kafka设计要点之高吞吐量

kafka设计的目标之一就是高吞吐量。除了最基础的将一个topic划分为多个partition外，还从以下各个方面优化。

kafka broker端为了提高吞吐量：实现顺序读写磁盘、利用page cache，将文件数据映射到内存，利用sendfile网传时socket通信时直接读取内存区域（减少操作系统上下文切换、零拷贝提速）；

producer端,将消息buffer起来,当消息的条数达到一定阀值时（一定数量或时间）,批量发送给broker;

consumer,批量fetch多条消息.通过配置到达一定阈值时（一定数量或时间），批量从broker拉取信息；

对于producer/consumer/broker三者而言,CPU的开支应该都不大,因此启用消息压缩机制减少网传数据量;压缩需要消耗少量的CPU资源,可以将任何在网络上传输的消息都经过压缩.kafka支持gzip/snappy等多种压缩方式。

顺序写磁盘

根据《一些场景下顺序写磁盘快于随机写内存》所述，将写磁盘的过程变为顺序写，可极大提高对磁盘的利用率。

Kafka的整个设计中，Partition相当于一个非常长的数组，而Broker接收到的所有消息顺序写入这个大数组中。同时Consumer通过Offset顺序消费这些数据，并且不删除已经消费的数据，从而避免了随机写磁盘的过程。

由于磁盘有限，不可能保存所有数据，实际上作为消息系统Kafka也没必要保存所有数据，需要删除旧的数据。而这个删除过程，并非通过使用“读-写”模式去修改文件，而是将Partition分为多个Segment，每个Segment对应一个物理文件，通过删除整个文件的方式去删除Partition内的数据。这种方式清除旧数据的方式，也避免了对文件的随机写操作。

通过如下代码可知，Kafka删除Segment的方式，是直接删除Segment对应的整个log文件和整个index文件而非删除文件中的部分内容。

/**
 * Delete this log segment from the filesystem.
 *
 * @throws KafkaStorageException if the delete fails.
 */
def delete() {
  val deletedLog = log.delete()
  val deletedIndex = index.delete()
  val deletedTimeIndex = timeIndex.delete()
  if(!deletedLog && log.file.exists)
    throw new KafkaStorageException("Delete of log " + log.file.getName + " failed.")
  if(!deletedIndex && index.file.exists)
    throw new KafkaStorageException("Delete of index " + index.file.getName + " failed.")
  if(!deletedTimeIndex && timeIndex.file.exists)
    throw new KafkaStorageException("Delete of time index " + timeIndex.file.getName + " failed.")
}

充分利用Page Cache

使用Page Cache的好处如下

I/O Scheduler会将连续的小块写组装成大块的物理写从而提高性能
I/O Scheduler会尝试将一些写操作重新按顺序排好，从而减少磁盘头的移动时间
充分利用所有空闲内存（非JVM内存）。如果使用应用层Cache（即JVM堆内存），会增加GC负担
读操作可直接在Page Cache内进行。如果消费和生产速度相当，甚至不需要通过物理磁盘（直接通过Page Cache）交换数据
如果进程重启，JVM内的Cache会失效，但Page Cache仍然可用

Broker收到数据后，写磁盘时只是将数据写入Page Cache，并不保证数据一定完全写入磁盘。从这一点看，可能会造成机器宕机时，Page Cache内的数据未写入磁盘从而造成数据丢失。但是这种丢失只发生在机器断电等造成操作系统不工作的场景，而这种场景完全可以由Kafka层面的Replication机制去解决。如果为了保证这种情况下数据不丢失而强制将Page Cache中的数据Flush到磁盘，反而会降低性能。也正因如此，Kafka虽然提供了flush.messages和flush.ms两个参数将Page Cache中的数据强制Flush到磁盘，但是Kafka并不建议使用。

如果数据消费速度与生产速度相当，甚至不需要通过物理磁盘交换数据，而是直接通过Page Cache交换数据。同时，Follower从Leader Fetch数据时，也可通过Page Cache完成。下图为某Partition的Leader节点的网络/磁盘读写信息。

从上图可以看到，该Broker每秒通过网络从Producer接收约35MB数据，虽然有Follower从该Broker Fetch数据，但是该Broker基本无读磁盘。这是因为该Broker直接从Page Cache中将数据取出返回给了Follower。

支持多Disk Drive

Broker的log.dirs配置项，允许配置多个文件夹。如果机器上有多个Disk Drive，可将不同的Disk挂载到不同的目录，然后将这些目录都配置到log.dirs里。Kafka会尽可能将不同的Partition分配到不同的目录，也即不同的Disk上，从而充分利用了多Disk的优势。

零拷贝

Kafka中存在大量的网络数据持久化到磁盘（Producer到Broker）和磁盘文件通过网络发送（Broker到Consumer）的过程。这一过程的性能直接影响Kafka的整体吞吐量。

传统模式下的四次拷贝与四次上下文切换

以将磁盘文件通过网络发送为例。传统模式下，一般使用如下伪代码所示的方法先将文件数据读入内存，然后通过Socket将内存中的数据发送出去。

1 2	buffer = File.read Socket.send(buffer)

这一过程实际上发生了四次数据拷贝。首先通过系统调用将文件数据读入到内核态Buffer（DMA拷贝），然后应用程序将内存态Buffer数据读入到用户态Buffer（CPU拷贝），接着用户程序通过Socket发送数据时将用户态Buffer数据拷贝到内核态Buffer（CPU拷贝），最后通过DMA拷贝将数据拷贝到NIC Buffer。同时，还伴随着四次上下文切换，如下图所示。

sendfile和transferTo实现零拷贝

Linux 2.4+内核通过sendfile系统调用，提供了零拷贝。数据通过DMA拷贝到内核态Buffer后，直接通过DMA拷贝到NIC Buffer，无需CPU拷贝。这也是零拷贝这一说法的来源。除了减少数据拷贝外，因为整个读文件-网络发送由一个sendfile调用完成，整个过程只有两次上下文切换，因此大大提高了性能。零拷贝过程如下图所示。

从具体实现来看，Kafka的数据传输通过TransportLayer来完成，其子类PlaintextTransportLayer通过Java NIO的FileChannel的transferTo和transferFrom方法实现零拷贝，如下所示。

@Override
public long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException {
    return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel);
}

注： transferTo和transferFrom并不保证一定能使用零拷贝。实际上是否能使用零拷贝与操作系统相关，如果操作系统提供sendfile这样的零拷贝系统调用，则这两个方法会通过这样的系统调用充分利用零拷贝的优势，否则并不能通过这两个方法本身实现零拷贝。

减少网络开销

批处理

批处理是一种常用的用于提高I/O性能的方式。对Kafka而言，批处理既减少了网络传输的Overhead，又提高了写磁盘的效率。

Kafka 0.8.1及以前的Producer区分同步Producer和异步Producer。同步Producer的send方法主要分两种形式。一种是接受一个KeyedMessage作为参数，一次发送一条消息。另一种是接受一批KeyedMessage作为参数，一次性发送多条消息。而对于异步发送而言，无论是使用哪个send方法，实现上都不会立即将消息发送给Broker，而是先存到内部的队列中，直到消息条数达到阈值或者达到指定的Timeout才真正的将消息发送出去，从而实现了消息的批量发送。

Kafka 0.8.2开始支持新的Producer API，将同步Producer和异步Producer结合。虽然从send接口来看，一次只能发送一个ProducerRecord，而不能像之前版本的send方法一样接受消息列表，但是send方法并非立即将消息发送出去，而是通过batch.size和linger.ms控制实际发送频率，从而实现批量发送。

由于每次网络传输，除了传输消息本身以外，还要传输非常多的网络协议本身的一些内容（称为Overhead），所以将多条消息合并到一起传输，可有效减少网络传输的Overhead，进而提高了传输效率。

从零拷贝章节的图中可以看到，虽然Broker持续从网络接收数据，但是写磁盘并非每秒都在发生，而是间隔一段时间写一次磁盘，并且每次写磁盘的数据量都非常大（最高达到718MB/S）。

数据压缩降低网络负载

Kafka从0.7开始，即支持将数据压缩后再传输给Broker。除了可以将每条消息单独压缩然后传输外，Kafka还支持在批量发送时，将整个Batch的消息一起压缩后传输。数据压缩的一个基本原理是，重复数据越多压缩效果越好。因此将整个Batch的数据一起压缩能更大幅度减小数据量，从而更大程度提高网络传输效率。

Broker接收消息后，并不直接解压缩，而是直接将消息以压缩后的形式持久化到磁盘。Consumer Fetch到数据后再解压缩。因此Kafka的压缩不仅减少了Producer到Broker的网络传输负载，同时也降低了Broker磁盘操作的负载，也降低了Consumer与Broker间的网络传输量，从而极大得提高了传输效率，提高了吞吐量。

高效的序列化方式

Kafka消息的Key和Payload（或者说Value）的类型可自定义，只需同时提供相应的序列化器和反序列化器即可。因此用户可以通过使用快速且紧凑的序列化-反序列化方式（如Avro，Protocal Buffer）来减少实际网络传输和磁盘存储的数据规模，从而提高吞吐率。这里要注意，如果使用的序列化方法太慢，即使压缩比非常高，最终的效率也不一定高。Kafka设计解析（六）- Kafka高性能架构之道