Kafka元数据缓存(metadata cache)

　　经常有人问的一个问题就是：Kafka broker到底是不是无状态的？网上有这样的说法：

正常情况下consumer会在消费完一条消息后线性增加这个offset。当然，consumer也可将offset设成一个较小的值，重新消费一些消息。因为offet由consumer控制，所以Kafka broker是无状态的。。。。。。

　　我猜想作者的意思应该是说：broker不保存消费者的状态。如果从这个角度来说，broker无状态的说法倒也没有什么问题。不过实际上，broker是有状态的服务：每台broker在内存中都维护了集群上所有节点和topic分区的状态信息——Kafka称这部分状态信息为元数据缓存(metadata cache)。本文就将讨论一下这个metadata cache的设计与实现。

1. cache里面存了什么？

　　首先，我们来看下cache里面都存了什么，我们以Kafka 1.0.0版本作为分析对象。Metadata cache中保存的信息十分丰富，几乎囊括了Kafka集群的各个方面，它包含了：

• controller所在的broker ID，即保存了当前集群中controller是哪台broker
• 集群中所有broker的信息：比如每台broker的ID、机架信息以及配置的若干组连接信息(比如配置了PLAINTEXT和SASL监听器就有两套连接信息，分别使用不同的安全协议和端口，甚至主机名都可能不同)
• 集群中所有节点的信息：严格来说，它和上一个有些重复，不过此项是按照broker ID和监听器类型进行分组的。对于超大集群来说，使用这一项缓存可以快速地定位和查找给定节点信息，而无需遍历上一项中的内容，算是一个优化吧
• 集群中所有分区的信息：所谓分区信息指的是分区的leader、ISR和AR信息以及当前处于offline状态的副本集合。这部分数据按照topic和分区ID进行分组，可以快速地查找到每个分区的当前状态。（注：AR表示assigned replicas，即创建topic时为该分区分配的副本集合）

2. 每台broker都保存相同的cache吗？

　　是的，至少Kafka在设计时的确是这样的愿景：每台Kafka broker都要维护相同的缓存，这样客户端程序(clients)随意地给任何一个broker发送请求都能够获取相同的数据，这也是为什么任何一个broker都能处理clients发来的Metadata请求的原因：因为每个broker上都有这些数据！要知道目前Kafka共有38种请求类型，能做到这一点的可谓少之又少。每个broker都能处理的能力可以缩短请求被处理的延时从而提高整体clients端的吞吐，因此用空间去换一些时间的做法是值得的。

3. cache是怎么更新的？

　　如前所述，用空间去换时间，好处是降低了延时，提升了吞吐，但劣势就在于你需要处理cache的更新并且维护一致性。目前Kafka是怎么更新cache的？简单来说，就是通过发送异步更新请求(UpdateMetadata request)来维护一致性的。既然是异步的，那么在某一个时间点集群上所有broker的cache信息就未必是严格相同的。只不过在实际使用场景中，这种弱一致性似乎并没有太大的问题。原因如下：1. clients并不是时刻都需要去请求元数据的，且会缓存到本地；2. 即使获取的元数据无效或者过期了，clients通常都有重试机制，可以去其他broker上再次获取元数据; 3. cache更新是很轻量级的，仅仅是更新一些内存中的数据结构，不会有太大的成本。因此我们还是可以安全地认为每台broker上都有相同的cache信息。

　　具体的更新操作实际上是由controller来完成的。controller会在一定场景下向特定broker发送UpdateMetadata请求令这些broker去更新它们各自的cache，这些broker一旦接收到请求便开始全量更新——即清空当前所有cache信息，使用UpdateMetadata请求中的数据来重新填充cache。

4. cache什么时候更新？

　　实际上这个问题等同于：controller何时向特定broker发送UpdateMetadata请求？ 如果从源码开始分析，那么涉及到的场景太多了，比如controller启动时、新broker启动时、更新broker时、副本重分配时等等。我们只需要记住：只要集群中有broker或分区数据发生了变更就需要更新这些cache。

　　举个经常有人问的例子：集群中新增加的broker是如何获取这些cache，并且其他broker是如何知晓它的？当有新broker启动时，它会在Zookeeper中进行注册，此时监听Zookeeper的controller就会立即感知这台新broker的加入，此时controller会更新它自己的缓存（注意：这是controller自己的缓存，不是本文讨论的metadata cache）把这台broker加入到当前broker列表中，之后它会发送UpdateMetadata请求给集群中所有的broker(也包括那台新加入的broker)让它们去更新metadata cache。一旦这些broker更新cache完成，它们就知道了这台新broker的存在，同时由于新broker也更新了cache，故现在它也有了集群所有的状态信息。

5. 目前的问题？

　　前面说过了，现在更新cache完全由controller来驱动，故controller所在broker的负载会极大地影响这部分操作（实际上，它会影响所有的controller操作）。根据目前的设计，controller所在broker依然作为一个普通broker执行其他的clients请求处理逻辑，所以如果controller broker一旦忙于各种clients请求(比如生产消息或消费消息)，那么这种更新操作的请求就会积压起来(backlog)，造成了更新操作的延缓甚至是被取消。究其根本原因在于当前controller对待数据类请求和控制类请求并无任何优先级化处理——controller一视同仁地对待这些请求，而实际上我们更希望controller能否赋予控制类请求更高的优先级。社区目前已经开始着手改造当前的设计，相信在未来的版本中此问题可以得到解决。

　　本文探讨了一些关于metadata cache方面的内容，因为时间有限，并没有涵盖方方面面。不过对于我们了解cache的工作原理应该可以还是有帮助的~~