生变化,那么就会触发rebalance机制,这个机制会重新调整消费者消费哪个分区。
在这里插入图片描述

在触发rebalance机制之前,消费者消费哪个分区有三种策略:

  • range:通过公示来计算某个消费者消费哪个分区
  • 轮询:大家轮着消费
  • sticky:在触发了rebalance后,在消费者消费的原分区不变的基础上进行调整。

range与轮询会将现有的消费关系全部去除并且重新分配,对性能肯定会有所影响!

3、HW(High WaterMark 高水位)和LEO

LEO是某个副本最后消息的消息位置(log-end-offset)

HW是已完成同步的位置。消息在写⼊broker时,且每个broker完成这条消息的同步后,hw才会变化。在这之前消费者是消费不到这条消息的。在同步完成之后,HW更新之后,消费者才能消费到这条消息,这样的⽬的是防⽌消息的丢失;
在这里插入图片描述

Kafka相关问题优化

1、如何防⽌消息丢失?

⽣产者:

  • 使⽤同步发送 ;
  • 把ack设成1或者all,并且设置同步的分区数>=2;

消费者:把⾃动提交改成⼿动提交;

2、如何防⽌重复消费?

如果⽣产者发送完消息后,因为⽹络抖动,没有收到ack,但实际上broker已经收到了。此时⽣产者会进⾏重试,于是broker就会收到多条相同的消息,⽽造成消费者的重复消费;

解决方案:

  • ⽣产者关闭重试,会造成丢消息(不建议)
  • 消费者解决⾮幂等性消费问题

3、如何做到消息的顺序消费?

⽣产者:保证消息按顺序消费,且消息不丢失——使⽤同步的发送,ack设置成⾮0的值。
消费者:主题只能设置⼀个分区,消费组中只能有⼀个消费者;

4、如何解决消息积压问题?

消息的消费者的消费速度远赶不上⽣产者的⽣产消息的速度,导致kafka中有⼤量的数据没有被消费;

解决方案:

  • 使⽤多线程进行消费;
  • 新增pod;
  • 优化业务代码,提高执行效率;
  • 批量消费

5、Kafka Eagle

Kafka Eagle监控系统是一款用来监控Kafka集群的工具,支持管理多个Kafka集群、管理Kafka主题(包含查看、删除、创建等)、消费者组合消费者实例监控、消息阻塞告警、Kafka集群健康状态查看等;