一个故事理解消息队列-下

这是一篇迟到一月有余的文章。在7月18号，我用了一个故事作为案例，介绍了消息队列的基本功能和应用场景。本打算第二天介绍消息队列的主要功能特性的，由于文章排期等其他因素影响，顾更新搁置了。这篇文章，接上篇《一个故事理解消息队列-上》，以Kafka为例，为大家介绍消息队列的主要功能特性。

Kafka核心组件

介绍消息队列功能特性之前，先介绍Kafka的核心组件。其工作原理如下图所示：PS：懒得自己画图了，网上随便找的，网图侵删。Producer(生产者)：发送消息的一方，负责将消息发送到Kafka的主题(Topic)。Consumer(消费者)：接受消息的一方，订阅主题并处理其中的消息。Topic(主题)：可将其理解为消息类型，Kafka中的消息以Topic为单位进行划分，生产者将消息发送到对应的Topic，消费者订阅不同Topic的消息并进行消费处理。Broker(代理)：Kafka服务集群中一台服务器就是一个broker，支持水平扩展，同一Topic消息可以分布在多个broker中。Partition(分区)：主题的物理分片，主要作用是提高并行处理能力。Replica(副本)：Kafka中同一Partition的数据可以在多个Broker上存在，一般主副本对外提供读写服务，Controller只充当备份存储角色。当主副本所在的broker发生异常，Kafka会进行主从选举切换来保障其高可用。ZooKeeper：Kafka集群的元数据进行管理，以及承担分布式调度工作。

数据存储机制

首先要明确一点，Kafka中的消息存储于文件系统之中。Kafka的数据存储机制是采用顺序写入磁盘的方式，来提高数据写入性能。可能有些同学会认为数据存储于磁盘中，相比于内存来说速度会慢很多，但实际上只要磁盘结构设计合理，它的速度甚至可以和网络速度媲美。在Kafka中，Topic是一个逻辑概念，主要面向生产者和消费，物理上的数据存储其实是Partition(分区)。Partition中的消息被存储在多个Segment文件中，每个Segment文件由一组连续消息组成。Segment文件通过索引和日志文件进行管理，索引文件记录每条消息在日志文件中的偏移量。省流概括——Kafka的存储机制主要有如下几个特点：

• 顺序写入：通过顺序写入提高写入速度和磁盘利用率。
• 索引机制：通过索引快速定位消息，提高读取速率。
• Segment文件：消息采用分段存储，便于管理和清理。
• 日志清理策略：支持基于时间和大小的日志清理策略，确保存储空间有效利用。

顺序写入机制

Kafka是按照顺序写入机制来存储消息的，消息被存储于多个Partition(分区)中，每个分区都是一个有序且不可变的队列。生产者将消息发送到分区时，Kafka按照消息发送顺序将其追加到分区末尾。消费者按照订阅逻辑读取消息时，也是按照消息的存储顺序来逐条读取。因此，消息的顺序可以严格保证。对于某些特定业务场景来说，消息的有序性特别重要，比如银行金融和电商业务中的订单消息处理。针对这种特定的业务场景，还分为全局有序和局部有序两种类型。全局有序：即一个Topic中的所有消息都按照写入顺序进行读取消费。要实现这一特性，则需要保证一个Topic中只能存在一个Partition，且对应的消费者也要通过单线程等方式来保证消费顺序。局部有序：同一个Topic中的消息，只需要满足某个业务字段按照消息生产顺序消费即可。比如电商业务中的订单消息中包含orderid字段，只需要在消息写入时指定Partition Key，对其进行Hash计算，根据计算结果决定放入哪个Partition。然后订阅该消息的消费者按序进行读取消费即可。这种情况下，同一个Topic下依然可以存在多个Partition，进而可以提升整体吞吐量。

高可用容错机制

Kafka提供了消息持久化、重试机制和确认机制，确保消息不会丢失或重复处理，增强系统的容错能力。在Kafka中，通过如下几种机制来实现高可用和容错性：

• 副本机制：每个Partition有多个副本，主副本负责读写操作，其它副本定期从主副本同步数据。当主副本发生故障时，会从其他副本中选举新的主副本，即主从选举机制。
• AC机制：生产者发送消息时，可以设置ACK来确保消息被成功写入主副本和其他副本，保证数据不丢失。
• ISR(In-Sync Replica)机制：在Kafka中维护一个ISR列表，记录当前与主副本保持同步的副本，只有在列表中的副本才会参与主从选举。
• ZooKeeper协调：ZooKeeper在Kafka中的作用就是进行分布式协调，管理元数据和集群状态。

说到了高可用，那就不能不提高性能。Kafka的扩展性主要体现在如下几个方面：

• 水平扩展：增加Broker节点，扩展Kafka集群的存储和处理能力。
• Partition扩展：通过增加Partition(分区)数量，提高Topic的并行处理能力。
• 动态配置：Kafka支持在运行时动态调整部分配置，如Topic分区数量和副本因子。

ZooKeeper作用

Kafka通过ZooKeeper进行分布式协调、管理员数据和集群状态。在Kafka中，通过将Broker、Topic和Partition元数据信息存储在Zookeeper中，并在其上建立相应的数据节点，监听节点变化。其中，ZooKeeper主要承担如下几点职责：

• 状态监控：监控集群运行状态，保证系统一致性和高可用。
• 分布式协调：负责Broker注册发现、主从选举、负载均衡等功能。
• 元数据管理：存储Kafka元数据，包括Broker列表、Topic和Partition信息、ISR列表。