2020年11月30日星期一

Kafka 会不会丢消息?

一、认识 Kafka

Kafka 是分布式发布-订阅消息系统。它最初由 LinkedIn 公司开发,之后成为 Apache 项目的一部分。

Kafka 是一个分布式的,可划分的,冗余备份的持久性的日志服务。它主要用于处理活跃的流式数据。

1. kafka 架构

Kafka 的整体架构非常简单,是显式分布式架构,主要由 producer、broker(kafka)和 consumer 组成。

Producer(生产者)可以将数据发布到所选择的 topic(主题)中。生产者负责将记录分配到 topic 的哪一个 partition(分区)中。可以使用循环的方式来简单地实现负载均衡,也可以根据某些语义分区函数(如记录中的key)来完成。

Consumer(消费者)使用一个consumer group(消费组)名称来进行标识,发布到 topic 中的每条记录被分配给订阅消费组中的一个消费者实例。消费者实例可以分布在多个进程中或者多个机器上。

二、Kafka 到底会不会丢失消息?

在讨论 kafka 是否丢消息前先来了解一下什么是消息传递语义。

message delivery semantic 也就是消息传递语义,简单说就是消息传递过程中消息传递的保证性。主要分为三种:

  • at most once:最多一次。消息可能丢失也可能被处理,但最多只会被处理一次。
  • at least once:至少一次。消息不会丢失,但可能被处理多次。可能重复,不会丢失。
  • exactly once:精确传递一次。消息被处理且只会被处理一次。不丢失不重复就一次。

理想情况下肯定是希望系统的消息传递是严格 exactly once,也就是保证不丢失、只会被处理一次,但是很难做到。

回到主角 Kafka,Kafka 有三次消息传递的过程:

  • 生产者发消息给 Kafka Broker。
  • Kafka Broker 消息同步和持久化
  • Kafka Broker 将消息传递给消费者。

在这三步中每一步都有可能会丢失消息,下面详细分析为什么会丢消息,如何最大限度避免丢失消息。

三、生产者丢失消息

先介绍一下生产者发送消息的一般流程(部分流程与具体配置项强相关,这里先忽略):

  1. 生产者是与 leader 直接交互,所以先从集群获取 topic 对应分区的 leader 元数据;
  2. 获取到 leader 分区元数据后直接将消息发给过去;
  3. Kafka Broker 对应的 leader 分区收到消息后写入文件持久化;
  4. Follower 拉取 Leader 消息与 Leader 的数据保持一致;
  5. Follower 消息拉取完毕需要给 Leader 回复 ACK 确认消息;
  6. Kafka Leader 和 Follower 分区同步完,Leader 分区会给生产者回复 ACK 确认消息。

生产者采用 push 模式将数据发布到 broker,每条消息追加到分区中,顺序写入磁盘。消息写入 Leader 后,Follower 是主动与 Leader 进行同步。

Kafka 消息发送有两种方式:同步(sync)和异步(async),默认是同步方式,可通过 producer.type 属性进行配置。

Kafka 通过配置 request.required.acks 属性来确认 Producer 的消息:

  • 0:表示不进行消息接收是否成功的确认;不能保证消息是否发送成功,生成环境基本不会用。
  • 1:默认值,表示当 Leader 接收成功时确认;只要 Leader 存活就可以保证不丢失,保证了吞吐量。所以默认的 producer 级别是 at least once。
  • all:保证 leader 和 follower 不丢,但是如果网络拥塞,没有收到 ACK,会有重复发的问题。

如果 acks 配置为 0,发生网络抖动消息丢了,生产者不校验 ACK 自然就不知道丢了。

如果 acks 配置为 1 保证 leader 不丢,但是如果 leader 挂了,恰好选了一个没有 ACK 的 follower,那也丢了。

如果 acks 配置为 all 保证 leader 和 follower 不丢,但是如果网络拥塞,没有收到 ACK,会有重复发的问题。

四、Kafka Broker 丢失消息

Kafka Broker 接收到数据后会将数据进行持久化存储,你以为是下面这样的:

没想到是这样的:

操作系统本身有一层缓存,叫做 Page Cache,当往磁盘文件写入的时候,系统会先将数据流写入缓存中,至于什么时候将缓存的数据写入文件中是由操作系统自行决定。

Kafka 提供了一个参数 producer.type 来控制是不是主动 flush,如果 Kafka 写入到 mmap 之后就立即 flush 然后再返回 Producer 叫同步 (sync);写入 mmap 之后立即返回 Producer 不调用 flush 叫异步 (async)。

Kafka 通过多分区多副本机制中已经能最大限度保证数据不会丢失,如果数据已经写入系统 cache 中但是还没来得及刷入磁盘,此时突然机器宕机或者掉电那就丢了,当然这种情况很极端。

五、消费者丢失消息

消费者通过 pull 模式主动的去 kafka 集群拉取消息,与 producer 相同的是,消费者在拉取消息的时候也是找 leader 分区去拉取。

多个消费者可以组成一个消费者组(consumer group),每个消费者组都有一个组id。同一个消费者组的消费者可以消费同一 topic 下不同分区的数据,但是不会出现多个消费者消费同一分区的数据。

消费者消费的进度通过 offset 保存在 kafka 集群的 __consumer_offsets 这个 topic 中。

消费消息的时候主要分为两个阶段:

  1. 标识消息已被消费,commit offset坐标;
  2. 处理消息。

先 commit 再处理消息。如果在处理消息的时候异常了,但是 offset 已经提交了,这条消息对于该消费者来说就是丢失了,再也不会消费到了。

先处理消息再 commit。如果在 commit 之前发生异常,下次还会消费到该消息,重复消费的问题可以通过业务保证消息幂等性来解决。

六、总结

那么问题来了,kafka到底会不会丢消息?答案是:会!

Kafka可能会在三个阶段丢失消息:

  1. 生产者发送数据;
  2. Kafka Broker 存储数据;
  3. 消费者消费数据;

在生产环境中严格做到 exactly once 其实是难的,同时也会牺牲效率和吞吐量,最佳实践是业务侧做好补偿机制,万一出现消息丢失可以兜底。



原文链接:面试被问:Kafka 会不会丢消息?我是这么答的









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