KafkaProducer源码分析
kafka常用术语
broker：kafka的服务端即kafka实例，kafka集群由一个或多个broker组成，主要负责接收和处理客户端的请求
topic：主题，kafka承载消息的逻辑容器，每条发布到kafka的消息都有对应的逻辑容器，工作中多用于区分业务
partition：分区，是物理概念，代表有序不变的消息序列，每个topic由一个或多个partion组成
replica：副本，kafka中同一条消息拷贝到多个地方做数据冗余，这些地方就是副本，副本分为leader和follower，角色不同作用不同，副本是对partition而言的，每个分区可配置多个副本来实现高可用
record：消息，kafka处理的对象
offset：消息位移，分区中每条消息的位置信息，是单调递增且不变的值
producer：生产者，向主题发送新消息的应用程序
consumer：消费者，从主题订阅新消息的应用程序
consumer offset：消费者位移，记录消费者的消费进度，每个消费者都有自己的消费者位移
consumer group：消费者组，多个消费者组成一个消费者组，同时消费多个分区来实现高可用（组内消费者的个数不能多于分区个数以免浪费资源）
reblance：重平衡，消费组内消费者实例数量变更后，其他消费者实例自动重新分配订阅主题分区的过程
下面用一张图展示上面提到的部分概念（用ppt画的图，太费劲了，画了老半天，有好用的画图工具欢迎推荐）
消息生产流程
先来个kafkaproducer的小demo
public static void main(string[] args) throws executionexception, interruptedexception {
if (args.length != 2) {
throw new illegalargumentexception("usage: com.ding.kafkaproducerdemo bootstrap-servers topic-name");
}
properties props = new properties();
// kafka服务器ip和端口，多个用逗号分割
props.put("bootstrap.servers", args[0]);
// 确认信号配置
// ack=0 代表producer端不需要等待确认信号，可用性最低
// ack=1 等待至少一个leader成功把消息写到log中，不保证follower写入成功，如果leader宕机同时follower没有把数据写入成功
// 消息丢失
// ack=all leader需要等待所有follower成功备份，可用性最高
props.put("ack", "all");
// 重试次数
props.put("retries", 0);
// 批处理消息的大小，批处理可以增加吞吐量
props.put("batch.size", 16384);
// 延迟发送消息的时间
props.put("linger.ms", 1);
// 用来换出数据的内存大小
props.put("buffer.memory", 33554432);
// key 序列化方式
props.put("key.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.stringserializer");
// value 序列化方式
props.put("value.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.stringserializer");
// 创建kafkaproducer对象，创建时会启动sender线程
producer<string, string> producer = new kafkaproducer<>(props);
for (int i = 0; i < 100; i++) {
// 往recordaccumulator中写消息
future<recordmetadata> result = producer.send(new producerrecord<>(args[1], integer.tostring(i), integer.tostring(i)));
recordmetadata rm = result.get();
system.out.println("topic: " + rm.topic() + ", partition: " + rm.partition() + ", offset: " + rm.offset());
}
producer.close();
}
实例化
kafkaproducer构造方法主要是根据配置文件进行一些实例化操作
1.解析clientid，若没有配置则由是producer-递增的数字
2.解析并实例化分区器partitioner，可以实现自己的partitioner，比如根据key分区，可以保证相同key分到同一个分区，对保证顺序很有用。若没有指定分区规则，采用默认的规则（消息有key，对key做hash，然后对可用分区取模；若没有key，用随机数对可用分区取模【没有key的时候说随机数对可用分区取模不准确，counter值初始值是随机的，但后面都是递增的，所以可以算到roundrobin】）
3.解析key、value的序列化方式并实例化
4.解析并实例化拦截器
5.解析并实例化recordaccumulator，主要用于存放消息（kafkaproducer主线程往recordaccumulator中写消息，sender线程从recordaccumulator中读消息并发送到kafka中）
6.解析broker地址
7.创建一个sender线程并启动
... this.sender = newsender(logcontext, kafkaclient, this.metadata); this.iothread = new kafkathread(iothreadname, this.sender, true); this.iothread.start(); ...
消息发送流程
消息的发送入口是kafkaproducer.send方法，主要过程如下
kafkaproducer.send kafkaproducer.dosend // 获取集群信息 kafkaproducer.waitonmetadata // key/value序列化 key\value serialize // 分区 kafkaproducer.partion // 创建topcipartion对象，记录消息的topic和partion信息 topicpartition // 写入消息 recordaccumulator.applend // 唤醒sender线程 sender.wakeup
recordaccumulator
recordaccumulator是消息队列用于缓存消息，根据topicpartition对消息分组
重点看下recordaccumulator.applend追加消息的流程
// 记录进行applend的线程数 appendsinprogress.incrementandget();
// 根据topicpartition获取或新建deque双端队列
deque<producerbatch> dq = getorcreatedeque(tp);
...
private deque<producerbatch> getorcreatedeque(topicpartition tp) {
deque<producerbatch> d = this.batches.get(tp);
if (d != null)
return d;
d = new arraydeque<>();
deque<producerbatch> previous = this.batches.putifabsent(tp, d);
if (previous == null)
return d;
else
return previous;
}
// 尝试将消息加入到缓冲区中
// 加锁保证同一个topicpartition写入有序
synchronized (dq) {
if (closed)
throw new kafkaexception("producer closed while send in progress");
// 尝试写入
recordappendresult appendresult = tryappend(timestamp, key, value, headers, callback, dq);
if (appendresult != null)
return appendresult;
}
private recordappendresult tryappend(long timestamp, byte[] key, byte[] value, header[] headers, callback callback, deque<producerbatch> deque) {
// 从双端队列的尾部取出producerbatch
producerbatch last = deque.peeklast();
if (last != null) {
// 取到了，尝试添加消息
futurerecordmetadata future = last.tryappend(timestamp, key, value, headers, callback, time.milliseconds());
// 空间不够，返回null
if (future == null)
last.closeforrecordappends();
else
return new recordappendresult(future, deque.size() > 1 || last.isfull(), false);
}
// 取不到返回null
return null;
}
public futurerecordmetadata tryappend(long timestamp, byte[] key, byte[] value, header[] headers, callback callback, long now) {
// 空间不够，返回null
if (!recordsbuilder.hasroomfor(timestamp, key, value, headers)) {
return null;
} else {
// 真正添加消息
long checksum = this.recordsbuilder.append(timestamp, key, value, headers);
...
futurerecordmetadata future = ...
// future和回调callback进行关联
thunks.add(new thunk(callback, future));
...
return future;
}
}
// 尝试applend失败（返回null），会走到这里。如果tryapplend成功直接返回了 // 从bufferpool中申请内存空间，用于创建新的producerbatch buffer = free.allocate(size, maxtimetoblock);
synchronized (dq) {
// 注意这里，前面已经尝试添加失败了，且已经分配了内存，为何还要尝试添加？
// 因为可能已经有其他线程创建了producerbatch或者之前的producerbatch已经被sender线程释放了一些空间，所以在尝试添加一次。这里如果添加成功，后面会在finally中释放申请的空间
recordappendresult appendresult = tryappend(timestamp, key, value, headers, callback, dq);
if (appendresult != null) {
return appendresult;
}
// 尝试添加失败了，新建producerbatch
memoryrecordsbuilder recordsbuilder = recordsbuilder(buffer, maxusablemagic);
producerbatch batch = new producerbatch(tp, recordsbuilder, time.milliseconds());
futurerecordmetadata future = utils.notnull(batch.tryappend(timestamp, key, value, headers, callback, time.milliseconds()));
dq.addlast(batch);
incomplete.add(batch);
// 将buffer置为null,避免在finally汇总释放空间
buffer = null;
return new recordappendresult(future, dq.size() > 1 || batch.isfull(), true);
}
finally {
// 最后如果再次尝试添加成功，会释放之前申请的内存（为了新建producerbatch）
if (buffer != null)
free.deallocate(buffer);
appendsinprogress.decrementandget();
}
// 将消息写入缓冲区
recordaccumulator.recordappendresult result = accumulator.append(tp, timestamp, serializedkey,serializedvalue, headers, interceptcallback, remainingwaitms);
if (result.batchisfull || result.newbatchcreated) {
// 缓冲区满了或者新创建的producerbatch，唤起sender线程
this.sender.wakeup();
}
return result.future;
sender发送消息线程
主要流程如下
sender.run sender.runonce sender.sendproducerdata // 获取集群信息 metadata.fetch // 获取可以发送消息的分区且已经获取到了leader分区的节点 recordaccumulator.ready // 根据准备好的节点信息从缓冲区中获取topicpartion对应的deque队列中取出producerbatch信息 recordaccumulator.drain // 将消息转移到每个节点的生产请求队列中 sender.sendproducerequests // 为消息创建生产请求队列 sender.sendproducerrequest kafkaclient.newclientrequest // 下面是发送消息 kafkaclient.sent networkclient.dosent selector.send // 其实上面并不是真正执行i/o，只是写入到kafkachannel中 // poll 真正执行i/o kafkaclient.poll
通过源码分析下sender线程的主要流程
kafkaproducer的构造方法在实例化时启动一个kafkathread线程来执行sender
// kafkaproducer构造方法启动sender string iothreadname = network_thread_prefix + " | " + clientid; this.iothread = new kafkathread(iothreadname, this.sender, true); this.iothread.start();
// sender->run()->runonce() long currenttimems = time.milliseconds(); // 发送生产的消息 long polltimeout = sendproducerdata(currenttimems); // 真正执行i/o操作 client.poll(polltimeout, currenttimems);
// 获取集群信息 cluster cluster = metadata.fetch();
// 获取准备好可以发送消息的分区且已经获取到leader分区的节点 recordaccumulator.readycheckresult result = this.accumulator.ready(cluster, now); // readycheckresult 包含可以发送消息且获取到leader分区的节点集合、未获取到leader分区节点的topic集合 public final set<node> 的节点; public final long nextreadycheckdelayms; public final set<string> unknownleadertopics;
ready方法主要是遍历在上面介绍recordaccumulator添加消息的容器，map<topicpartition, deque
然后对返回的unknownleadertopics进行遍历，将topic加入到metadata信息中，调用metadata.requestupdate方法请求更新metadata信息 对已经准备好的节点进行最后的检查，移除那些节点连接没有就绪的节点，主要根据kafkaclient.ready方法进行判断 下面开始创建生产消息的请求 把消息封装成clientrequest 调用kafkaclient发送消息（并非真正执行i/o），涉及到kafkachannel。kafka的通信采用的是nio方式 到这里，发送消息的工作准备的差不多了，调用kafkaclient.poll方法，真正执行i/o操作 用一张图总结sender线程的流程 通过上面的介绍，我们梳理出了kafka生产消息的主要流程，涉及到主线程往recordaccumulator中写入消息，同时后台的sender线程从recordaccumulator中获取消息，使用nio的方式把消息发送给kafka，用一张图总结 这是本公众号第一次尝试写源码相关的文章，说实话真不知道该如何下笔，代码截图、贴整体代码等感觉都被我否定了，最后采用了这种方式，介绍主要流程，把无关代码省略，配合流程图。 上周参加了华为云kafka实战课程，简单看了下kafka的生产和消费代码，想简单梳理下，然后在周日中午即8.17开始阅读源码，梳理流程，一直写到了晚上12点多，还剩一点没有完成，周一早晨早起完成了这篇文章。当然这篇文章忽略了很多更细节的东西，后面会继续深入，勇于尝试，不断精进，加油！ 华为云实战 极客时间kafka专栏// 遍历batches
for (map.entry<topicpartition, deque<producerbatch>> entry : this.batches.entryset()) {
topicpartition part = entry.getkey();
deque<producerbatch> deque = entry.getvalue();
// 根据topicpartition从集群信息获取leader分区所在节点
node leader = cluster.leaderfor(part);
synchronized (deque) {
if (leader == null && !deque.isempty()) {
// 添加未找到对应leader分区所在节点但有要发送的消息的topic
unknownleadertopics.add(part.topic());
} else if (!readynodes.contains(leader) && !ismuted(part, nowms)) {
....
if (sendable && !backingoff) {
// 添加准备好的节点
readynodes.add(leader);
} else {
...
}
for (string topic : result.unknownleadertopics)
this.metadata.add(topic);
result.unknownleadertopics);
this.metadata.requestupdate();
iterator<node> iter = result.readynodes.iterator();
long notreadytimeout = long.max_value;
while (iter.hasnext()) {
node node = iter.next();
// 调用kafkaclient.ready方法验证节点连接是否就绪
if (!this.client.ready(node, now)) {
// 移除没有就绪的节点
iter.remove();
notreadytimeout = math.min(notreadytimeout, this.client.polldelayms(node, now));
}
}
// 从recordaccumulator中取出topicpartition对应的deque双端队列，然后从双端队列头部取出producerbatch，作为要发送的信息
map<integer, list<producerbatch>> batches = this.accumulator.drain(cluster, result.readynodes, this.maxrequestsize, now);
clientrequest clientrequest = client.newclientrequest(nodeid, requestbuilder, now, acks != 0,requesttimeoutms, callback);
// networkclient.dosent方法
string destination = clientrequest.destination();
requestheader header = clientrequest.makeheader(request.version());
...
send send = request.tosend(destination, header);
inflightrequest inflightrequest = new inflightrequest(clientrequest,header,isinternalrequest,request,send,now);
this.inflightrequests.add(inflightrequest);
selector.send(send);
...
// selector.send方法
string connectionid = send.destination();
kafkachannel channel = openorclosingchannelorfail(connectionid);
if (closingchannels.containskey(connectionid)) {
this.failedsends.add(connectionid);
} else {
try {
channel.setsend(send);
...
client.poll(polltimeout, currenttimems);
后记
参考资料
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