核心总控制器Controller

• Kafka集群中会有一个或者多个broker，其中有一个broker会被选举为控制器（Kafka Controller），它负责管理整个集群中所有分区和副本的状态。
• 当某个分区的leader副本出现故障时，由控制器负责为该分区选举新的leader副本
• 当检测到某个分区的ISR集合发生变化时，由控制器负责通知所有broker更新其元数据信息。
• 当使用kafka-topics.sh脚本为某个topic增加分区数量时，同样还是由控制器负责让新分区被其他节点感知到。

Controller选举机制

• 集群中每个broker都会尝试在zookeeper上创建一个 /controller 临时节点，zookeeper会保证有且仅有一个broker能创建成功。
• 当这个controller角色的broker宕机了，此时zookeeper临时节点会消失，集群里其他broker会一直监听这个临时节点，发现临时节点消失了，就竞争再次创建临时节点。

Controller职责

• 监听broker相关的变化。
• 监听topic相关的变化
• 从Zookeeper中读取获取当前所有与topic、partition以及broker有关的信息并进行相应的管理
• 更新集群的元数据信息，同步到其他普通的broker节点中

Partition副本选举Leader机制

• controller感知到分区leader所在的broker挂了，controller会从ISR列表里挑第一个broker作为leader(第一个broker最先放进ISR列表，可能是同步数据最多的副本)

副本进入ISR列表条件

• 副本节点不能产生分区，必须能与zookeeper保持会话以及跟leader副本网络连通
• 副本能复制leader上的所有写操作，并且不能落后太多(与leader副本同步滞后的副本，是由 replica.lag.time.max.ms 配置决定的，超过这个时间都没有跟leader同步过的一次的副本会被移出ISR列表)

消费者消费消息的offset记录机制

每个consumer会定期将自己消费分区的offset提交给kafka内部topic：__consumer_offsets，提交过去的时候，key是consumerGroupId+topic+分区号，value就是当前offset的值。

消费者Rebalance机制

定义

• rebalance就是说如果消费组里的消费者数量有变化或消费的分区数有变化，kafka会重新分配消费者消费分区的关系。

触发情况

• 消费组里的consumer增加或减少了
• 动态给topic增加了分区
• 消费组订阅了更多的topic

产生问题

rebalance过程中，消费者无法从kafka消费消息，对kafka的TPS有影响

注意

rebalance只针对subscribe这种不指定分区消费的情况，如果通过assign这种消费方式指定了分区，kafka不会进行rebanlance。

但是assign指定分区，他是效率不高的。

消费者Rebalance分区分配策略

range策略

按照分区序号排序

round-robin策略

轮询分配

sticky策略

初始时分配策略与round-robin类似，但是在rebalance的时候，需要保证如下两个原则:1）分区的分配要尽可能均匀 。2）分区的分配尽可能与上次分配的保持相同。

Rebalance过程

1. 选择组协调器
2. 加入消费组JOIN GROUP
3. SYNC GROUP

producer发布消息机制剖析

写入方式

采用 push 模式将消息发布到 broker，每条消息都被 append 到 patition 中，属于顺序写磁盘（顺序写磁盘效率比随机写内存要高，保障 kafka 吞吐率）

消息路由

producer 发送消息到 broker 时，会根据分区算法选择将其存储到哪一个 partition。

其路由机制为:

1. 指定了 patition，则直接使用；
2. 未指定 patition 但指定 key，通过对 key 的 value 进行hash 选出一个 patition
3. patition 和 key 都未指定，使用轮询选出一个 patition。

日志分段存储

• 一个分区的消息数据对应存储在一个文件夹下，以topic名称+分区号命名，消息在分区内是分段(segment)存储，每个段的消息都存储在不一样的log文件里，这种特性方便old segment file快速被删除，kafka规定了一个段位的 log 文件最大为 1G，做这个限制目的是为了方便把 log 文件加载到内存去操作
• 一个日志段文件满了，就自动开一个新的日志段文件来写入，避免单个文件过大，影响文件的读写性能，这个过程叫做 log rolling，正在被写入的那个日志段文件，叫做 active log segment。

kafka zookeeper 节点 (opens new window)