kafka之六：为什么Kafka那么快

转自： http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIxMjAzMDA1MQ==&mid=2648945468&idx=1&sn=b622788361b384e152080b60e5ea69a7#rd

　　网上有很多Kafka的测试文章，测试结果通常都是“吊打”其他MQ。感慨它的牛B之余我觉得必要仔细分析一下它如此快速的原因。这篇文章不同于其他介绍Kafka使用或者技术实现的文章，我会重点解释——为什么真快。（当然不是因为它用了Scala！！！！）

生产者（写入数据）

生产者（producer）是负责向Kafka提交数据的，我们先分析这一部分。

Kafka会把收到的消息都写入到硬盘中，它绝对不会丢失数据。为了优化写入速度Kafak采用了两个技术， 顺序写入 和 MMFile 。

顺序写入

因为硬盘是机械结构，每次读写都会寻址->写入，其中寻址是一个“机械动作”，它是最耗时的。所以硬盘最“讨厌”随机I/O，最喜欢顺序I/O。为了提高读写硬盘的速度，Kafka就是使用顺序I/O。

上图就展示了Kafka是如何写入数据的， 每一个Partition其实都是一个文件 ，收到消息后Kafka会把数据插入到文件末尾（虚框部分）。

这种方法有一个缺陷—— 没有办法删除数据 ，所以Kafka是不会删除数据的，它会把所有的数据都保留下来，每个消费者（Consumer）对每个Topic都有一个offset用来表示 读取到了第几条数据 。

上图中有两个消费者，Consumer1有两个offset分别对应Partition0、Partition1（假设每一个Topic一个Partition）；Consumer2有一个offset对应Partition2。这个offset是由客户端SDK负责保存的，Kafka的Broker完全无视这个东西的存在；一般情况下SDK会把它保存到zookeeper里面。(所以需要给Consumer提供zookeeper的地址)。

如果不删除硬盘肯定会被撑满，所以Kakfa提供了两种策略来删除数据。一是基于时间，二是基于partition文件大小。具体配置可以参看它的配置文档。

Memory Mapped Files

即便是顺序写入硬盘，硬盘的访问速度还是不可能追上内存。所以Kafka的数据并 不是实时的写入硬盘 ，它充分利用了现代操作系统 分页存储 来利用内存提高I/O效率。

Memory Mapped Files(后面简称mmap)也被翻译成 内存映射文件 ，在64位操作系统中一般可以表示20G的数据文件，它的工作原理是直接利用操作系统的Page来实现文件到物理内存的直接映射。完成映射之后你对物理内存的操作会被同步到硬盘上（操作系统在适当的时候）。

通过mmap，进程像读写硬盘一样读写内存（当然是虚拟机内存），也不必关心内存的大小有虚拟内存为我们兜底。

使用这种方式可以获取很大的I/O提升， 省去了用户空间到内核空间 复制的开销（调用文件的read会把数据先放到内核空间的内存中，然后再复制到用户空间的内存中。）也有一个很明显的缺陷——不可靠，写到mmap中的数据并没有被真正的写到硬盘，操作系统会在程序主动调用flush的时候才把数据真正的写到硬盘。 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)。

mmap其实是Linux中的一个函数就是用来实现内存映射的，谢谢Java NIO，它给我提供了一个mappedbytebuffer类可以用来实现内存映射（所以是沾了Java的光才可以如此神速和Scala没关系！！）

消费者（读取数据）

Kafka使用磁盘文件还想快速？这是我看到Kafka之后的第一个疑问，ZeroMQ完全没有任何服务器节点，也不会使用硬盘，按照道理说它应该比Kafka快。可是实际测试下来它的速度还是被Kafka“吊打”。 “一个用硬盘的比用内存的快”，这绝对违反常识；如果这种事情发生说明——它作弊了。

没错，Kafka“作弊”。无论是 顺序写入 还是 mmap 其实都是作弊的准备工作。

如何提高Web Server静态文件的速度

仔细想一下，一个Web Server传送一个静态文件，如何优化？答案是zero copy。传统模式下我们从硬盘读取一个文件是这样的

先复制到内核空间（read是系统调用，放到了DMA，所以用内核空间），然后复制到用户空间(1,2)；从用户空间重新复制到内核空间（你用的socket是系统调用，所以它也有自己的内核空间），最后发送给网卡（3、4）。

Zero Copy中直接从内核空间（DMA的）到内核空间（Socket的），然后发送网卡。

这个技术非常普遍，The C10K problem 里面也有很详细的介绍，Nginx也是用的这种技术，稍微搜一下就能找到很多资料。

Java的NIO提供了FileChannle，它的transferTo、transferFrom方法就是Zero Copy。

Kafka是如何耍赖的

想到了吗？Kafka把所有的消息都存放在一个一个的文件中，当消费者需要数据的时候Kafka直接把“文件”发送给消费者。这就是秘诀所在，比如： 10W的消息组合在一起是10MB的数据量，然后Kafka用类似于发文件的方式直接扔出去了，如果消费者和生产者之间的网络非常好（只要网络稍微正常一点10MB根本不是事。。。家里上网都是100Mbps的带宽了），10MB可能只需要1s。所以答案是——10W的TPS，Kafka每秒钟处理了10W条消息。

可能你说：不可能把整个文件发出去吧？里面还有一些不需要的消息呢？是的，Kafka作为一个“高级作弊分子”自然要把作弊做的有逼格。Zero Copy对应的是sendfile这个函数（以Linux为例），这个函数接受

out_fd作为输出（一般及时socket的句柄）
in_fd作为输入文件句柄
off_t表示in_fd的偏移（从哪里开始读取）
size_t表示读取多少个

没错，Kafka是用mmap作为文件读写方式的，它就是一个文件句柄，所以直接把它传给sendfile；偏移也好解决，用户会自己保持这个offset，每次请求都会发送这个offset。（还记得吗？放在zookeeper中的）；数据量更容易解决了，如果消费者想要更快，就全部扔给消费者。如果这样做一般情况下消费者肯定直接就被 压死了 ；所以Kafka提供了的两种方式——Push，我全部扔给你了，你死了不管我的事情；Pull，好吧你告诉我你需要多少个，我给你多少个。

总结

Kafka速度的秘诀在于，它把所有的消息都变成一个的文件。通过mmap提高I/O速度，写入数据的时候它是末尾添加所以速度最优；读取数据的时候配合sendfile直接暴力输出。阿里的RocketMQ也是这种模式，只不过是用Java写的。

单纯的去测试MQ的速度没有任何意义，Kafka这种“暴力”、“流氓”、“无耻”的做法已经脱了MQ的底裤，更像是一个暴力的“数据传送器”。所以对于一个MQ的评价只以速度论英雄，世界上没人能干的过Kafka，我们设计的时候不能听信网上的流言蜚语——“Kafka最快，大家都在用，所以我们的MQ用Kafka没错”。在这种思想的作用下，你可能根本不会关心“失败者”；而实际上可能这些“失败者”是更适合你业务的MQ。

Kafka文件存储机制那些事

分析过程分为以下4个步骤：

topic中partition存储分布
partiton中文件存储方式
partiton中segment文件存储结构
在partition中如何通过offset查找message

通过上述4过程详细分析，我们就可以清楚认识到kafka文件存储机制的奥秘。

2.1 topic中partition存储分布

假设实验环境中Kafka集群只有一个broker，xxx/message-folder为数据文件存储根目录，在Kafka broker中server.properties文件配置(参数log.dirs=xxx/message-folder)，例如创建2个topic名称分别为report_push、launch_info, partitions数量都为partitions=4

存储路径和目录规则为：
xxx/message-folder

在Kafka文件存储中，同一个topic下有多个不同partition，每个partition为一个目录，partiton命名规则为topic名称+有序序号，第一个partiton序号从0开始，序号最大值为partitions数量减1。

2.2 partiton中文件存储方式

下面示意图形象说明了partition中文件存储方式:

每个partion(目录)相当于一个巨型文件被平均分配到多个大小相等segment(段)数据文件中。但每个段segment file消息数量不一定相等，这种特性方便old segment file快速被删除。
每个partiton只需要支持顺序读写就行了，segment文件生命周期由服务端配置参数决定。

这样做的好处就是能快速删除无用文件，有效提高磁盘利用率。

2.3 partiton中segment文件存储结构

读者从2.2节了解到Kafka文件系统partition存储方式，本节深入分析partion中segment file组成和物理结构。

segment file组成：由2大部分组成，分别为index file和data file，此2个文件一一对应，成对出现，后缀”.index”和“.log”分别表示为segment索引文件、数据文件.
segment文件命名规则：partion全局的第一个segment从0开始，后续每个segment文件名为上一个segment文件最后一条消息的offset值。数值最大为64位long大小，19位数字字符长度，没有数字用0填充。

下面文件列表是笔者在Kafka broker上做的一个实验，创建一个topicXXX包含1 partition，设置每个segment大小为500MB,并启动producer向Kafka broker写入大量数据,如下图2所示segment文件列表形象说明了上述2个规则：

以上述图2中一对segment file文件为例，说明segment中index<—->data file对应关系物理结构如下：

上述图3中索引文件存储大量元数据，数据文件存储大量消息，索引文件中元数据指向对应数据文件中message的物理偏移地址。

其中以索引文件中元数据3,497为例，依次在数据文件中表示第3个message(在全局partiton表示第368772个message)、以及该消息的物理偏移地址为497。

从上述图3了解到segment data file由许多message组成，下面详细说明message物理结构如下：

参数说明

关键字	解释说明
8 byte offset	在parition(分区)内的每条消息都有一个有序的id号，这个id号被称为偏移(offset),它可以唯一确定每条消息在parition(分区)内的位置。即offset表示partiion的第多少message
4 byte message size	message大小
4 byte CRC32	用crc32校验message
1 byte “magic”	表示本次发布Kafka服务程序协议版本号
1 byte “attributes”	表示为独立版本、或标识压缩类型、或编码类型。
4 byte key length	表示key的长度,当key为-1时，K byte key字段不填
K byte key	可选
value bytes payload	表示实际消息数据。

2.4 在partition中如何通过offset查找message

例如读取offset=368776的message，需要通过下面2个步骤查找。

第一步查找segment file
上述图2为例，其中00000000000000000000.index表示最开始的文件，起始偏移量(offset)为0.第二个文件00000000000000368769.index的消息量起始偏移量为368770 = 368769 + 1.同样，第三个文件00000000000000737337.index的起始偏移量为737338=737337 + 1，其他后续文件依次类推，以起始偏移量命名并排序这些文件，只要根据offset 二分查找文件列表，就可以快速定位到具体文件。
当offset=368776时定位到00000000000000368769.index|log
第二步通过segment file查找message
通过第一步定位到segment file，当offset=368776时，依次定位到00000000000000368769.index的元数据物理位置和00000000000000368769.log的物理偏移地址，然后再通过00000000000000368769.log顺序查找直到offset=368776为止。

从上述图3可知这样做的优点，segment index file采取稀疏索引存储方式，它减少索引文件大小，通过mmap可以直接内存操作，稀疏索引为数据文件的每个对应message设置一个元数据指针,它比稠密索引节省了更多的存储空间，但查找起来需要消耗更多的时间。

3 Kafka文件存储机制–实际运行效果

实验环境：

Kafka集群：由2台虚拟机组成
cpu：4核
物理内存：8GB
网卡：千兆网卡
jvm heap: 4GB

从上述图5可以看出，Kafka运行时很少有大量读磁盘的操作，主要是定期批量写磁盘操作，因此操作磁盘很高效。这跟Kafka文件存储中读写message的设计是息息相关的。Kafka中读写message有如下特点:

写message：

消息从java堆转入page cache(即物理内存)。
由异步线程刷盘,消息从page cache刷入磁盘。

读message

消息直接从page cache转入socket发送出去。
当从page cache没有找到相应数据时，此时会产生磁盘IO,从磁盘Load消息到page cache,然后直接从socket发出去

4.总结

Kafka高效文件存储设计特点：

Kafka把topic中一个parition大文件分成多个小文件段，通过多个小文件段，就容易定期清除或删除已经消费完文件，减少磁盘占用。
通过索引信息可以快速定位message和确定response的最大大小。
通过index元数据全部映射到memory，可以避免segment file的IO磁盘操作。
通过索引文件稀疏存储，可以大幅降低index文件元数据占用空间大小。