Kafka 生产者

发送流程

消息发送过程中涉及到两个线程——main线程和Sender线程

main线程

• 使用serializer（并非java默认）序列化数据，使用partitioner确认发送分区

• 在main线程中创建了一个双端队列RecordAccumulator，main线程将批次数据发送给RecordAccumulator。创建批次数据是从内存池中分配内存，在发送成功后释放到内存池

• Sender线程不断从RecordAccumulator中拉取消息发送给kafka Broker

• 一个分区创建一个DQuene，在内存中完成RecordAccumulator（缓冲队列）的创建（总大小默认32M），每批次大小默认16K

sender线程

• 数据到达batch.size护着linger.ms之后，sender线程开始发送数据

• sender创建请求队列（每个broker一个），默认最多缓存5个请求

• 发送完成后等待broker的ack应答

  • 0，表示不需要等待落盘
  • 1，表示等待leader收到数据后应答
  • -1（all），表示等待leader和ISR队列中的所有节点收到数据后应答

• 发送成功则sender清除队列，并清理RecordAccumulator中每一个分区的数据，失败则重试再次发送

生产者相关参数

• bootstrap.servers ，连接的broker清单

• key.serializer 和 value.serializer，指定发送消息的 key 和 value 的序列化类型

• buffer.memory RecordAccumulator，缓冲区总大小，默认 32m

• batch.size 缓冲区一批数据最大值，默认 16k。适当增加该值，可 以提高吞吐量，但是如果该值设置太大，会导致数据 传输延迟增加。

• linger.ms，如果数据迟迟未达到 batch.size，sender 等待 linger.time 之后就会发送数据。单位 ms，默认值是 0ms，表示没 有延迟。生产环境建议该值大小为 5-100ms 之间。

• acks

  • 0：生产者发送过来的数据，不需要等数据落盘应答。

  • 1：生产者发送过来的数据，Leader 收到数据后应答。

  • -1（all）：生产者发送过来的数据，Leader+和 isr 队列 里面的所有节点收齐数据后应答。默认值是-1，-1 和 all 是等价的。

• max.in.flight.requests.per.connection，允许最多没有返回 ack 的次数，默认为 5，开启幂等性要保证该值是 1-5 的数字。

• retries，当消息发送出现错误的时候，系统会重发消息。

  • retries 表示重试次数。默认是 int 最大值，2147483647。
  • 如果设置了重试，还想保证消息的有序性，需要设置 MAX_IN_FLIGHT_REQUESTS_PER_CONNECTION=1 否则在重试此失败消息的时候，其他的消息可能发送 成功了。

• retry.backoff.ms，两次重试之间的时间间隔，默认是 100ms。

• enable.idempotence，是否开启幂等性，默认 true，开启幂等性。

• compression.type，生产者发送的所有数据的压缩方式。默认是 none，也 就是不压缩。 支持压缩类型：none、gzip、snappy、lz4 和 zstd。

异步发送

异步发送指的是外部数据向RecordAccumulator发送数据的过程

不带回调的异步发送

maven依赖

<dependency>
	<groupId>org.apache.kafka</groupId>
	<artifactId>kafka-clients</artifactId>
	<version>3.0.0</version>
</dependency>
<dependency>
      <groupId>org.slf4j</groupId>
      <artifactId>slf4j-simple</artifactId>
      <version>1.7.25</version>
      <scope>compile</scope>
</dependency>

发送demo

import java.util.Properties;
import org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;

public class CustomerProducer {

    public static void main(String[] args) {
        //创建配置对象
        Properties properties = new Properties();
        properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "master:9092,slave1:9092");
        //key，value序列化
        properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        //创建kafka对象
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);
        //发送数据
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first", "hello" + i));
        }
        kafkaProducer.close();
    }
}

带回调函数的异步发送

回调函数会在producer收到ack时调用，有两个参数

• 元数据信息（RecordMetadata）和异常信息（Exception）
• 如果 Exception 为 null，说明消息发 送成功，如果 Exception 不为 null，说明消息发送失败
• 回调中获取的metadata来自于RecordAccumulator

import java.util.Properties;
import org.apache.kafka.clients.producer.Callback;
import org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerRecord;
import org.apache.kafka.clients.producer.RecordMetadata;
import org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer;

public class CustomerProducerCallback {

    public static void main(String[] args) {
        //创建配置对象
        Properties properties = new Properties();
        properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "master:9092,slave1:9092");
        //key，value序列化
        properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        // tls 连接
        // properties.put("security.protocol", "SSL");
        // properties.put("sasl.mechanism", "SCRAM-SHA-512");
        //创建kafka对象
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);
        //发送数据
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first", "hello" + i), new Callback() {
                @Override
                public void onCompletion(RecordMetadata recordMetadata, Exception e) {
                    if (e == null){
                        System.out.println("topic:"+recordMetadata.topic()+" partition:"+recordMetadata.partition());
                    }
                }
            });
        }
        kafkaProducer.close();
    }
}

output:
[main] INFO org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig - ProducerConfig values: 
        acks = -1
        batch.size = 16384
        bootstrap.servers = [localhost:9092, localhost:9092]
        buffer.memory = 33554432
        client.dns.lookup = use_all_dns_ips
        client.id = producer-1
        compression.type = none
        connections.max.idle.ms = 540000
        delivery.timeout.ms = 120000
        enable.idempotence = true
        interceptor.classes = []
        key.serializer = class org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer
        linger.ms = 0
        max.block.ms = 60000
        max.in.flight.requests.per.connection = 5
        max.request.size = 1048576
        metadata.max.age.ms = 300000
        metadata.max.idle.ms = 300000
        metric.reporters = []
        metrics.num.samples = 2
        metrics.recording.level = INFO
        metrics.sample.window.ms = 30000
        partitioner.class = class com.example.MyPartitioner
        receive.buffer.bytes = 32768
        reconnect.backoff.max.ms = 1000
        reconnect.backoff.ms = 50
        request.timeout.ms = 30000
        retries = 2147483647
        retry.backoff.ms = 100
        sasl.client.callback.handler.class = null
        sasl.jaas.config = null
        sasl.kerberos.kinit.cmd = /usr/bin/kinit
        sasl.kerberos.min.time.before.relogin = 60000
        sasl.kerberos.service.name = null
        sasl.kerberos.ticket.renew.jitter = 0.05
        sasl.kerberos.ticket.renew.window.factor = 0.8
        sasl.login.callback.handler.class = null
        sasl.login.class = null
        sasl.login.refresh.buffer.seconds = 300
        sasl.login.refresh.min.period.seconds = 60
        sasl.login.refresh.window.factor = 0.8
        sasl.login.refresh.window.jitter = 0.05
        sasl.mechanism = GSSAPI
        security.protocol = PLAINTEXT
        security.providers = null
        send.buffer.bytes = 131072
        socket.connection.setup.timeout.max.ms = 30000
        socket.connection.setup.timeout.ms = 10000
        ssl.cipher.suites = null
        ssl.enabled.protocols = [TLSv1.2, TLSv1.3]
        ssl.endpoint.identification.algorithm = https
        ssl.engine.factory.class = null
        ssl.key.password = null
        ssl.keymanager.algorithm = SunX509
        ssl.keystore.certificate.chain = null
        ssl.keystore.key = null
        ssl.keystore.location = null
        ssl.keystore.password = null
        ssl.keystore.type = JKS
        ssl.protocol = TLSv1.3
        ssl.provider = null
        ssl.secure.random.implementation = null
        ssl.trustmanager.algorithm = PKIX
        ssl.truststore.certificates = null
        ssl.truststore.location = null
        ssl.truststore.password = null
        ssl.truststore.type = JKS
        transaction.timeout.ms = 60000
        transactional.id = null
        value.serializer = class org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer

[main] INFO org.apache.kafka.common.utils.AppInfoParser - Kafka version: 3.0.0
[main] INFO org.apache.kafka.common.utils.AppInfoParser - Kafka commitId: 8cb0a5e9d3441962
[main] INFO org.apache.kafka.common.utils.AppInfoParser - Kafka startTimeMs: 1687969802272
[kafka-producer-network-thread | producer-1] INFO org.apache.kafka.clients.Metadata - [Producer clientId=producer-1] Cluster ID: MqCwKFtET36BCuCusypwCg
[main] INFO org.apache.kafka.clients.producer.KafkaProducer - [Producer clientId=producer-1] Closing the Kafka producer with timeoutMillis = 9223372036854775807 ms
topic:first partition:0
topic:first partition:0
topic:first partition:0
topic:first partition:0
topic:first partition:0

同步发送

外部数据发送到RecordAccumulator之后，需要等到全部发送到kafka集群才会发送下一批

public class CustomerProducerSync {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //创建配置对象
        Properties properties = new Properties();
        properties.put(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, "master:9092,slave1:9092");
        //key，value序列化
        properties.put(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        properties.put(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG, StringSerializer.class.getName());
        //创建kafka对象
        KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);
        //发送数据
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first", "hello" + i)).get(); //添加get即成为同步发送
        }
        kafkaProducer.close();
    }
}

生产者分区策略

生产者为什么要分区

• 便于合理使用存储资源， 每个Partition在一个Broker上存储， 可以把海量的数据按照分区切割成一块一块数据存储在多台Broker上。 合理控制分区的任务， 可以实现负载均衡的效果。

• 提高并行度， 生产者可以以分区为单位发送数据；消费者可以以分区为单位进行消费数据。

DefaultPartitioner，默认分区器的策略

• if partition is specified in th record, use it

• if no partition is specified but a key is present choose a partition based on a hash of the key

• if no partition or key is present choose the sticky partition that changes when the batch is full

对于PreducerRecord类，存在多种构造方法

• 如果指定partition，则发送到对应分区
• 如果未指定partition，但是指定key，通过将key的hash和topic的partition数进行取余得到partition的值
• 未指定partition和key，采用sticky partition（黏性分区），即随机选择一个分区并尽可能保持使用该分区。等到此分区的batch已满（到达16K）或者已完成，再随机选择一个分区（和上一次不同）使用

自定义分区器如下

public class MyPartitioner implements Partitioner {
    @Override
    public int partition(String s, Object key, byte[] bytes, Object value, byte[] bytes1, Cluster cluster) {
        int partition;
        String v = value.toString();
        if(v.contains("hello"))
            partition = 1;
        else 
            partition = 0;
        return partition;
    }

    @Override
    public void close() {}

    @Override
    public void configure(Map<String, ?> map) {}
}

//在CustomerProducer中添加配置信息
properties.put(ProducerConfig.PARTITIONER_CLASS_CONFIG,MyPartitioner.class.getName());

生产者提升吞吐量

• batch.size 设置批次大小，默认16k
• linger.ms 等待时间默认为0（batchsize不起作用），修改为5-100ms
• compression.type 压缩数据
• RecordAccumulator 缓冲区大小默认32m，修改为64m，但是太大会导致较高的延迟

//在CustomerProducer中添加配置信息,在输出的日志中都能看到
// batch.size： 批次大小， 默认 16K
properties.put(ProducerConfig.BATCH_SIZE_CONFIG,16384); 
// linger.ms： 等待时间，默认 0
properties.put(ProducerConfig.LINGER_MS_CONFIG,1); 
// RecordAccumulator： 缓冲区大小， 默认 32M： buffer.memory
properties.put(ProducerConfig.BUFFER_MEMORY_CONFIG,33554432); 
//默认none，可配置gzip，snappy，lz4，zstd
properties.put(ProducerConfig.COMPRESSION_TYPE_CONFIG,"snappy"); 

数据的可靠性

ACK应答级别

https://kafka.apache.org/documentation/#producerconfigs_acks

• ack = 0，leader数据不落盘就应答。此时如果leader故障，内存中的数据会丢失，生产环境不适用

• ack = 1，leader数据落盘但没有同步到follower就应答，常用于传输日志

• ack = -1，leader数据落盘并等待同步到所有follower在应答，和钱相关可靠性要求比较高的场景

ISR对列

对于ack为-1的情况，如果leader收到数据，所有follower开始同步数据，但某个follower出现故障迟迟不能回复，如何解决？

• leader维护了一个动态的in-sync replica set（ISR），即和leader保持同步的follwer-leader集合(leader:0, isr:0,1,2)
• 如果follower长时间未向leader发送通信请求或同步数据，follower将被提出ISR，时间阈值由replica.lag.time.max.ms参数设定，默认30s

数据可靠性分析

• 实际上，如果分区副本设置为1，或者ISR应答的最小副本数量为1（min.insync.replicas默认为1），和ack=1的效果一样，仍然有丢失数据的风险

$$数据完全可靠条件=ACK级别设置为-1+分区副本大于等于2+ISR中应答的最小副本数大于等于2$$

//在CustomerProducer中添加配置信息,在输出的日志中都能看到
// 设置 acks
properties.put(ProducerConfig.ACKS_CONFIG,1);
// 重试次数 retries，默认是 int 最大值， 2147483647
properties.put(ProducerConfig.RETRIES_CONFIG,3);

数据重复分析

对于ack=-1的配置，如果leader收到数据并同步到follower之后，但是还没有进行应答，突然宕机。此时会选举新的leader，producer会发送同样的数据造成数据重复

数据传递语义

• 至少一次（at least once）

  • ACK级别设置为-1 + 分区副本 >= 2 + ISR中应答的最小副本数>=2
  • 至少一次（at least once）保证数据不丢失，但不保证数据不重复

• 最多一次（at most once）

  • ACK为 0
  • 最多一次（at most once）保证数据不重复，但是不保证数据不丢

• 精确一次（exactly once）：开启幂等性+至少一次（ACK级别设置为-1+分区副本>=2 + ISR中应答的最小副本数>=2）

幂等性

幂等性能够保证无论producer向broker发送多少数据，始终保证broker只持久化一条数据
$$精确一次(exactlyonce)=幂等性+至少一次(ACK(-1)+分区副本>=2+ISR中应答的最小副本数>=2)$$
幂等性判断重复数据的标准，具有<PID，partition，seqnumber>相同主键的消息提交时，broker只会持久化一条，其中的PID是kafka每次重启都会分配新的，partition表示分区号，sequence number单调递增

• 幂等性只能保证单分区单会话内不重复，kafka重启后pid会重置

• 开启参数enable.Idempotence，默认开启为true，kafka在内存中直接将重复的数据删除

重启之后还是可能产生重复数据，需要使用生产者事务

事务原理

由于幂等性只能保证在单分区和会话保证数据不重复，因此需要事务的来实现

• 开启事务，必须开启幂等性

kafka事务的api

// 1 初始化事务
void initTransactions();
// 2 开启事务
void beginTransaction() throws ProducerFencedException;
// 3 在事务内提交已经消费的偏移量（主要用于消费者）
void sendOffsetsToTransaction(Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> offsets,
String consumerGroupId) throws
ProducerFencedException;
// 4 提交事务
void commitTransaction() throws ProducerFencedException;
// 5 放弃事务（类似于回滚事务的操作）
void abortTransaction() throws ProducerFencedException;

使用事务保证消息的仅一次发送

//重要：手动指定事务id
properties.put(ProducerConfig.TRANSACTIONAL_ID_CONFIG,"transaction_id_0");
//创建kafka对象
KafkaProducer<String, String> kafkaProducer = new KafkaProducer<>(properties);
kafkaProducer.initTransactions();
kafkaProducer.beginTransaction();
try {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        kafkaProducer.send(new ProducerRecord<>("first", "world" + i), new Callback() {
            @Override
            public void onCompletion(RecordMetadata recordMetadata, Exception e) {
                if (e == null) {
                    System.out.println("topic:" + recordMetadata.topic() + " partition:" + recordMetadata.partition());
                }
            }
        }).get();
    }
    //发送数据
    kafkaProducer.commitTransaction();
} catch (Exception e) {
    kafkaProducer.abortTransaction();
} finally {
    kafkaProducer.close();
}

数据有序

• producer在不同分区内产生数据，无法保证有序
• 单分区内，有序（有条件）
• 多分区，分区之间无序。多分区有序，需要在comsumer端收到所有数据后进行整体重排序

数据乱序

kafka在1.x版本之前保证数据单分区有序，条件是max.in.flight.requests.per.connection =1（不需要考虑幂等性）

kafka在1.x版本之后

• 未开启幂等性，max.in.flight.requests.per.connection =1

• 开启幂等性，max.in.flight.requests.per.connection <= 5。原因：开启幂等性后kafka服务端会缓存producer发来的最近5个request的元数据，通过重新排序来保证有序